基于鉑熱電阻高溫檢測系統設計與優(yōu)化

摘要:為了實(shí)現基于金屬鉑材料制作的熱電阻溫度傳感器在高溫測量環(huán)境下實(shí)現對溫度數據的精度高測量提出一種基于優(yōu)化電路參數及阻溫方程參數的溫度檢測系統設計方案。設計利用恒壓源電路獲得穩定的理想電壓通過(guò)不平衡電橋差分放大電路和二階有源濾波電路得到理想采集信號;設計優(yōu)化了電路參數校正了鉑熱電阻因高溫產(chǎn)生的非線(xiàn)性。通過(guò)熔融沉積成型(FDM)3D打印噴頭實(shí)驗平臺驗證了設計方案的有效性實(shí)現了在高溫測量環(huán)境下對溫度數據精度高測量的目的。
0.引言
       鉑熱電阻溫度傳感器被視為理想的測溫元件,因其測量范圍大測量精度高性能穩定性好抗振性能強機械強度高耐高溫耐壓性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用于各種實(shí)際測量環(huán)境下。然而在高溫環(huán)境下外界待測溫度會(huì )對測量電路和溫度傳感器造成一定程度的影響嚴重制約了溫度檢測系統的精度為了提高基于鉑熱電阻測溫系統的檢測精度提出了一種基于優(yōu)化電路參數及阻溫方程參數的溫度檢測系統設計基本實(shí)現了對待測溫度測量區間的參數優(yōu)化設計并通過(guò)FDM型3D打印噴頭實(shí)驗平臺驗證了本設計方法的有效性有效提高了溫度測量的正確性。
1檢測系統電路設計
       Pt100型鉑熱電阻測溫原理是金屬鉑的電阻阻值會(huì )隨溫度的增加而增加'21。傳統的溫度測量方法便是利用鉑熱電阻的這種特性測量在恒定電路中的鉑熱電阻兩端電壓反推其電阻阻值最后根據鉑熱電阻的阻溫特性函數關(guān)系得到測量環(huán)境的溫度值。
       常用弓|線(xiàn)接法有兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制。其中兩線(xiàn)制接法為簡(jiǎn)單但因為引入了不可控的引線(xiàn)電阻,因此會(huì )對測量精度產(chǎn)生較大的影響-般只使用在對測量精度要求不高的簡(jiǎn)單測試中;有人提出了恒流源驅動(dòng)四線(xiàn)制鉑熱電阻測量方法四線(xiàn)制接法將電源線(xiàn)與信號線(xiàn)分離開(kāi)來(lái)可以較好避免引線(xiàn)電阻弓|起的測量誤差,但在獲得精度高測量結果的同時(shí)也會(huì )顯著(zhù)增加設備成本和設計復雜度;三線(xiàn)制接法有效兼顧了測量精度和成本之間的關(guān)系被廣泛應.用在工業(yè)測量領(lǐng)域。
      通過(guò)研究對比各種測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)設計了一種基于恒壓源控制的三線(xiàn)制惠斯登差分放大測量電路并通過(guò)優(yōu)化電路參數使得電壓變化范圍最大化后利用壓控二階低通濾波器有效抑制了電路噪聲對采樣信號的影響得到了正確性較高的電壓值，從而可以更加正確的計算出鉑熱電阻的阻值變化。

1.1恒壓源驅動(dòng)電路
       恒壓源電路為惠斯登橋差分放大電路提供電壓其電壓的穩定性對參考電壓與測量點(diǎn)電壓的精度有著(zhù)直接影響。因此輸出電壓的穩定性是恒壓源電路設計的重要標準。
電阻型溫度傳感器的自熱效應是對測量精度影響的另-重要因素使用電阻型溫度傳感器時(shí)其自熱效應必須注意['1。針對所采用的P100型熱電阻而言，必須保證其耗散功率不超過(guò)0.1mW[4]所以設計恒壓源輸出電壓為0.3V輸入電壓采用低功率、低飄移的REF3030芯片產(chǎn)生的基準電壓。恒壓源電路如圖2所示。

1.2惠斯登橋差分放大電路
       通過(guò)三線(xiàn)制接法將鉑熱電阻接入到惠斯登橋電路(如圖3)中并測量?jì)蓸虮鄣碾妷翰钸M(jìn)而通過(guò)計算得出鉑熱電阻的變化值,由于兩橋臂都有引|線(xiàn)電阻值所以引線(xiàn)電阻值所產(chǎn)生的誤差相互抵消不會(huì )對壓差產(chǎn)生影響。

       放大電路部分選取儀表放大器AD623其電路結構簡(jiǎn)單、穩定且共模抑制較大性能優(yōu)越。
1.3二階壓控濾波電路
       電路數據采集過(guò)程中,不可避免地會(huì )混入干擾信號。常見(jiàn)的電路干擾信號有頻率在50Hz或60Hz的工頻噪聲以及其他高頻設備產(chǎn)生的噪聲等[5]。
一階低通濾波器的幅頻特性下降速率為-20dB/十倍頻不能很好地將電路中的噪聲頻率濾除為了提高濾波效率采用二階有源濾波電路使得噪聲的衰減率可以達到-40dB/十倍頻并且在有效抑制電路噪聲的同時(shí)避免了因為濾波電路電阻消耗產(chǎn)生的放大倍數降低。
2檢測系統參數優(yōu)化
2.1電路參數優(yōu)化
       為了提高獲取信號的信噪比需要通過(guò)配置不同的電橋電阻使得電壓輸出變化范圍最大化從而進(jìn)一步得到更加正確溫度變化測量結果。
惠斯登橋輸出的電壓滿(mǎn)足式(2)設待測溫度區間為[T1T2]則根據鉑熱電阻阻溫特性方程可以得到的其阻值單調變化區間為[RtrRt2,,]則


式中Ro=100ΩA=3.9083×10^-3,B=-5.775×10^-7,C=-4.27350×10¹²,為工業(yè)鉑電阻的特征參數。
       由阻溫特征曲線(xiàn)知隨著(zhù)外界溫度的升高鉑熱電阻的非線(xiàn)性越來(lái)越嚴重”使得高溫環(huán)境直接計算會(huì )對處理器產(chǎn)生較大的計算量在嚴重制約測量系統的實(shí)時(shí)性的同時(shí),普通嵌入式處理器對多位浮點(diǎn)數的計算精度也會(huì )嚴重影響溫度的真實(shí)值。因此有必要對其特征參數進(jìn)行適當的校正和線(xiàn)性化處理以提高器測量的精度。
      設待測溫度區間為[T1,T2]將其邊界溫度T1和T2(均大于零)分別與此時(shí)測量所得的鉑熱電阻阻值R:和Ru代入到式(6)中得到

3實(shí)驗驗證
3.1實(shí)驗步驟
根據上述電路優(yōu)化原理可以得到對Pt100型鉑熱電阻測溫系統的優(yōu)化方法其步驟如下:
1)根據初始特征參數函數關(guān)系確定在待測溫度區間[T1;T2]的邊界阻值RT1,和RT2;.
2)根據電路優(yōu)化方程計算惠登通電橋分壓電阻值R和儀表差分放大電路反饋電阻值Rc的優(yōu)化結果;
3)利用加熱控制系統使得溫度傳感器所測得的真實(shí)邊界溫度達到T1和T2,并利用提出溫度檢測系統對加熱系統進(jìn)行測量得到T?1和T?2;
4)判斷是否T1-△T<T?1<T1+ΔT和T2-ΔT<T?2<T2+△T同時(shí)成立其中△T為允許誤差如果是則結束進(jìn)行步驟(6)否則進(jìn)行步驟(5);
5)反向求取T?1;和T?2所對應的鉑熱電阻阻值Rd和Ru,并與邊界溫度T1和T2代入標準阻溫函數關(guān)系式中修正得到特定溫度區間內的特征參數Ã和B?并返回步驟(1);
6)利用端基線(xiàn)線(xiàn)性集合求得在待測溫度區間[T1;T2]內線(xiàn)性?xún)?yōu)化方程(式(9))。
3.2實(shí)驗結果
       為了驗證所提出優(yōu)化方法的有效性,以STM32F103ZET6處理器[7]為核心設計了溫度檢測電路并利用精度高熱電偶溫度采集儀和加熱可控的FDM型3D打印噴頭加熱平臺對提出的溫度檢測系統進(jìn)行了溫度測量驗證設定目標溫度區間390~410℃以驗證本測溫系統在高溫環(huán)境下的實(shí)際使用情況。優(yōu)化結果如表1所示。

       當目標溫度區間設定為390~410C時(shí)因為高溫對測量系統的影響.直接測量會(huì )產(chǎn)生較大的誤差需要對特征函數參數進(jìn)行優(yōu)化得到如表2測量數據。

4結論
       通過(guò)實(shí)驗表明,所提出的溫度檢測系統即使在高溫測量區間內也可以有效的減少電路干擾信號對測量結果的影響得到較為正確的測量結果測量誤差在±0.5℃內基本達到了設計要求。