用于滾筒流道溫度測(cè)量的熱敏電阻的實(shí)驗(yàn)研究

楊建紅， 房懷英， 蔣少茵

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門 361021）

用于滾筒流道溫度測(cè)量的熱敏電阻的實(shí)驗(yàn)研究

楊建紅， 房懷英， 蔣少茵

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門 361021）

滾筒流道溫度的準(zhǔn)確計(jì)量是瀝青拌和站自動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)，以熱敏電阻為檢測(cè)元件，基于嵌入式控制核心開發(fā)了滾筒流道溫度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。構(gòu)建了熱敏電阻非線性溫度補(bǔ)償模型，基于粒子群算法對(duì)熱敏電阻的溫度特性進(jìn)行了非線性補(bǔ)償，消除了測(cè)量溫度的非線性誤差。分別針對(duì)紅外、熱電阻和熱敏電阻對(duì)滾筒流道溫度進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)能減小粉塵和熱慣性的影響，滿足滾筒流道溫度實(shí)時(shí)智能控制的需求，提高瀝青拌和料的性能。

計(jì)量學(xué)；流道溫度；熱敏電阻；熱電阻；紅外測(cè)溫儀；熱慣性

1 引 言

大型瀝青攪拌站的主要生產(chǎn)工藝為：骨料倉(cāng)的沙子和石子通過皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到干燥滾筒中，干燥滾筒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)混合料，通過另一端的燃燒器對(duì)混合料進(jìn)行加熱和干燥，干燥后的粉塵通過除塵袋回收，加熱干燥后的混合料由提升機(jī)進(jìn)入攪拌主機(jī)同改性瀝青混合攪拌。由于各種等級(jí)公路的施工工藝和施工環(huán)境變化對(duì)滾筒流道混合料溫度有嚴(yán)格地要求，一般要求混合料出料溫度為170～180℃之間。如果流道中混合料溫度過低或過高，則自動(dòng)調(diào)整燃燒器油門和出風(fēng)口風(fēng)速，從而自適應(yīng)補(bǔ)償流道混合料溫度。

滾筒流道溫度測(cè)量常用的方法有熱電偶、熱電阻及紅外測(cè)溫?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，熱電偶和熱電阻測(cè)量滾筒流道混合料溫度受到干擾因素較小，但因?yàn)榛旌狭蠈?duì)測(cè)溫頭磨損較大，所以在實(shí)際測(cè)量時(shí)，熱電偶和熱電阻需要加裝耐磨鎧裝材料，同時(shí)熱電阻和熱電偶的熱慣性較強(qiáng)，當(dāng)混合料溫度發(fā)生較大變化時(shí)，兩者溫度測(cè)量滯后時(shí)間可以達(dá)80～120 s，溫度測(cè)量滯后時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致燃燒器難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。當(dāng)混合料溫度從下降到上升時(shí)，熱電阻的測(cè)量溫度仍然繼續(xù)下降，燃燒器繼續(xù)加大燃燒量，從而導(dǎo)致混合料溫度過高。紅外線測(cè)量溫度具有較好的實(shí)時(shí)性，但流道在干燥的過程中，浮起大量的粉塵，粉塵里含有油污，含有油污的粉塵較易粘結(jié)在紅外測(cè)溫儀的鏡頭上，造成測(cè)量誤差較大，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的情況下，油污容易腐蝕鏡頭，從而損害紅外測(cè)溫儀。紅外線穿透粉塵的能力是有限的，即使紅外鏡頭沒有粉塵粘結(jié)，紅外線射到粉塵上，測(cè)量的也是粉塵的溫度，從而影響測(cè)量精度。進(jìn)口設(shè)備中在紅外測(cè)溫儀中加氣體除塵裝置，但除塵氣體在潮濕的環(huán)境下容易凝結(jié)在鏡頭上。因此，紅外測(cè)溫儀無(wú)法較好地測(cè)量滾筒流道混合料的溫度。

熱敏電阻具有體積小、熱慣性小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)［1～3］。通過自行研制耐磨測(cè)量頭，嵌入熱敏電阻，對(duì)滾筒流道混合料溫度進(jìn)行測(cè)量，可較好地解決測(cè)量過程中的粉塵干擾和熱慣性問題，從而實(shí)現(xiàn)流道混合料溫度的快速準(zhǔn)確測(cè)量。

2 基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)

采用深圳敏杰電子的AMJ967負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，該熱敏電阻主要特性：溫度靈敏度系數(shù)B＝3 899，在常溫25℃時(shí)阻值為200 kΩ，阻值較大可以減小導(dǎo)線等內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，溫度測(cè)量范圍－50～280℃。以導(dǎo)熱性較好的耐磨金屬為測(cè)量探頭，在金屬測(cè)量探頭的一端埋入熱敏電阻，熱敏電阻和金屬探頭的粘結(jié)方式是非常重要的，熱敏電阻和金屬頭之間要充分接觸，而且要有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。由深圳敏杰電子自行研制的導(dǎo)熱膠能較好滿足使用要求。和滾筒聯(lián)接固定部分采用工程塑料，可以避免溫度測(cè)量頭和外界空氣之間熱傳導(dǎo)，從而保證滾筒流道溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要由溫度測(cè)量頭、測(cè)量電橋、信號(hào)放大濾波和嵌入式微處理系統(tǒng)組成。測(cè)量系統(tǒng)見圖1。圖中測(cè)量系統(tǒng)采用ARM11內(nèi)核的Ok6410開發(fā)板，基于Windows CE操作系統(tǒng)開發(fā)的。

圖1 溫度測(cè)量系統(tǒng)

3 測(cè)量系統(tǒng)大量程溫度補(bǔ)償計(jì)算

3.1 溫度非線性誤差分析

由于熱敏電阻的溫度特性具有較強(qiáng)的非線性，因此，在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償［4，5］。NTC熱敏電阻的非線性經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，B為表征熱敏電阻對(duì)溫度的靈敏度，通常用零功率電阻對(duì)時(shí)間的變化來(lái)表示［6，7］，其計(jì)算式為

在AMJ967熱敏電阻的B值計(jì)算中，RT0＝200 kΩ，這個(gè)電阻所對(duì)應(yīng)的溫度T0＝298.12 K。由式（2）可知，B值不是一個(gè)常數(shù)，不同電阻值所對(duì)應(yīng)的B值是不同的，如果按照B為常數(shù)通過式（1）計(jì)算溫度將造成較大的測(cè)量誤差。B值隨熱敏電阻阻值變化見圖2。由圖2可知隨著熱敏電阻阻值的變化，B常數(shù)最大相差可達(dá)224.7左右，這將對(duì)溫度的測(cè)量結(jié)果影響較大。為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，需要得到B值和熱敏電阻阻值之間的最優(yōu)解析式，將解析式代入溫度計(jì)算公式，從而對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算［8］。

圖2B常數(shù)-電阻變化曲線

3.2 基于粒子群算法的非線性擬合溫度補(bǔ)償計(jì)算

粒子群優(yōu)化（Partical Swarm Optimization，PSO）算法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的進(jìn)化算法，其最早是由Kennedy等學(xué)者提出的。PSO算法屬于進(jìn)化算法的一種，它和遺傳算法相似，也是從隨機(jī)解出發(fā)，迭代尋找最優(yōu)解，通過適應(yīng)度來(lái)評(píng)價(jià)解的品質(zhì)，但它比遺傳算法規(guī)則更為簡(jiǎn)單［9］。PSO算法初始化為一組隨機(jī)粒子，然后通過迭代尋找最優(yōu)解。

粒子追隨兩個(gè)當(dāng)前最優(yōu)值來(lái)更新自己，一個(gè)是個(gè)體極值pi；另一個(gè)是全局極值pg；粒子按照式（2）和式（3）更新自己［10］。

式中，Vi為當(dāng)前代的粒子移動(dòng)速度；Vi－1為前一代的粒子移動(dòng)速度；r1、r2為隨機(jī)數(shù)，范圍0～1；c1、c2為學(xué)習(xí)因子，一般取c1＝c2＝2；Si為當(dāng)前粒子位置；Si－1為前一代粒子位置；其中第i個(gè)粒子表示為1個(gè)D維的向量xi＝（xi1，xi2，…，xiD），i＝1，2，…，m。ω為慣性權(quán)重，ω較大算法具有較強(qiáng)的全局搜索能力，ω較小則算法傾向于局部搜索，因此，一般將ω初始值設(shè)為0.9。

由AMJ967熱敏電阻特性可知，阻值和對(duì)應(yīng)的B值數(shù)值較大，直接擬合誤差較大，因此分別取阻值和B值的對(duì)數(shù)作為變量進(jìn)行擬合，擬合階數(shù)為4階，從而可得到B值和阻值之間的解析關(guān)系式為

式中，a1、a2、a3、a4、a5為待求系數(shù)。將B值代入式（1）即可得到熱敏電阻溫度補(bǔ)償計(jì)算的粒子群擬合模型為

式中，n＝281為熱敏電阻溫度分度數(shù)，每隔1℃分度，溫度測(cè)量范圍0～280℃；RT為不同溫度下熱敏電阻值；TR為阻值為RT所對(duì)應(yīng)的理想溫度。由式（3）、（4）對(duì)式（6）的補(bǔ)償計(jì)算模型進(jìn)行迭代計(jì)算，向量［a1，a2，a3，a4，a5］的初始值由最小二乘擬合算法得到。通過粒子群算法非線性擬合后得到向量［－0.000015，0.0007，－0.0113，0.0727，8.1384］，代入式（5）可得B值和熱敏電阻的解析表達(dá)式。擬合的解析表達(dá)式B值計(jì)算誤差見圖3，由圖可知通過粒子群算法擬合的B值解析式能滿足熱敏電阻溫度補(bǔ)償計(jì)算的精度要求。

圖3B值擬合誤差

將上述擬合得到的B值計(jì)算式代入式（1），得到每個(gè)分度阻值對(duì)應(yīng)的溫度，為了B值補(bǔ)償后的溫度計(jì)算精度，B值補(bǔ)償前后由式（1）計(jì)算得到的溫度和對(duì)應(yīng)的理論溫度差見圖4。由圖4可知，B值補(bǔ)償后熱敏電阻的計(jì)算溫度誤差非常小，基本接近理想溫度值。B值補(bǔ)償前的計(jì)算溫度誤差較大，在0～100℃范圍內(nèi)溫度誤差較小，但當(dāng)測(cè)量范圍到100～280℃溫度計(jì)算誤差可達(dá)到18℃，根本無(wú)法滿足測(cè)量要求。

圖4B值補(bǔ)償前后溫度計(jì)算誤差

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)所開發(fā)的熱敏電阻滾筒流道溫度測(cè)量系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并與紅外、熱電阻測(cè)量性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中紅外測(cè)溫儀采用美國(guó)雷泰的TX系列，自帶空氣清掃器，測(cè)量范圍為－18～2000℃。熱電阻采用帶鎧裝的PT100鉑電阻，測(cè)量范圍：－200～600℃。測(cè)量對(duì)象為L(zhǎng)P4000型瀝青攪拌站，將帶鎧裝的熱敏電阻測(cè)量探頭、熱電阻、紅外測(cè)溫儀同時(shí)安裝于滾筒流道底部，為避免骨料劃傷紅外測(cè)溫鏡頭，紅外測(cè)量只能裝在貼近底部的側(cè)壁上。當(dāng)滾筒內(nèi)骨料溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，開始同時(shí)記錄3種測(cè)溫系統(tǒng)讀數(shù)，記錄時(shí)間間隔為30 s，測(cè)量結(jié)果見圖5。由圖5可知，3種測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量溫度的波動(dòng)基本一致，紅外測(cè)溫儀測(cè)量的是實(shí)時(shí)溫度，反應(yīng)最快，但比接觸式測(cè)量溫度要低，測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)，滾筒流道粉塵濃度非常大，導(dǎo)致紅外線直接入射到粉塵上，粉塵的溫度比實(shí)際熱骨料的溫度要低。熱敏電阻比紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度滯后的時(shí)間Δt1＝30 s，而熱電阻比熱敏電阻測(cè)量溫度滯后時(shí)間為Δt＝120 s，這個(gè)滯后時(shí)間較大，導(dǎo)致燃燒器始終無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的燃燒效果，尤其是溫度波動(dòng)較大時(shí)影響更大。

圖5 實(shí)際測(cè)量溫度對(duì)比

圖6 實(shí)際測(cè)量溫度差

對(duì)于燃燒器的智能控制，溫度測(cè)量系統(tǒng)的熱慣性將引起較大的測(cè)量誤差。3種測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫度測(cè)量誤差見圖6。紅外測(cè)溫儀和熱敏電阻之間的熱慣性較小，其測(cè)量誤差主要來(lái)自于粉塵的影響。熱敏電阻和熱電阻均為直接接觸式測(cè)量，受粉塵影響較小，其測(cè)量實(shí)時(shí)性誤差主要為熱慣性引起的。減小測(cè)溫系統(tǒng)的熱慣性是智能燃燒器優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)，基于非線性擬合算法的熱敏電阻溫度測(cè)量系統(tǒng)能滿足干燥滾筒流道溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。但熱敏電阻測(cè)量探頭的使用壽命需要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)做進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

以熱敏電阻為測(cè)量敏感元件，開發(fā)了干燥滾筒流道的溫度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）基于粒子群非線性擬合算法得到B值數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了熱敏電阻非線性溫度補(bǔ)償。

（2）通過對(duì)比實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，紅外測(cè)溫儀測(cè)量流道溫度容易受到粉塵影響；熱電阻的熱慣性較大，測(cè)量溫度的實(shí)時(shí)性誤差較大；熱敏電阻的熱慣性小，測(cè)量溫度實(shí)時(shí)性能滿足燃燒器智能控制要求。

（3）基于熱敏電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)能克服熱慣性和粉塵帶來(lái)的測(cè)量誤差，保證骨料出料溫度的穩(wěn)定性。

［1］ 周以琳，李金亮，楊勇，等.NTC熱敏電阻R-T特性的高精度補(bǔ)償［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，31（1）：80－82.

［2］ 靳辰，康志茹，李小亭，等.關(guān)于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R-T特性的探討［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36（12）：50－51.

［3］ 高金輝，陳玉珠，汪曉晨.基于LS-SVM的熱敏電阻測(cè)溫系統(tǒng)非線性校正［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（11）：21－24.

［4］ 陳輝，陶中辛，楊小川.半導(dǎo)體熱敏電阻在溫度控制中的應(yīng)用［J］.甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，25（1）：48－51.

［5］ 邱曉波，單東升，杜峰.熱敏電阻溫度測(cè)量的對(duì)數(shù)優(yōu)化曲線擬合法［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008，21（6）：91－93.

［6］ 俞阿龍.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱敏電阻溫度傳感器非線性補(bǔ)償方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（5）：899－902.

［7］ 范寒柏，謝漢華.基于NTC熱敏電阻的三種高精度測(cè)溫系統(tǒng)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（11）：1576－1579.

［8］ 劉二林，姜香菊.基于熱敏電阻的新型溫度檢測(cè)裝置研究與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010，12（2）：84－86.

［9］ 楊建紅，房懷英.粒子群算法在渦旋體原型測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.計(jì)量技術(shù)，2009，（12）：12－15.

［10］ 楊建紅，房懷英.基于混合粒子群算法的渦旋體快速測(cè)量［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2010，31（3）：208－213.

Experimental Research on the Therm istor for
Tem perature Measurement for Drying Drum Channel

YANG Jian-hong， FANG Huai-ying， JIANG Shao-yin
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，F(xiàn)ujian 361021，China）

The accurate temperaturemeasurementof drying drum channel for asphaltmixing plant is a key technology of automation control.A novel on-line temperaturemeasuring system of flow channelwas developed based on thermistor and control centre of embedded system.The nonlinear compensationmodule of temperature had been established.The nonlinear relationships between resistance and temperature was compensated based on particle swarm optimize algorithm.Some comparison of thermistor，thermal resistance and infrared radiation had been finished.The application experiments proved that influence on thermal inertia and dusts can be decreased obviously by temperaturemeasuring system of thermistor.The temperaturemeasurement of thermistor can meet the intelligent control requirement of the flow channel.The mixing performance of asphaltmix plantwas improved.

Metrology；Temperature of flow channel；Thermistor；Thermal resistance；Infrared radiation thermometers；Thermal inertia

TB942

A

1000-1158（2014）02-0125-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．06

2011-09-02；

2013-09-01

華僑大學(xué)國(guó)家自然科學(xué)基金培育計(jì)劃資助項(xiàng)目（JB-ZR1102）；福建省產(chǎn)學(xué)合作重大項(xiàng)目（2012H6014）

楊建紅（1974－），安徽霍邱人，華僑大學(xué)副教授，博士后，主要從事傳感技術(shù)研究。yjhong＠hqu.edu.cn