基于溫度傳感器Pt1000的瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)

孫曉丹 林 勇 溫陽(yáng)東 汪 昕

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

基于溫度傳感器Pt1000的瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)

孫曉丹 林 勇 溫陽(yáng)東 汪 昕

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009)

針對(duì)瓶膽傳統(tǒng)測(cè)溫操作復(fù)雜且精度較低的問(wèn)題，提出了一種新的測(cè)溫方法，即根據(jù)溫度系統(tǒng)的特性建立溫度系統(tǒng)的電模型。該算法對(duì)剛成形的瓶膽進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，判定其保溫性能是否合格，并把結(jié)果通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)給上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠的生產(chǎn)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該算法易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算時(shí)間較短，且測(cè)量誤差較低，取得了較好的測(cè)溫效果。

測(cè)溫系統(tǒng) 瓶膽 鉑電阻 電模型 MSP430

檢測(cè)保溫瓶膽質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，國(guó)內(nèi)一般采用傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，即將瓶膽抽真空后通入飽和蒸汽，蓋上瓶塞，經(jīng)20min后插入水銀溫度計(jì)測(cè)溫。這種傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，不僅需要投入大量的人力，而且要進(jìn)行蒸汽再次升溫，勞動(dòng)強(qiáng)度大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，瓶膽溫度的檢測(cè)正確率也比較低。筆者就瓶膽溫度檢測(cè)提出了一種新的檢測(cè)方法，即根據(jù)溫度系統(tǒng)的特性建立溫度系統(tǒng)電模型，通過(guò)分析其散熱特性來(lái)判別瓶膽保溫性能，并利用MSP430單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。

鉑電阻傳感器是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性制成的溫度傳感器。因具有精度高、線性度好及響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，鉑電阻傳感器成為工業(yè)精密測(cè)量系統(tǒng)中廣泛使用的理想測(cè)溫元件[1，2]，因此筆者將選用鉑電阻作為測(cè)溫元件。然而如何準(zhǔn)確測(cè)量出鉑電阻的值是溫度測(cè)量的關(guān)鍵。

鉑電阻的特性是：

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]，-200

(1)

Rt=R0(1+At+Bt2) ，0≤t<850℃

(2)

式中R0——在0℃時(shí)的電阻值；

Rt——在t℃時(shí)的電阻值。

在鉑電阻高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)中，引線電阻一定不能忽略。常規(guī)的二線制、三線制鉑電阻測(cè)溫方法忽略了其引線電阻或者近似引線電阻值相等。這兩種方法的測(cè)量值和真實(shí)值存在一定的偏差[3]。為消除鉑電阻引線電阻對(duì)測(cè)量精度造成的影響，Pt1000采用四線制接法，四線制接口電路如圖1所示。R1、R2所在的兩條引線為恒流源動(dòng)力引線，將鉑電阻傳感器連接到恒流源；R3、R4所在的兩條電壓驅(qū)動(dòng)引線將鉑電阻的電壓信號(hào)連接到儀用放大電路。

圖1 鉑電阻四線制接口電路

2 瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)的基本組成

對(duì)于便攜式設(shè)備，在保證測(cè)量精度的同時(shí)應(yīng)盡量降低系統(tǒng)功耗。本方案采用電池供電，利用熱電阻Pt1000作為溫度傳感器，利用16位MSP430系列低功耗單片機(jī)作為控制器，LED指示產(chǎn)品合格與否。為了降低系統(tǒng)功耗，采用間斷式工作方式，通過(guò)定時(shí)器控制單片機(jī)工作與否[4]。當(dāng)未達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)，單片機(jī)不工作，進(jìn)入低功耗模式，并切斷測(cè)溫電路的電源供電；當(dāng)定時(shí)時(shí)間來(lái)臨時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入正常工作模式，并接通電源與測(cè)溫電路，進(jìn)行溫度檢測(cè)。

瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)先對(duì)測(cè)溫電路產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理[5,6]，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以判斷產(chǎn)品的保溫性能是否合格，并通過(guò)LED燈進(jìn)行指示。

圖2 瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 瓶膽溫度檢測(cè)判別算法

瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)中對(duì)于瓶膽性能的判別依據(jù)是瓶膽的溫度特性[7]，即瓶膽溫度隨時(shí)間變化曲線的特性，有兩種方法測(cè)量溫度特性參數(shù)——曲線擬合和溫度系統(tǒng)電模型。

3.1曲線擬合判別算法

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度采集測(cè)試，對(duì)加熱抽真空后的瓶膽進(jìn)行上百次測(cè)試采樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，繪出了部分瓶膽加塞后的降溫曲線[8]，對(duì)被測(cè)瓶膽的降溫曲線進(jìn)行分類，并將定時(shí)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)描繪，從中找出一定的規(guī)律，本系統(tǒng)采用y=a·ebx指數(shù)曲線擬合。

使用50個(gè)已編號(hào)的溫度計(jì)對(duì)已編號(hào)的已知不保溫的樣品瓶膽進(jìn)行溫度測(cè)量。將已知不保溫的樣品瓶膽重新加熱后取下單獨(dú)存放，用裝有溫度計(jì)的軟木塞堵住瓶口，觀察溫度，待溫度不再上升時(shí)，記錄讀數(shù)，以后每隔1min記錄一次數(shù)據(jù)。所選取的其中兩條曲線如圖3、4所示。

對(duì)50個(gè)次品擬合數(shù)據(jù)狀況進(jìn)行分析，不合格品的指數(shù)絕對(duì)值絕大部分在0.01之上。再分別對(duì)50個(gè)合格品進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，同樣抽取兩個(gè)樣本曲線，如圖5、6所示。

對(duì)50個(gè)合格品擬合數(shù)據(jù)狀況進(jìn)行分析，合格品的指數(shù)絕對(duì)值絕大部分在0.01之下。

合格瓶膽和非合格瓶膽擬合曲線的指數(shù)系數(shù)不同，合格瓶膽的指數(shù)系數(shù)絕對(duì)值小于0.01，非合格瓶膽的大于0.01，因此指數(shù)系數(shù)0.01可以作為判別是否為合格品的依據(jù)。但是這種方法在軟件實(shí)現(xiàn)方面比較麻煩，而且需要單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)。

3.2電模型判別算法

3.2.1電模型的建立

根據(jù)溫度系統(tǒng)特性建立的電模型如圖7所示。電流I對(duì)應(yīng)熱傳導(dǎo)功率，電容C對(duì)應(yīng)系統(tǒng)熱容量C，R對(duì)應(yīng)散熱的熱阻R，e-τs對(duì)應(yīng)控制的延時(shí)環(huán)節(jié)，V0對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度；V為電容電壓，對(duì)應(yīng)實(shí)際溫度。V和V0可通過(guò)傳感器測(cè)得。

圖3 次品擬合曲線1

圖4 次品擬合曲線2

圖5 合格品擬合曲線1

圖6 合格品擬合曲線2

圖7 瓶膽測(cè)溫系統(tǒng)電模型

對(duì)該系統(tǒng)而言，當(dāng)自然降溫時(shí)，I=0。由圖7可得：

(3)

令采樣周期為T，且環(huán)境溫度不變(V0是常量)，延遲時(shí)間τ=dT，其中d為常數(shù)。對(duì)式(3)進(jìn)行離散化可得：

(4)

令k=1,2,…，N，則可得：

(5)

?

N個(gè)式子相加，可得：

(6)

又由自然降溫，令I(lǐng)=0，得：

(7)

將式(7)中的兩式相減可得：

(8)

進(jìn)而可得：

(9)

式(9)的計(jì)算結(jié)果即水瓶固有的散熱特性。

3.2.2數(shù)據(jù)處理

Pt1000阻值和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Rt=R0(1+At-Bt2)

(10)

其中R0=1kΩ,A=3.9083×10-3,B=5.775×10-7?？梢?jiàn)需要用到浮點(diǎn)數(shù)，由于MSP430F2012不帶硬件乘法器且處理能力有限，故把所有數(shù)據(jù)通過(guò)特殊處理轉(zhuǎn)換成整型數(shù)據(jù)，并利用二分法根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果得到溫度值，有效減少運(yùn)算的時(shí)間。令T=100t，即保留溫度的兩位小數(shù)，式(10)兩邊都乘以655360000，得：

Rt×65536×10000=R0(655360000+65536×100×AT-

(11)

(12)

其中，A′=6553600A≈25613;B′=65536×65536B≈2480。設(shè)A/D的采樣值為ad，則式(12)可轉(zhuǎn)換為：

(13)

其中，Vm為單片機(jī)選取的內(nèi)部參考電壓，值為1.5V；Ih為通過(guò)Pt1000的恒流源電流值。程序通過(guò)式(13)來(lái)計(jì)算溫度。

3.2.3采樣與結(jié)果分析

使用已編號(hào)的溫度計(jì)對(duì)已編號(hào)的樣品瓶膽進(jìn)行溫度測(cè)量。用裝有溫度計(jì)的軟木塞堵住瓶口，觀察溫度，待溫度不再上升時(shí)，記錄讀數(shù)，以后每隔1min記錄一次數(shù)據(jù)。分別測(cè)量好瓶子和壞瓶子各50個(gè)，測(cè)量并記錄每個(gè)瓶子的特性即1/RC，如圖8所示。

圖8 散熱系數(shù)分布

由測(cè)量結(jié)果可知，散熱系數(shù)1/RC=400可作為判定瓶膽是否合格的臨界值，即散熱系數(shù)低于400的為合格瓶膽，高于400的為不合格瓶膽。

結(jié)果表明，運(yùn)用電模型判別方法進(jìn)行瓶膽質(zhì)量檢查，不僅節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也降低了運(yùn)算難度，精度也較傳統(tǒng)的測(cè)溫方法有所提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)瓶膽質(zhì)量傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足，提出測(cè)溫系統(tǒng)電模型的檢測(cè)方法，利用MSP430單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠很好地判斷瓶膽的質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期效果，系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定。

[1] 劉少?gòu)?qiáng),張靖,莊哲民.三線制鉑電阻高精度測(cè)溫方法[J].自動(dòng)化儀表,2002，23(11):11～14.

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DesignofTemperatureMeasuringSystemforGlassLinersBasedonPt1000TemperatureSensor

SUN Xiao-dan,LIN Yong, WEN Yang-dong, WANG Xin

(SchoolofElectricEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Considering both complexity and poor accuracy of traditional temperature measuring methods for glass liners,a new measurement method was proposed, namely having the character of temperature system based to establish the electricity model. This method can monitor the temperature of formed glass liners at real time, collect and calculate their data to determine their thermal insulating property’s conformity to the standard; and then it sends the results to host computer via wireless transmission so as monitor the production. Experimental results show that this method is easy to achieve together with shorter computation time and lower measurement error as well as better measurement effect.

temperature measuring system, glass liner, Pt1000, electric model, MSP430

TH865

A

1000-3932(2016)06-0642-04

2016-05-07(修改稿)