礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路設計

程劉勝

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司, 江蘇 常州　213015;

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州　213015)

經驗交流

礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路設計

程劉勝1,2

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司, 江蘇 常州213015;

2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州213015)

摘要：針對現有礦用防爆無軌膠輪車溫度監測方法存在溫度測量范圍窄、誤差大的問題，設計了礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路。該電路選擇薄膜鉑電阻作為傳感元件，采用非線性電橋采集電路和運算放大電路采集微弱變化的電阻信號，利用非線性和線性計算方法計算出電阻值，從而通過電阻值計算出被測部件的溫度值。實際應用表明，該電路運行穩定可靠，為礦用防爆無軌膠輪車電氣執行部件可靠控制提供了穩定的基礎支撐。

關鍵詞：無軌膠輪車； 溫度監測； 薄膜鉑電阻； 最小二乘法； 誤差控制

0引言

礦用防爆無軌膠輪車目前已成為很多煤礦非常重要的輔助運輸工具,其主要分為人車、貨車和特種車輛，分別完成煤礦井下人員輸送、物料運輸、大型設備鏟運及牽引(如液壓支架、重型電氣等設備的鏟運)。

由于礦用防爆無軌膠輪車沒有軌道限制，適應性強，機動靈活性好，其應用范圍越來越廣泛[1]。國家安監部門以及相關標準委員會出臺了礦用防爆柴油機無軌膠輪車方面的標準，如MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件》、MT/T 990—2006 《礦用防爆柴油機通用技術條件》、GB 20800.3—2008 《存在甲烷和(或)可燃性粉塵的地下礦區巷道用Ⅰ類內燃機》。在這3項標準中，對防爆無軌膠輪車的溫度參數監測及保護提出了多項要求，如柴油機冷卻液溫度、柴油機表面溫度、機車尾氣排放溫度、空壓機進排氣溫度、機油溫度、液壓回路油溫、變矩器溫度、制動器溫度等10多處溫度監測。以上這些關鍵部件的溫度，不僅是安全參數，也是礦用防爆無軌膠輪車保護保養的重要參數[2]。如發動機排氣溫度，行業標準要求低于68 ℃，高于此溫度時，排放的氣體中可能帶有火花，會引燃機車運行環境中的瓦斯而引起安全事故；發動機冷卻液是發動機機體循環冷卻的重要介質，冷卻液溫度過高導致機體熱量無法散發，發動機活塞拉缸燒瓦對發動機本身是致命損害。目前，一般采用熱膨脹保護措施，通過膨脹液或者金屬的熱脹冷縮特性來實現溫度保護，當溫度過高時，金屬延展片觸點熱脹導通，接通電磁閥回路，通過斷氣來停止發動機運轉,從而達到熱保護目的。通過金屬延展片的熱脹冷縮特性來監測溫度，存在誤差較大的問題，且下降特性非常不好，時間長。針對現有溫度監測方法存在的問題，筆者設計了礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路。

1溫度監測電路傳感元件選型

傳統的集成式溫度傳感器(如AD590、DS18B20)無法滿足礦用防爆無軌膠輪車測溫方面的現場要求。集成式溫度傳感器一般監測范圍為-20～+125 ℃，而發動機表面溫度高達148 ℃，集成式溫度傳感器無法滿足發動機表面溫度的監測要求。為此，筆者選擇鉑電阻作為礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路的溫度傳感元件。鉑電阻的電阻值會隨著溫度變化而改變，通過電阻與溫度的對應關系，可計算出當前被測部件的溫度。鉑電阻的物理化學特性穩定，反應靈敏，應用范圍廣泛[3]。實際應用中以薄膜鉑電阻居多，薄膜鉑電阻用陶瓷和鉑特制而成，將鉑薄膜通過激光噴濺在陶瓷表層，然后覆蓋以陶瓷，這樣的工藝使得薄膜鉑電阻能夠承受高電壓并具有良好的絕緣性，同時具有良好的防振和防沖擊性，因而在高溫下能夠保持優良的穩定性，適合在-50～400 ℃溫度下使用。礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路將薄膜鉑電阻封裝在導熱性好的金屬材料內部，如銅質外殼，然后灌封導熱硅脂，在外殼表面配以合適螺紋，安裝到被測部件上。

2溫度監測電路設計

2.1電路原理

鉑電阻的阻值變化范圍為0.37～0.39 Ω/℃，屬于弱信號，一般采用差分比較，將微弱差分信號放大處理成單端信號，最后由微處理器采集計算。基于以上思路，設計了非線性電橋采集電路和運算放大電路來采集微弱變化的電阻信號值。溫度監測電路原理如圖1所示。在圖1中，C1，C2，C3，C4，C5為工頻濾波電容；VD4，VD5為TVS管，用于抑制瞬態脈沖以及靜電；VD2為微處理器端口穩壓管，與R7一起保護單片機端口；VD1為單向導通二極管，在ADC端口出現過壓時VD1導通，使得ADC端口鉗位在VDD+0.7 V，VD1與VD2、R7同時使用，對微處理器端口進行雙重保護。

信號傳輸過程：被測部件的溫度變化通過熱傳導方式傳導到鉑電阻(XS1)上，導致鉑電阻阻值發生變化；通過惠更斯電橋將變化的電阻值轉換為差分電壓信號并輸出至運算放大電路，最后運算放大電路輸出單端電壓信號給微處理器采集計算。

2.2電路關鍵參數匹配

電路設計中,運算放大電路采用單電源供電， +Vs引腳接模擬電源A+5 V，-Vs引腳與模擬地線AGND接在一起。R5，R4，XS1和R3構成一個基本的惠更斯電橋電路；R5，R4為一支橋臂，XS1和R3組成另外一支橋臂。電橋參數配置充分考慮了鉑電阻在0 ℃時的輸出電阻誤差，所以，在已知橋臂R5端并聯了電阻R6，使得R5//R6后略小于100.00 Ω，各電阻的參數匹配見表1，各電阻的精度均為0.5%。

表1　溫度測量電路中各電阻的參數匹配

電橋共模電壓+Vref可以通過代數計算消除，其值選定主要參考運算放大電路的最大輸出電壓與共模輸入電壓之間的關系[4]，如圖2所示，一般+Vref選在+2 V左右，使得輸出電壓無截止現象出現。

圖2　運算放大電路的最大輸出電壓與共模輸入電壓的關系

3溫度監測電路數學建模及誤差評估方法

為了反映被測溫度傳感器電阻值與溫度監測電路輸出電壓之間的固定函數關系，建立了數學模型，給出了電橋的非線性計算方法以及由非線性方法提取的線性公式。實際計算中往往采用線性公式，且誤差在可控范圍之內。

3.1非線性計算方法

圖1中電橋輸出的毫伏級差分信號經R1、R2后至運算放大器N1的2、3引腳，理論上N1的2、3引腳的壓差為

(1)

式中：Rx為被測鉑電阻阻值；Vref為電橋共模電壓。

微處理器采樣值與端口電壓之間的換算關系如下：

(2)

式中：x為微處理器采樣值；N為微處理器模數轉換采樣位數；UADC為微處理器模數轉換端口電壓。

U32差分信號經運算放大電路后轉換為單端電壓信號UADC，放大倍數G由運放器件外置電阻R8決定。

(3)

將式(1)、式(2)代入式(3)，并將表1中相關數值代入計算，設y=Rx，采樣位數N取10位模數轉換，整理可得

(4)

由式(4)可根據微處理器的模數轉換值計算出當前鉑電阻的電阻值，當模數轉換采樣位數為其他值,如12、16采樣位數時，可將其重新代入式(1)—式(3),求解最終計算公式。

3.2線性計算方法

在實際應用中，由式(4)可演變為線性公式來取代理論上的非線性計算方法，達到簡便計算的目的，且誤差在可控范圍之內。取式(4)曲線上零點和滿量程兩點對應的采樣值和電阻值：x=39，y=100.00 Ω(對應0 ℃)；x=643，y=161.05 Ω(對應160 ℃)。將兩點的值代入線性方程y=kx+b中,可以求出k和b的值:k=0.101 076；b=96.058 03。將k,b代入方程可得

y=0.101 076x+96.058 03

(5)

如果在溫度采集中，不標校零點和滿量程溫度點，則式(5)中的k，b值可直接使用，作為默認值寫入軟件中存儲。如果需要精確的溫度值，則需要標校，程序中根據兩點重新計算k，b值并保存。不同的電路板，由于電子器件參數不一致性，k，b的值也不同。

3.32種計算方法的誤差評估

(1) 誤差范圍計算。在實際計算中，如果不需要精確測量溫度，允許測量誤差在給定的誤差范圍之內，則式(4)和式(5)均能滿足要求。如果需要精確測量溫度，則需要用標準電阻器對零點和滿量程溫度點進行溫度標校，如0，160 ℃。在軟件程序處理上，記錄零點溫度和滿量程溫度時的模數轉換采樣值，重新計算線性方程的k,b值，并存入掉電保持存儲器，以便后期使用。

用式(5)來代替式(4)，絕對誤差≤0.37 Ω，即有些情況下可能導致1 ℃的誤差。將式(5)與式(4)相減,可得

Δy=0.101 076x+96.058 03-

x∈(0～160)

(6)

對式(6)進行求導,可求得其極值。當x=81，Δy=0.368 6時，誤差小于溫度1 ℃時的分度值(0.37 Ω)。誤差曲線如圖3所示[3]。

圖3　線性與非線性公式絕對誤差曲線

在此例中，取零點、偏移最大點以及滿量程點共3組離散數據(0，80，160 ℃時對應的電阻值，電阻數據放大10倍，數據中有2組數據相同，便于二次多項式擬合)：(x0，y0)=(1 000,1 000)；(x1，y1)=(1 312.8,1 309)；(x2，y2)=(1 312.8,1 309)；(x3，y3)=(1 610.5,1 610.5)。通過相關矩陣方程計算，可得二次曲線方程為

f(y)=(4.08×10-5)y2+0.894y+65.72

(7)

通過線性公式計算得到鉑電阻值后，將其代入式(7)，修正圖3中絕對誤差值，修正后的誤差曲線如圖4所示[3]，絕對誤差≤0.016 Ω，對被測點溫度控制可達到0.5 ℃以內。

圖4　曲線擬合修正后的絕對誤差曲線

4由電阻值計算溫度值的3種方法

可通過如下3種方法實現由鉑電阻值求得被測部件的溫度。

(1) 公式計算法。《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》在可控溫度范圍內給出了溫度值與電阻值之間的計算公式。通過反函數(式(8))[3]計算當前部件的溫度。

(8)

式中：R(0 ℃)、A、B均為常量；R(t)為溫度為t時鉑熱電阻值。

(2) 分段線性計算法。仔細研究《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》可發現，在0～160 ℃區間，溫度變化1 ℃，鉑電阻值大都變化0.37～0.39 Ω，但不是完全線性關系，可通過每隔15 ℃劃分一個線性區間來計算t=f(R)之間的對應值，以避開式(8)開平方數學公式計算。舉例如下：

將上述數據代入t=f(R)=kR+b，可求得k=2.564 102，b=-256.410 2，即

t=f(R)=2.564 102R-256.410 2

(9)

其他區段按照式(9)的計算方法來計算線性公式。

(3) 查表法。《工業鉑熱電阻技術條件及分度表》中同時列出了鉑電阻值和溫度值之間的對應表，現已知電阻值，可通過查表方法得知對應的溫度值。在軟件處理上,可將電阻值存儲在code空間的數組中。注意：由于電阻值帶有2位小數，可將其擴大100倍后用無符號整型來存儲，這樣比直接用浮點數存儲節省code空間。隨著溫度不斷增加，電阻值對應單調遞增，即數組中的數據已排序好，查找算法可采用“二分法”來實現，比順序查找效率要高。

以上3種計算方法中,公式計算法涉及數學計算開平方函數，浮點運算量較大，但軟件代碼簡潔；分段線性計算法代碼量較大，但當判斷出溫度在某一個區間后，執行指令較少；查表法采用“二分法”查表，代碼量適中，但錄入查表數據需要占據一定的code存儲空間。綜合考慮3種計算方法的優缺點,并結合溫度監測電路的實際情況,本文采用查表法。

5結語

鑒于礦用防爆無軌膠輪車溫度監測的重要性，選用薄膜鉑電阻作為傳感元件，設計了礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路并建立數學模型。該電路利用非線性和線性計算方法計算出電阻值，再通過電阻值計算出被測部件的溫度值。該電路已在WC5E、WC10E、WC40Y(D)等多種礦用防爆無軌膠輪車上使用。實際應用表明，該電路運行穩定，為礦用防爆無軌膠輪車電氣執行部件可靠控制提供了穩定的基礎支撐。

參考文獻：

[1]戴志曄.煤礦井下無軌膠輪車的現狀及應用[J].煤炭科學技術,2003,31(2)：21-24.

[2]晏偉光.煤礦井下防爆柴油機車安全保護系統應用現狀分析[J].煤炭工程,2010(11)：108-110.

[3]李飛.防爆柴油機車自動保護裝置測溫方法研究[J].工礦自動化,2012，38(11)：81-83.

[4]黃大勉,羊梅君.一種新的校正鉑電阻傳感器非線性的數學方法[J].傳感器技術,2004,23(6)：44-45.

[5]朱育紅. 工業鉑電阻精確測溫的方法[J].中國測試技術, 2007,33(4)：50-52.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1549.017.html

Design of temperature monitoring circuit of mine-used

explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle

CHENG Liusheng1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;

2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract:In view of the problem of measurement narrow range and great error of temperature monitoring method for existing mine-used explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle,a temperature monitoring circuit of mine-used explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle was designed. The thin film platinum resistor was chosen as the sensing element of the circuit, nonlinear bridge sampling circuit and operational amplifier circuit were used to collect weak resistance signals, nonlinear and linear calculation method were used to calculate the resistance value, so as to calculate the temperature of tested unit by resistance value. The actual application shows that the circuit is stable and reliable in running, which provides a stable foundation support of reliable control for mine-used explosion-proof electrical rubber-tyred vehicle.

Key words:trackless rubber-tyred vehicle; temperature monitoring; thin film platinum resistance; the least square method; error control

作者簡介：程劉勝(1983-),男,安徽桐城人,工程師，碩士,主要從事煤礦車載監控產品的開發工作，E-mail：iter2002@163.com。 徐杰(1984-)，男，江蘇海安人，工程師，碩士，主要從事煤礦通信類產品的開發工作，E-mail：258163031@163.com。

基金項目：天地(常州)自動化股份有限公司科研項目(15SY001-02)。 天地(常州)自動化股份有限公司科研項目(15SY001-05)。

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2015-11-19；責任編輯：張強。 2015-09-29；修回日期：2015-12-17；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD525

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-01-26 15:49

文章編號：1671-251X(2016)02-0067-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.017

程劉勝.礦用防爆無軌膠輪車溫度監測電路設計[J].工礦自動化，2016,42(2)：67-71.