Pt100鉑熱電阻在雨花茶精揉機溫度控制中應用

摘要:從鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理出發(fā),分析了雨花茶精揉機揉鍋溫度測量與控制系統在溫度信號采集過(guò)程中引入的非線(xiàn)性誤差,提出了以P100鉑熱電阻和AT89S52單片機為核心的軟件非線(xiàn)性補償方案,給出了系統硬件結構圍和軟件設計流程圍。實(shí)驗結果表明該方案簡(jiǎn)便有效,能夠提高溫度控制系統性能。
　　雨花茶精揉過(guò)程中,揉鍋溫度的準確測量與控制決定了雨花茶的最終質(zhì)量,而傳統集成溫度傳感器無(wú)法對寬范圍的溫度變化進(jìn)行測量,Pt100鉑熱電阻具有測溫范圍寬、穩定性好精度高、抗振動(dòng)強等特點(diǎn)。利用Pt100鉑熱電阻非平衡電橋構成測溫前向通道，結合曲線(xiàn)擬合的方法有效地消除了測溫過(guò)程中所引入的非線(xiàn)性誤差,實(shí)現了茶葉精揉過(guò)程中溫度的自動(dòng)檢測與控制。
1鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理
　　熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器0],利用其阻值隨中低溫區溫度變化而變化的特點(diǎn)來(lái)采集溫度信號,并將采集到的信號轉換成電壓信號;再經(jīng)過(guò)AD轉換為數字信號由單片機系統讀取;單片機系統把讀取到的數字信號進(jìn)行識別與處理,換算成與溫度對應的數字信號,最后再由液晶顯示器顯示出當前的溫度值。
　　為了減小引線(xiàn)電阻對非平衡電橋測溫的影響,系統中采用的是三線(xiàn)制PT100鉑熱電阻。非平衡電橋接線(xiàn)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
令R2=R2'+r,R4=Rt+r,忽略測溫時(shí)導線(xiàn)電阻r隨溫度微小變化的影響,由圖1可得:
 
　　上式中,k為儀表放大器AD620的增益;U為+5V參考電壓;Ri為儀表放大器輸人端電阻;在實(shí)際測量中該放大器輸人端電阻Ri可視為無(wú)窮大,故上式分母中的第二項可以忽略不計,可得:
 
　　由圖1可得:R2=R1+r,并由P100的特性可知,0℃時(shí),Rr=100Ω=R3,設△Rr為熱電阻Rr隨溫度變化而增加的電阻值，則R4=R3+△Rr+r,代人上式得:
 
　　當環(huán)境溫度變化時(shí),△Rr隨之而變化并引起輸出電壓變化,隨溫度變化的電壓被ADC0809所采集并送往單片機進(jìn)行處理。
2熱電阻非平衡電橋非線(xiàn)性補償
　　系統中選用的Pt100鉑熱電阻組成的非平衡電橋所引人的非線(xiàn)性誤差是不可忽略的。當測溫范圍大于100℃時(shí),電橋的非線(xiàn)性程度將隨著(zhù)量程的增加而增加,在溫度為200℃時(shí),非線(xiàn)性偏差達到1.45%,這在測量中是不允許的問(wèn)。并且在0℃至850℃范圍內,鉑熱電阻的阻.值Rr與溫度T也是非線(xiàn)性關(guān)系,并且隨著(zhù)溫度的升高,鉑熱電阻的非線(xiàn)性程度越來(lái)越嚴重”。
　　解決鉑熱電阻非平衡電橋非線(xiàn)性誤差常用方法有:插值法、折線(xiàn)法和迭代法。插值法和折線(xiàn)法對內存空間有一定要求,同時(shí)要求選取合適的插值點(diǎn),而迭代法則存在運算復雜運算周期長(cháng)等缺點(diǎn)。
在程序設計中,是根據已知輸人電壓U。而求溫度T。因此只要得到足夠的U0-T數據點(diǎn),就可以采用曲線(xiàn)擬合的方法得到T=ƒ(U0)函數,并將其植人AT89S52單片機。利用AT89S52單片機的數據處理功能,通過(guò)循環(huán)采樣U0的電壓值代人曲線(xiàn)方程計算得到揉鍋的準確溫度。
　　實(shí)際U0-T曲線(xiàn)測定中,0~8℃采用冰水混合物自然升溫至室溫測定;8~100℃采用HH-60快速恒溫水浴箱測定;100~200℃采用密室內XLB-D平板硫化機產(chǎn)生的恒定溫度場(chǎng)測定。由于試驗條件原因,無(wú)法確保溫度穩定在某個(gè)整數定點(diǎn)上，因此采用非等間隔測量辦法，歷時(shí)400min共測得95個(gè)溫度點(diǎn)所對應的電壓值,實(shí)驗結果擬合曲線(xiàn)如圖2所示。
 
3系統硬件設計
　　主要由溫度檢測電路、信號處理電路、控溫電路、顯示和聲光報警電路共4個(gè)部分組成。硬件結構如圖3所示。
　　控制器選用低功耗、性能高CMOS工藝的AT89S528位單片機。該控制器片內含有8K字節的FLASH和256字節的RAM,具有在系統編程功能,使用靈活方便?？刂破髦饕瓿蓽囟刃盘枡z測及處理、顯示報警、串行通信和輸出PWM信號等功能?？販仉娐分饕?550PNP三極管、Z型交流固態(tài)繼電器和4x1.2kW的電熱管。系統采用定時(shí)器T0控制通用輸出端口P1.7輸出PWM信號。利用PWM控制SSR通斷的方式調節電阻爐的輸人電功率。實(shí)際控溫電路如圖4所示。
 
4系統軟件設計
　　系統程序采用模塊化和中斷傳送的方式進(jìn)行設計。程序模塊分為主程序、INT0外部中斷子程序、INT1外部中斷子程序、TIMEO中斷子程序、串行通信子程序、PID子程序以及PWM子程序。程序設計流程如圖5所示。
　　主程序完成子程序的初始化;INT0外部中斷子程序完成用戶(hù)溫度設定值的輸人并送顯示器顯示;INT1外部中斷子程序負責ADC0809轉換結果的讀取，U0-T數據轉換判斷是否超溫報警溫度送顯示器顯示、串口通訊、調用PID子程序求取控制量m送PWM子程序;TIME0中斷子程序負責定時(shí)啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行電壓值采樣并調用PWM子程序完成占空比1%可調的PWM波形輸出。串行通信子程序通過(guò)RS-232串口接收上位機對下位機的溫度設定值送顯示器顯示并發(fā)送實(shí)時(shí)的溫度數據送上位機打印與保存;PID子程序采用遇限削弱積分的PID控制算法,避免了由于控制量受限而引起控制量丟失的現象,有效縮短了實(shí)際控制系統的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
 
　　由于采用的調節控制是在單片機TMEO定時(shí)中斷控制下完成的,因此采樣周期T的大小必須保證中斷服務(wù)程序的正常運行?？紤]到系統的純滯后時(shí)間大約為11s,經(jīng)過(guò)權衡,最終選取系統的采樣周期為1g。
5結果與分析
　　由表1可以看出,在0~200℃標準溫度范圍內,測量誤差為-0.1~0.3℃,測溫精度很高。由表2可見(jiàn)，在設定溫度50~200℃范圍內，控制誤差為-0.2~0.3℃,控溫精度也很理想。
 
6結束語(yǔ)
　　從鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理出發(fā),重點(diǎn)分析了該系統在溫度信號采集過(guò)程中引入非線(xiàn)性誤差的原因,并給出了一種消除非平衡電橋非線(xiàn)性誤差的方法。從實(shí)驗結果可以看出,該方法簡(jiǎn)單有效,能夠保證6CRJ-24精揉機的控溫精度。