基于溫度傳感器Pt1000的瓶膽測溫系統

孫曉丹 林 勇 溫陽東 汪 昕

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

基于溫度傳感器Pt1000的瓶膽測溫系統

孫曉丹 林 勇 溫陽東 汪 昕

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

針對瓶膽傳統測溫操作復雜且精度較低的問題，提出了一種新的測溫方法，即根據溫度系統的特性建立溫度系統的電模型。該算法對剛成形的瓶膽進行溫度實時檢測、數據采集和計算，判定其保溫性能是否合格，并把結果通過無線傳輸發給上位機，實時監測工廠的生產情況。實驗結果表明：該算法易于實現，運算時間較短，且測量誤差較低，取得了較好的測溫效果。

測溫系統 瓶膽 鉑電阻 電模型 MSP430

檢測保溫瓶膽質量是否達標，國內一般采用傳統的測溫方法，即將瓶膽抽真空后通入飽和蒸汽，蓋上瓶塞，經20min后插入水銀溫度計測溫。這種傳統的測溫方法，不僅需要投入大量的人力，而且要進行蒸汽再次升溫，勞動強度大，能源浪費嚴重，瓶膽溫度的檢測正確率也比較低。筆者就瓶膽溫度檢測提出了一種新的檢測方法，即根據溫度系統的特性建立溫度系統電模型，通過分析其散熱特性來判別瓶膽保溫性能，并利用MSP430單片機對系統加以實現。

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、線性度好及響應速度快等諸多優點，鉑電阻傳感器成為工業精密測量系統中廣泛使用的理想測溫元件[1，2]，因此筆者將選用鉑電阻作為測溫元件。然而如何準確測量出鉑電阻的值是溫度測量的關鍵。

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℃時的電阻值；

Rt——在t℃時的電阻值。

在鉑電阻高精度溫度測量系統中，引線電阻一定不能忽略。常規的二線制、三線制鉑電阻測溫方法忽略了其引線電阻或者近似引線電阻值相等。這兩種方法的測量值和真實值存在一定的偏差[3]。為消除鉑電阻引線電阻對測量精度造成的影響，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所在的兩條電壓驅動引線將鉑電阻的電壓信號連接到儀用放大電路。

圖1 鉑電阻四線制接口電路

2 瓶膽測溫系統的基本組成

對于便攜式設備，在保證測量精度的同時應盡量降低系統功耗。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系列低功耗單片機作為控制器，LED指示產品合格與否。為了降低系統功耗，采用間斷式工作方式，通過定時器控制單片機工作與否[4]。當未達到定時時間時，單片機不工作，進入低功耗模式，并切斷測溫電路的電源供電；當定時時間來臨時，單片機進入正常工作模式，并接通電源與測溫電路，進行溫度檢測。

瓶膽測溫系統的硬件結構框圖如圖2所示。系統運行時先對測溫電路產生的電壓信號進行調理[5,6]，再進行A/D轉換，將得到的數字信號送入單片機進行數據處理，以判斷產品的保溫性能是否合格，并通過LED燈進行指示。

圖2 瓶膽測溫系統的硬件結構框圖

3 瓶膽溫度檢測判別算法

瓶膽測溫系統中對于瓶膽性能的判別依據是瓶膽的溫度特性[7]，即瓶膽溫度隨時間變化曲線的特性，有兩種方法測量溫度特性參數——曲線擬合和溫度系統電模型。

3.1曲線擬合判別算法

現場進行溫度采集測試，對加熱抽真空后的瓶膽進行上百次測試采樣，根據現場采樣數據進行曲線擬合，繪出了部分瓶膽加塞后的降溫曲線[8]，對被測瓶膽的降溫曲線進行分類，并將定時記錄的數據進行逐點描繪，從中找出一定的規律，本系統采用y=a·ebx指數曲線擬合。

使用50個已編號的溫度計對已編號的已知不保溫的樣品瓶膽進行溫度測量。將已知不保溫的樣品瓶膽重新加熱后取下單獨存放，用裝有溫度計的軟木塞堵住瓶口，觀察溫度，待溫度不再上升時，記錄讀數，以后每隔1min記錄一次數據。所選取的其中兩條曲線如圖3、4所示。

對50個次品擬合數據狀況進行分析，不合格品的指數絕對值絕大部分在0.01之上。再分別對50個合格品進行降溫實驗，同樣抽取兩個樣本曲線，如圖5、6所示。

對50個合格品擬合數據狀況進行分析，合格品的指數絕對值絕大部分在0.01之下。

合格瓶膽和非合格瓶膽擬合曲線的指數系數不同，合格瓶膽的指數系數絕對值小于0.01，非合格瓶膽的大于0.01，因此指數系數0.01可以作為判別是否為合格品的依據。但是這種方法在軟件實現方面比較麻煩，而且需要單片機進行復雜的運算，運算時間較長。

3.2電模型判別算法

3.2.1電模型的建立

根據溫度系統特性建立的電模型如圖7所示。電流I對應熱傳導功率，電容C對應系統熱容量C，R對應散熱的熱阻R，e-τs對應控制的延時環節，V0對應環境溫度；V為電容電壓，對應實際溫度。V和V0可通過傳感器測得。

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 瓶膽測溫系統電模型

對該系統而言，當自然降溫時，I=0。由圖7可得：

(3)

令采樣周期為T，且環境溫度不變(V0是常量)，延遲時間τ=dT，其中d為常數。對式(3)進行離散化可得：

(4)

令k=1,2,…，N，則可得：

(5)

?

N個式子相加，可得：

(6)

又由自然降溫，令I=0，得：

(7)

將式(7)中的兩式相減可得：

(8)

進而可得：

(9)

式(9)的計算結果即水瓶固有的散熱特性。

3.2.2數據處理

Pt1000阻值和溫度的對應關系為：

Rt=R0(1+At-Bt2)

(10)

其中R0=1kΩ,A=3.9083×10-3,B=5.775×10-7。可見需要用到浮點數，由于MSP430F2012不帶硬件乘法器且處理能力有限，故把所有數據通過特殊處理轉換成整型數據，并利用二分法根據A/D轉換結果得到溫度值，有效減少運算的時間。令T=100t，即保留溫度的兩位小數，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A/D的采樣值為ad，則式(12)可轉換為：

(13)

其中，Vm為單片機選取的內部參考電壓，值為1.5V；Ih為通過Pt1000的恒流源電流值。程序通過式(13)來計算溫度。

3.2.3采樣與結果分析

使用已編號的溫度計對已編號的樣品瓶膽進行溫度測量。用裝有溫度計的軟木塞堵住瓶口，觀察溫度，待溫度不再上升時，記錄讀數，以后每隔1min記錄一次數據。分別測量好瓶子和壞瓶子各50個，測量并記錄每個瓶子的特性即1/RC，如圖8所示。

圖8 散熱系數分布

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

結果表明，運用電模型判別方法進行瓶膽質量檢查，不僅節約了計算時間，同時也降低了運算難度，精度也較傳統的測溫方法有所提高。

4 結束語

針對瓶膽質量傳統檢測方法的不足，提出測溫系統電模型的檢測方法，利用MSP430單片機對系統加以實現。現場實驗表明，該系統能夠很好地判斷瓶膽的質量，達到了預期效果，系統工作可靠穩定。

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

[2] 和衛星,王彬,吳文亞,等.基于MSP430的高精度壓力計設計[J].化工自動化及儀表,2010，37(12):70～72.

[3] 鄭琦,沈相國.基于MSP430F133單片機的智能溫控儀[J].化工自動化及儀表,2005，32(5):68～70.

[4] 鄭澤祥，姜周曙，黃國輝，等.鉑電阻高精度溫度測量系統設計[J].機電工程,2013,30(12)：1494～1497.

[5] 胡鵬程,時瑋澤,梅健挺.高精度鉑電阻測溫系統[J].光學精密工程，2014，22(4):988～995.

[6] 劉鵬.VHF頻段抗混疊濾波電路的研究與設計[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[7] 農莉云,盧華.一種基于鉑電阻傳感器的測溫和校準方法[J].裝備制造技術，2010，(9):72～74.

[8] 徐忠良,趙青.基于MSP430的雙斜率測溫方法[J].硅谷，2012，5(11)：170～174.

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)