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新聞詳情
鉑熱電阻的高溫檢測系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化 為了實現(xiàn)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)境下實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的高精度測量，提出一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。設(shè)計利用恒壓源電路，獲得穩(wěn)定的理想電壓，通過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(shè)計優(yōu)化了電路參數(shù)，校正了鉑熱電阻因高溫產(chǎn)生的非線性。通過熔融沉積成型( FDM) 3D 打印噴頭實驗平臺，驗證了設(shè)計方案的有效性，實現(xiàn)了在高溫測量環(huán)境下對溫度數(shù)據(jù)高精度測量的目的。 引 言 鉑熱電阻溫度傳感器被視為非常為理想的測溫元件，因其測量范圍大，測量精度高，性能穩(wěn)定性好，抗振性能強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫耐壓性能好［1］等優(yōu)點，被廣泛使用于各種實際測量環(huán)境下。然而，在高溫環(huán)境下，外界待測溫度會對測量電路和溫度傳感器造成一定程度的影響，嚴(yán)重制約了溫度檢測系統(tǒng)的精度，為了提高基于鉑熱電阻測溫系統(tǒng)的檢測精度，本文提出了一種基于優(yōu)化電路參數(shù)及阻溫方程參數(shù)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計，基本實現(xiàn)了對待測溫度測量區(qū)間的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，并通過 FDM 型 3D 打印噴頭實驗平臺，驗證了本設(shè)計方法的有效性，有效提高了溫度測量的準(zhǔn)確性。 1 檢測系統(tǒng)電路設(shè)計 Pt100 型鉑熱電阻測溫原理是金屬鉑的電阻阻值會隨溫度的增加而增加［2］。傳統(tǒng)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，非常后根據(jù)鉑熱電阻的阻溫特性函數(shù)關(guān)系得到測量環(huán)境的溫度值。 常用引線接法有兩線制、三線制和四線制。其中，兩線制接法非常為簡單，但因為引入了不可控的引線電阻，因此會對測量精度產(chǎn)生較大的影響，一般只使用在對測量精度要求不高的簡單測試中; 有人提出了恒流源驅(qū)動四線制鉑熱電阻測量方法，四線制接法將電源線與信號線分離開來，可以較好避免引線電阻引起的測量誤差，但在獲得高精度測量結(jié)果的同時，也會顯著增加設(shè)備成本和設(shè)計復(fù)雜度; 三線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(yīng)用在工業(yè)測量領(lǐng)域。 通過研究對比各種測量方法的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種基于恒壓源控制的三線制惠斯登差分放大測量電路，并通過優(yōu)化電路參數(shù)使得電壓變化范圍非常大化，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，得到了準(zhǔn)確性較高的電壓值，從而可以更加精確的計算出鉑熱電阻的阻值變化。 1． 1 恒壓源驅(qū)動電路 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(wěn)定性對參考電壓與測量點電壓的準(zhǔn)確度有著直接影響。因此，輸出電壓的穩(wěn)定性是恒壓源電路設(shè)計的重要標(biāo)準(zhǔn)。電阻型溫度傳感器的自熱效應(yīng)是對測量精度影響的另一重要因素，使用電阻型溫度傳感器時，其自熱效應(yīng)必須注意［3］。針對本文所采用的 Pt100 型熱電阻而言，必須保證其耗散功率不超過 0． 1 mW［4］，所以設(shè)計恒壓源輸出電壓為 0． 3 V，輸入電壓采用低功率、低飄移的 ＲEF3030 芯片產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。恒壓源電路如圖 2 所示。 在該系統(tǒng)中輸入電壓 U0 = 3 V，輸出電壓滿足 3 實驗驗證 3． 1 實驗步驟 1) 根據(jù)初始特征參數(shù)函數(shù)關(guān)系，確定在待測溫度區(qū)間［T1，T2］的邊界阻值 ＲT1和 ＲT2 ; 2) 根據(jù)電路優(yōu)化方程計算惠登通電橋分壓電阻值 Ｒ1和儀表差分放大電路反饋電阻值 ＲG 的優(yōu)化結(jié)果; 3) 利用精密加熱控制系統(tǒng)，使得精密溫度傳感器所測得的真實邊界溫度達(dá)到 T1 和 T2，并利用本文提出溫度檢測系統(tǒng)對加熱系統(tǒng)進(jìn)行測量得到 T'1和 T'2 ; 4) 判斷是否 T1 － ΔT ＜ T'1 ＜ T1 + ΔT 和 T2 － ΔT ＜ T'2 ＜T2 + ΔT 同時成立，其中 ΔT 為允許誤差，如果是，則結(jié)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(yīng)的鉑熱電阻阻值 Ｒd 和 Ｒu，并與邊界溫度 T1 和 T2 代入標(biāo)準(zhǔn)阻溫函數(shù)關(guān)系式中，修正得到特定溫度區(qū)間內(nèi)的特征參數(shù) A 和 B，并返回步驟( 1) ; 6) 利用端基線線性集合求得在待測溫度區(qū)間［T1，T2］內(nèi)線性優(yōu)化方程( 式( 9) ) 。 3． 2 實驗結(jié)果 為了驗 證 本 文 所 提 出 優(yōu) 化 方 法 的有效性，本 文 以STM32F103ZET6 (www.shhzy3.cn) 處理器［7］為核心設(shè)計了溫度檢測電路，并利用高精度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本文提出的溫度檢測系統(tǒng)進(jìn)行了溫度測量驗證，設(shè)定目標(biāo)溫度區(qū)間 390 ～ 410 ℃ 以驗證本測溫系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的實際使用情況。優(yōu)化結(jié)果如表 1 所示。 當(dāng)目標(biāo)溫度區(qū)間設(shè)定為 390 ～ 410 ℃時，因為高溫對測量系統(tǒng)的影響，直接測量會產(chǎn)生較大的誤差，需要對特征函數(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到如表 2 測量數(shù)據(jù) 4 結(jié) 論 通過實驗表明，本文所提出的溫度檢測系統(tǒng)即使在高溫測量區(qū)間內(nèi)，也可以有效的減少電路干擾信號對測量結(jié)果的影響，得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，測量誤差在 ± 0． 5 ℃內(nèi)，基本達(dá)到了設(shè)計要求。
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