高爐冷卻水溫差高精度檢測系統的研究與應用

賈 佳楊 進方 挺

（1安徽工業大學電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243000）

（2馬鋼第三煉鐵總廠設備保障部，安徽 馬鞍山 243000）

高爐冷卻水溫差高精度檢測系統的研究與應用

賈 佳1楊 進2方 挺1

（1安徽工業大學電氣信息學院，安徽 馬鞍山 243000）

（2馬鋼第三煉鐵總廠設備保障部，安徽 馬鞍山 243000）

針對國內高爐冷卻水溫差檢測系統測溫精度不高的弊端，設計并開發了高爐冷卻水溫差高精度檢測系統。檢測系統由測溫節點、溫度采集終端與上位機構成，之間通訊采用RS-485，基于三線制Pt1000設計了比率電橋溫度補償電路，并結合A/D轉換器AD7799，構成信號處理電路，提高了水溫采集精度。

高爐冷卻水；Pt1000；高精度

1 引言

高爐長壽化是當今世界高爐煉鐵技術的主要發展趨勢，也是高爐生產降低成本，提高生產率的關鍵，高爐冷卻系統水溫差的測量可以監測高爐冷卻壁的熱交換過程和判斷高爐爐體侵蝕情況，對保證高爐安全生產、延長高爐壽命有著重要的指導意義，并為熱流強度和智能決策的研究創造了條件［1-2］。為了更好的指導高爐生產，對高爐冷卻水溫檢測的精度提出了較高的要求。

目前國內的水溫差檢測系統絕大多數采用數字式溫度傳感器DS18B20，精度只有±0.5℃，無法滿足高爐冷卻水溫檢測的要求［3-4］。部分先進的水溫差檢測系統采用鉑熱電阻Pt1000作為溫度傳感器，其溫度信號采集電路采用恒流源供電［5］，然而恒流源易收到環境干擾，勢必會影響高爐冷卻水溫采集精度。本文針對上述問題，設計了高爐冷卻水溫差高精度檢測系統。

2 高爐冷卻水溫差高精度檢測系統

高爐冷卻水溫差高精度檢測系統由上位機、溫度采集終端、測溫節點構成。上位機位于高爐控制室，由組態軟件編寫，負責監控高爐冷卻水溫差及測溫節點狀態等信息；溫度采集終端位于高爐生產現場，通過RS-485與上位機進行通訊，對若干個測溫節點數據進行匯聚并集中發送；測溫節點采集冷卻水溫數據，并利用RS-485將水溫數據上傳至溫度數據終端。測溫節點的數量和位置由現場情況確定，并就近接入溫度數據終端。檢測系統如圖1所示。

圖1 檢測系統結構圖

3 測溫節點

測溫節點采用Freescale 8位單片機MC9S08AW60為主控芯片，并包括Pt1000溫度傳感器、溫度信號處理電路、電源模塊，采用三線制Pt1000作為溫度傳感器檢測高爐冷卻壁進水、排水溫度，由AD7799與比率電橋溫度補償電路構成的信號處理電路采集Pt1000模擬量并轉換為數字量，再利用單片機進行換算、線性補償后得出溫度值，通過RS-485發送給溫度采集終端。測溫節點結構框圖如圖2。

圖2 測溫節點結構框圖

圖3 電橋溫度補償電路圖

3.1 溫度信號處理電路

傳統的Pt1000溫度信號處理電路一般采用恒流源驅動電路，恒流源驅動電路通過恒流源使得流過Pt1000的電流恒定，并利用三線制Pt1000抵消導線電阻的影響，為了提高分辨率只能提高流過Pt1000的電流值，從而導致Pt1000自發熱變大，從而影響Pt1000測量精度，另外高精度參考電壓源易受環境溫度的影響較大，所以恒流源驅動電路不利于在惡劣的現場環境下使用。

本系統采用新型比率電橋溫度補償電路作為Pt1000溫度處理電路，工作電壓為5V，對提高高爐冷卻水溫差檢測的精度具有重要意義，比率電橋溫度補償電路的電路如圖3所示。

圖中R1、R2為橋臂電阻，Rc為橋臂參考電阻，Rt為Pt1000鉑電阻阻值，rd1、rd2、rd3為三線制Pt1000導線等效電阻，Rx限流電阻，U0為Pt1000引線電阻rd3兩端的電壓，I為流過Pt1000的電流。Ri用于防止流過Pt1000的電流過大，引起Pt1000自發熱，導致測量結果出現較大誤差。為了盡量減少Pt1000自發熱對測量結果的影響，同時又兼顧AD7799參考電壓的輸入范圍，其阻值取值范圍為：15K～20K。由圖3可得：

式（1）和式（2）相減后可將U0消去得：

由Vc=Vc+-Vc-=I×Rc，可得，AD7799的輸出ADout：

式中：N為AD7799的位數。

又設計電路時，存在如下關系：

式中：R0為Pt1000在0℃時的阻值，R0=1000Ω，ΔRt為Pt1000鉑電阻阻值與R0之差。將式（5）代入式（4），可得：

由于導線電阻r處于分母位置，且r＜1Ω，即rd?R0，rd?Rc，可忽略不計，傳統的電橋電路中導線電阻r處于分子位置，測量低溫時會引起較大的測量誤差。式（6）可進一步化簡為：

由式（7）可得：

高爐冷卻水的測溫范圍：0～70℃，由Pt1000分度表可知70℃條件下，Pt1000的阻值為：1270.751Ω，則ΔRtmax=1270.751-1000=270.751Ω，取ΔRtmax/（Rc+R0）≤1/16，可得：Rc≥ΔRtmax×16-R0=270.751*16-1000=3332.016Ω，取Rc=3.6K，Pt1000的溫度系數為TCR=3.85Ω/℃，則Pt1000的溫度變化值ΔT為：

令式（8）中ADout=1，代入式（9）可得新型比率電橋溫度補償電路的測溫分辨率：

4 溫度采集終端

溫度采集終端采用Freescale16位單片機MC9S12XS128為主控芯片，并包括液晶顯示模塊、RS-485通訊模塊。終端可放置與高爐工況環境較好的位置，采用外部12V電源供電。一個終端最多可掛接16個測溫節點，終端具備實時顯示所掛接的測溫節點溫度數據的功能，且當測溫節點水溫異常或發生故障時，可現場實時報警，并可以通過RS-485將測溫節點信息上傳至上位機。

溫度采集終端的作用是將多個測溫節點采集的水溫數據及節點狀態進行匯總、處理和顯示，并和上位機進行數據通訊。溫度采集終端程序流程圖如圖4所示。終端之間互不影響，不會產生串擾，即檢測系統中若干個終端出現故障時，其他終端仍然可正常工作，從而確保系統在復雜的高爐工作現場穩定運行。

圖4 溫度采集終端程序流程圖

5 上位機

上位機采用組態王Kingview6.55開發系統監控軟件編寫，不同的數據終端具有不同的通訊地址，上位機周期的發送命令，從而獲取不同溫度采集終端的數據。上位機具備顯示測溫節點水溫及工作狀態、自動對異常測溫點進行報警、故障診斷、定時輸出狀態報表等功能。通過上位機可管理了解整個檢測系統的工作狀態，實時監控冷卻水溫差數據和測溫節點的狀態。上位機工作界面圖如圖5所示。

圖5 上位機工作界面圖

6 應用情況

本文介紹的高爐水溫差高精度檢測系統，已投產于馬鞍山鋼鐵股份有限公司第三煉鐵總廠A、B兩座高爐，該系統檢測精度高、施工簡單、工作穩定，滿足高爐冷卻水溫差的現場檢測要求，并可適用于其他多點、高精度水溫檢測場合。

［1］張福明，程素森.現代高爐長壽技術［M］.北京：冶金工業出版社，2012：9、27-28.

［2］李福進，孫麗英，陳至坤.高爐冷卻壁水溫差檢測系統的研究［J］.儀表技術與傳感器，2005，（4）：22-24.

［3］孫麗英，李福進，陳至坤，等.一種數字化高爐冷卻不水溫差監測系統［J］.河北冶金，2006，（3）：79-81.

［4］江杰，李計川.基于DS18B20的高精度溫度測量系統在高爐上的應用［J］.傳感器與微系統，2012，（11）：144-146、152.

［5］崔大福，楊友松，江杰，等.一種高爐冷卻系統水溫差及熱流強度在線監測技術［J］.冶金自動化，2004，（1）：55-57、65.

RESEARCH AND APPLICATION OF HIGH PRECISION DETECTION SYSTEM OF BLAST FURNACE COOLING WATER TEMPERATURE DIFFERENCES

JIA Jia1YANG Jin2FANG Ting1
（1 School of Electrical&Information Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 243000）
（2 Equipment Security Department of Ma’anshan Third Iron Making Plant，Ma’anshan Anhui 243000）

In response to the defects of the low accuracy of domestic blast furnace cooling water temperature difference detection system，this paper is aimed at designing and developing a blast furnace cooling water temperature difference detection system with high precision.The detection system consists of the temperature measurement node，the temperature data collection terminal and PC components，and RS-485 is adopted for communications between them.Based on the three wire system Pt1000，this paper designs the circuit of ratio bridge temperature compensation and with the combination of A/D converter AD7799 the signal processing circuit is composed，improving water temperature collection accuracy.

cooling water of blast furnace；Pt1000；high precision

陳小舉

TP273

A

1672-2868（2015）03-0090-05

2015-01-22

賈佳（1989-），男，安徽巢湖人。安徽工業大學，碩士研究生。研究方向：嵌入式測控系統。