李先清，張　波

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川　750021)

0　引言

供暖系統(tǒng)中進(jìn)水與回水的溫度差是熱計(jì)量系統(tǒng)重要的參數(shù)之一，溫度檢測(cè)的精度將直接影響整個(gè)熱計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量精度，因此在熱計(jì)量系統(tǒng)中對(duì)介質(zhì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量具有重要的意義。熱電阻是接觸式溫度測(cè)量中應(yīng)用比較普遍的測(cè)溫元件，它是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加的原理進(jìn)行溫度檢測(cè)的。鉑電阻具有電阻溫度系數(shù)分散性小，精度高等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在熱計(jì)量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)溫度檢測(cè)電路將鉑電阻兩端隨溫度變化的毫伏壓差信號(hào)經(jīng)放大后接入單片機(jī)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后得到進(jìn)水與回水管道內(nèi)的溫度值。

1　測(cè)量原理

按照鉑熱電阻的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Pt100鉑熱電阻在0～850℃范圍內(nèi)溫度-電阻關(guān)系為：

Rt=R0(1+At+Bt2)

式中：A=3.9083×10-3/℃，B=-5.775×10-7/℃[2]。

由于公式中存在非線性項(xiàng)Bt2，所以Rt函數(shù)的圖像應(yīng)該為一段開(kāi)口向下的拋物線。考慮到設(shè)計(jì)中熱計(jì)量系統(tǒng)所使用的環(huán)境溫度t∈[0，100]，從而得出Pt100在0～100℃范圍內(nèi)的溫度-電阻線性曲線如圖1所示，可以看出鉑熱電阻在0～100℃內(nèi)，函數(shù)Rt的圖像接近于一條直線。

經(jīng)理論計(jì)算，Pt100在0～100℃的最大非線性誤差為0.12%，非線性很小，所以在0～100℃范圍內(nèi)測(cè)溫時(shí)，可以按線性處理。通過(guò)計(jì)算擬合出Pt100在0～100℃的線性方程為：

Rt=R0(1+0.386t)

(1)

式中：Rt和R0分別為t和0℃時(shí)鉑熱電阻的阻值，Ω.

即在0～100℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，Pt100的電阻值增加0.386 Ω.

圖1　Pt100在0～100℃的溫度-電阻變化曲線

2　溫度檢測(cè)方案研究

文中設(shè)計(jì)了兩種不同形式的溫度檢測(cè)電路：一種是三線制橋式溫度檢測(cè)電路；另一種是恒流源式溫度檢測(cè)電路。

2．1三線制橋式溫度檢測(cè)電路

與兩線制電橋測(cè)溫電路相比較，三線制電橋測(cè)溫電路消除了內(nèi)引線電阻的影響，提高了測(cè)量精度[3]。

圖2中，熱電阻Rt通過(guò)兩條引線與電橋連接，由歐姆定律可得：

I1=U/(R+Rt+2r)

(2)

I2=U/(R+Rr)

(3)

Vo=I1(Rt+2r)-I2·Rr

(4)

式中：U為電源電壓，V；R為限流電阻，kΩ；I1、I2分別為兩電橋支路電流，mA；Rr為參考電阻；r為鉑電阻導(dǎo)線電阻，Ω；Vo為輸出電壓，mV．

由于導(dǎo)線電阻r遠(yuǎn)小于限流電阻R，因此可以認(rèn)為I1=I2。當(dāng)Rt=Rr時(shí)，由式(4)得出輸出電壓Vo=I1·2r，引起了橋路的不平衡，帶來(lái)了測(cè)量誤差。

圖2　二線制橋式電路

圖3中，熱電阻Rt通過(guò)三條引線與電橋連接，其中一條置于電源回路，導(dǎo)線電阻r上產(chǎn)生的微小壓降并不影響橋路的平衡，由歐姆定律得：

圖3　三線制橋式電路

I1=U/(R+Rt+r)

(5)

I2=U/(R+Rr+r)

(6)

Vo=I1/(Rt+r)-I2·(Rr+r)

(7)

當(dāng)Rt=Rr時(shí)，由式(7)可計(jì)算出輸出電壓Vo=0。電橋保持平衡，測(cè)量誤差小。根據(jù)此原理，文中設(shè)計(jì)了圖4所示的三線制橋式溫度檢測(cè)電路。圖中，R2、R3、R4和Pt100組成傳感器測(cè)量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，給TL431提供一個(gè)大于100 mA的電流，使其處于工作狀態(tài)，給電橋電路提供一個(gè)2.5 V的穩(wěn)定電壓，從電橋獲取的壓差信號(hào)通過(guò)放大后接入MSP430單片機(jī)。

文中放大電路采用集成運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高帶來(lái)的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大。當(dāng)溫度上升時(shí)，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓Uo對(duì)應(yīng)升高。

圖4　三線制橋式溫度檢測(cè)電路

2．2恒流源式溫度檢測(cè)電路

根據(jù)恒流源原理，當(dāng)在鉑電阻的兩端施加一個(gè)恒定的電流時(shí)，則鉑電阻兩端電壓的變化即可以反映鉑電阻所處環(huán)境溫度的變化。

由圖5可以看出，由于恒流源的作用，電壓輸出與鉑熱電阻的阻值成線性變化關(guān)系，其表達(dá)式為：

Vo=Is(Rt+2r)

(8)

圖5　恒流源式電路

根據(jù)上述原理，文中設(shè)計(jì)了如圖6所示的溫度檢測(cè)電路。

電路采用TL431和電位器RV1產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的參考電源，然后將基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為恒流源，恒流源的原理如圖7所示。根據(jù)虛地原理，理想運(yùn)放的“+”端和“-”端電位V+=V-=U.

假設(shè)放大器的輸出腳“1”的對(duì)地電壓為V0，根據(jù)虛斷概念可得[4]：

(0-V_)/R16+(V0-V_)/(Rt+2r)=0

(9)

因此Pt100兩端的壓降VPt100為：

VPt100=V0-V+=(Rt-2r)V_/R16

(10)

V_和R16的值均不變，等效于一個(gè)恒定的電流流過(guò)Pt100，電流的大小為I=U/R16，熱電阻上的壓降僅和自身變化的電阻值有關(guān)。Pt100兩端的電壓接入由LM324組成的高輸入阻抗高電壓跟隨器，降低了信號(hào)在傳輸過(guò)程中的非線性誤差。壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后再接入MSP430單片機(jī)。

文中設(shè)計(jì)之初首先采用Multisim軟件對(duì)恒流源發(fā)生電路進(jìn)行仿真[5]，但硬件電路在調(diào)試中得出的數(shù)據(jù)與Multisim仿真結(jié)果不一致，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的結(jié)果差異明顯，得不到可行的恒流源電路。經(jīng)過(guò)研究得出在Multisim軟件中，當(dāng)滿足放大器供電電壓時(shí)，放大器就工作在理想的線性范圍，放大器正向輸入與反向輸入的電壓V+=V-。但實(shí)際電路中，提供給放大器上的電源電壓較小時(shí)，放大器并不能工作在理想線性范圍。隨后文中使用PROTEUS軟件對(duì)恒流源發(fā)生電路進(jìn)行仿真[6]，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相同。調(diào)整電路后使放大器工作在線性范圍，使實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相符合。

圖6　恒流源式溫度檢測(cè)電路

圖7　恒流源發(fā)生電路

3　程序設(shè)計(jì)與軟件仿真

溫度檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖8所示[7]，進(jìn)、出水溫度由2支鉑熱電阻溫度傳感器來(lái)測(cè)量。外圍電路由信號(hào)采集放大電路、液晶顯示以及其控制單元、時(shí)鐘和復(fù)位電路以及JTAG程序調(diào)試及下載接口組成。智能MSP430單片機(jī)芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用來(lái)完成溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及與外部設(shè)備的通信等[8]。經(jīng)過(guò)放大壓差信號(hào)經(jīng)MSP430單片機(jī)的12位A/D轉(zhuǎn)換及運(yùn)算后，發(fā)送到LCD顯示[9]。通過(guò)按鍵控制，可以使液晶分別顯示出高溫區(qū)域溫度值、低溫區(qū)域溫度值以及高低溫度區(qū)域的溫度差值。

圖8　溫度檢測(cè)系統(tǒng)框圖

文中設(shè)計(jì)采用PROTEUS與IAR Embedded Workbench聯(lián)合仿真，在仿真成功的基礎(chǔ)之上再進(jìn)行硬件系統(tǒng)的搭建。PROTEUS是一種能夠仿真基于微控制器的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它可以很方便地與MSP430系列單片機(jī)的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)IAR相連接。程序編譯好之后，對(duì)PROTEUS內(nèi)的微控制器及其外圍電路進(jìn)行軟件仿真設(shè)計(jì)。溫度檢測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示。

圖9　溫度檢測(cè)系統(tǒng)的主程序流程圖

圖10所示的為IAR Embedded Workbench程序編輯界面。

在PROTEUS中設(shè)計(jì)需要仿真的電路，調(diào)用通過(guò)IAR生成的hex文件，對(duì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真。仿真過(guò)程使用電阻器來(lái)模擬鉑熱電阻，兩溫度檢測(cè)電路的輸出端接入單片機(jī)。

通過(guò)PROTEUS軟件和IAR聯(lián)合仿真，驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)方案的可行性，為搭建實(shí)際的溫度檢測(cè)系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。

圖10　IAR Embedded Workbench程序編輯界面

4　硬件電路

在理論研究與軟件仿真的基礎(chǔ)上，文中搭建了三線制橋式溫度檢測(cè)電路和恒流源式溫度檢測(cè)電路。

分別采用這兩種測(cè)溫電路進(jìn)行0～100℃范圍內(nèi)的水溫測(cè)量，并用精度為0.1℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行溫度標(biāo)定。

考慮到視頻中相鄰幀的重復(fù)率一般比較高，關(guān)鍵幀的提取可以減少幀數(shù)，進(jìn)而提升圖像特征點(diǎn)檢測(cè)和匹配效率，同時(shí)也為圖像拼接提供一個(gè)組織框架。針對(duì)這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，得到了研究者們的廣泛關(guān)注，并取得了一定研究成果。文獻(xiàn)[1]從相鄰幀間的顏色或紋理信息變化程度出發(fā)，提出了基于視頻內(nèi)容的方法。文獻(xiàn)[2]通過(guò)計(jì)算當(dāng)前幀與類心之間特征值的距離，將視頻中所有幀進(jìn)行聚類分析，得到基于視頻聚類的分析方法。文獻(xiàn)[3]提出基于運(yùn)動(dòng)特征分析的算法，其基本原理是利用光流分析，將視頻中運(yùn)動(dòng)量最小的一幀作為關(guān)鍵幀。

采用三線制橋式測(cè)溫電路以及恒流源式測(cè)溫電路進(jìn)行溫度檢測(cè)得到的溫度數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。通過(guò)對(duì)比溫度偏差，得出恒流源式溫度檢測(cè)電路的測(cè)量精度更高。由式(3)可以知，隨著鉑熱電阻阻值的變化，橋臂電流I2也相應(yīng)發(fā)生改變。因此在式(7)中存在著橋臂電阻r和電橋輸出電壓Vo之間的非線性問(wèn)題，導(dǎo)致三線制電橋式測(cè)溫電路產(chǎn)生了比較大的測(cè)量誤差[10]。有鑒于此，文中在實(shí)際的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，僅使用恒流源式溫度檢測(cè)電路來(lái)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。

表1　三線制橋式測(cè)溫電路測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)　℃

表2　恒流源式測(cè)溫電路測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)　℃

5　結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)熱計(jì)量系統(tǒng)高溫與低溫區(qū)域水溫的檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了其測(cè)溫性能的穩(wěn)定性。整個(gè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)也將為下一步超聲波熱計(jì)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建奠定了基礎(chǔ)。

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