高精度高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張修成，方挺，董沖，韓家明，徐亭

高精度高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張修成，方挺，董沖，韓家明，徐亭

（安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

為了滿足對(duì)高爐冷卻壁水溫的測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了一種高精度的高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)。溫度數(shù)據(jù)采集上，以鉑電阻PT1000作為溫度傳感器，采用四線制的接法消除導(dǎo)引線的影響，使用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX31865讀取初始溫度數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)的處理上，通過(guò)中位值平均濾波算法和卡爾曼濾波算法對(duì)初始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，對(duì)濾波后的溫度數(shù)據(jù)分段擬合，得到精確地溫度值。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在20～50℃范圍內(nèi)，測(cè)量精度能達(dá)到0.01℃，具有較好的工程使用價(jià)值。

高爐冷卻壁；水溫測(cè)量；PT1000；中位值平均濾波；卡爾曼濾波

高爐冷卻壁是安裝在高爐的爐身、爐腰、爐腹等的一種重要水冷件，有著冷卻高爐爐缸內(nèi)襯的作用[1-2]，通過(guò)對(duì)冷卻壁中水溫的測(cè)量可以判斷出高爐內(nèi)部是否發(fā)生異常。傳統(tǒng)的高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)存在測(cè)量精度低、電路設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高精度的高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32微控制器為主控核心，以PT1000鉑電阻作為溫度傳感器，具有精度高、性能穩(wěn)定、耐腐蝕、使用方便等的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高精度的高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)主要由MCU最小系統(tǒng)、溫度采集電路、恒壓源電路和人機(jī)交互電路這四個(gè)部分組成，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。其中，MCU最小系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控單元，用于統(tǒng)籌各個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作；溫度采集電路負(fù)責(zé)對(duì)溫度的讀?。缓銐涸措娐方o整個(gè)系統(tǒng)提供恒定的電壓源和對(duì)鋰電池的充放電管理；人機(jī)交互電路包括按鍵和顯示屏，主要負(fù)責(zé)儀表的操作和溫度值的顯示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2 溫度數(shù)據(jù)的采集

金屬熱電阻如鎳、銅和鉑電阻，其阻值隨著溫度的變化是正相關(guān)的，以鉑的物化性質(zhì)最穩(wěn)定，被廣泛的應(yīng)用[3]，本文使用的是高精度鉑電阻PT1000。影響水溫測(cè)量精度的因素有很多，其中最主要的因素是鉑電阻引線電阻，通常采用電阻補(bǔ)償?shù)亩嗑€制接法盡量減小誤差，常用的是四線制接法，如圖2所示。四線制接法也稱Kelvin法測(cè)電阻，用一對(duì)導(dǎo)引線接恒定電流源，另一對(duì)導(dǎo)引線上測(cè)量被測(cè)電阻的電壓降。為引線Rw1、Rw2、Rw3和Rw4的電阻，通過(guò)四線制接法在Rw2和Rw3上的壓降可以忽略，測(cè)量的電阻值也更接近實(shí)際值。

圖2 四線制接法圖

四線制接法測(cè)量精度高但需要提供穩(wěn)定的電流源，為降低測(cè)量電路的復(fù)雜性，選用了MAX31865作為鉑電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MAX31865是一款高精度的集成芯片，溫度分辨率為0.03125℃，支持四線傳感器連接，其電路連接圖如圖3所示。在測(cè)量鉑電阻阻值時(shí)需要接入?yún)⒖茧娮鑂EF，該電阻與串聯(lián)，偏置電壓作用在REF上端。參考電阻的電阻兩端的電壓為MAX31865基準(zhǔn)電壓，電壓連接至MAX31865差分輸入，則MAX31865產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出等于電阻與參考電阻REF的比值，其模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)化滿足如下公式為

圖3 MAX31865接線圖

式中，為需要測(cè)量的鉑電阻；code為MAX31865數(shù)據(jù)寄存器的15位ADC轉(zhuǎn)換值；REF為參考阻值。

3 溫度數(shù)據(jù)的處理

合理的溫度數(shù)據(jù)處理方法可以最大限度地提高系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)通過(guò)中位值平均濾波算法、卡爾曼濾波算法對(duì)初始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù)，再對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，得到最終的溫度值，其數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

3.1 中位值平均濾波

最大值和最小值是初始數(shù)據(jù)中的明顯干擾值，通過(guò)設(shè)置的“門(mén)檻”將其濾掉即除去，使其不參與累計(jì)求和，實(shí)際求得的平均值也更加準(zhǔn)確[6]。

3.2 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波是一種基于均方差誤差準(zhǔn)則對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量進(jìn)行預(yù)測(cè)的遞歸式算法[7]。本文所設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)使用卡爾曼濾波算法對(duì)溫度測(cè)量值進(jìn)行濾波處理。在一定條件下，溫度變化是一個(gè)離散性系統(tǒng)，通過(guò)狀態(tài)更新和測(cè)量更新，使濾波收斂，預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)值[8]，其系統(tǒng)模型可用一個(gè)線性隨機(jī)微分方程表示：

測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量值：

（1）預(yù)測(cè)系統(tǒng)的下一個(gè)狀態(tài)：

靜態(tài)濾波效果如圖5所示，濾波前整個(gè)系統(tǒng)的誤差較大，誤差在0.01～0.04℃之間，最大誤差達(dá)到了0.07℃。經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后，系統(tǒng)精度有明顯的提升，系統(tǒng)誤差在0.01℃左右，達(dá)到預(yù)期靜態(tài)濾波效果。動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果如圖6所示，在測(cè)量值趨于穩(wěn)定時(shí)，卡爾曼濾波值也將趨于穩(wěn)定，以20ms為一個(gè)采樣周期，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在10s左右，達(dá)到預(yù)期動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，滿足對(duì)高爐冷卻壁水溫測(cè)量的要求。

圖5 Kalman靜態(tài)濾波效果圖

圖6 Kalman動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果圖

3.3 溫度值的分段擬合

表1 溫度分段擬合表

4 測(cè)驗(yàn)與系統(tǒng)精度分析

測(cè)溫系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)選用上海正陽(yáng)儀表廠的恒溫箱模擬0.01℃的溫度變化，用來(lái)檢測(cè)搭建的水溫檢測(cè)系統(tǒng)在20℃到50℃內(nèi)溫度檢測(cè)的環(huán)境。在相同的條件下，設(shè)置一個(gè)不做中位值平均濾波、卡爾曼濾波和溫度分段擬合處理的對(duì)照組，用來(lái)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的精度。隨機(jī)采集10次數(shù)據(jù)，與參考溫度作比較，計(jì)算出兩組的溫度差，其結(jié)果如表2和表3所示。

表2 對(duì)照組測(cè)量結(jié)果

表3 實(shí)驗(yàn)組測(cè)量結(jié)果

通過(guò)分析表2的數(shù)據(jù)可以看出，直接采集的數(shù)據(jù)不做數(shù)據(jù)處理，誤差較大，最大的溫度誤差達(dá)到了0.04℃，符合MAX31865的0.03125℃溫度分辨率。表3的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)中位值平均濾波、卡爾曼濾波和溫度的分段擬合這三步的數(shù)據(jù)處理，在20℃到50℃的范圍內(nèi)，在0.01℃的誤差，但隨著恒溫箱的溫度上升，誤差并沒(méi)有增大，符合預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高爐冷卻壁水溫的測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了一種高精度的高爐冷卻壁水溫測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)鉑電阻測(cè)溫誤差來(lái)源分析，在溫度數(shù)據(jù)的采集和處理兩個(gè)方面提出了優(yōu)化方案，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的整體誤差得到有效控制，測(cè)量誤差為0.01℃，滿足對(duì)高爐冷卻壁水溫測(cè)量的要求。該系統(tǒng)測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅適用于冷卻壁水溫檢測(cè)，也適用于其他水溫測(cè)量系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of high precision blast furnace cooling wall water temperature measurement system

ZHANG Xiu-cheng，F(xiàn)ANG Ting，DONG Chong，HAN Jia-ming，XU Ting

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002, China)

In order to meet the requirement of temperature measurement of blast furnace cooling wall, a high precision temperature measurement system of blast furnace cooling wall is designed. For temperature data acquisition, platinum resistance PT1000 is used as the temperature sensor, its resistance is compensated by four-wire connection method, and the high-precision analog to digital conversion chip MAX3186 is used to read the initial temperature data. In the process of temperature data, the initial temperature data is filtered by median average filtering algorithm and Kalman filtering algorithm, and the filtered temperature data is piecewise fitted to get accurate temperature value. The test results show that the measurement accuracy of the system can reach 0.01℃ in the range of 20～50℃, which has good engineering application value.

blast furnace cooling wall；water temperature measurement；PT1000；median filtering；Kalman filter

2021-09-14

安徽工業(yè)大學(xué)校青年基金“基于人工智能的艦船目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究”（QZ202109）；安徽工業(yè)大學(xué)校青年基金“電力設(shè)備外觀缺陷的數(shù)據(jù)合成與圖像檢測(cè)方法研究”（QZ202109）

張修成（1997-），男，安徽六安人，碩士，主要從事工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究，zhangxiucheng1997@163.com。

TF573.1;TH811

A

1007-984X(2022)03-0007-04