Pt100鉑熱電阻在雨花茶精揉機溫度控制中應用

摘要:從鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理出發,分析了雨花茶精揉機揉鍋溫度測量與控制系統在溫度信號采集過程中引入的非線性誤差,提出了以P100鉑熱電阻和AT89S52單片機為核心的軟件非線性補償方案,給出了系統硬件結構圍和軟件設計流程圍。實驗結果表明該方案簡便有效,能夠提高溫度控制系統性能。
　　雨花茶精揉過程中,揉鍋溫度的準確測量與控制決定了雨花茶的最終質量,而傳統集成溫度傳感器無法對寬范圍的溫度變化進行測量,Pt100鉑熱電阻具有測溫范圍寬、穩定性好精度高、抗振動強等特點。利用Pt100鉑熱電阻非平衡電橋構成測溫前向通道，結合曲線擬合的方法有效地消除了測溫過程中所引入的非線性誤差,實現了茶葉精揉過程中溫度的自動檢測與控制。
1鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理
　　熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器0],利用其阻值隨中低溫區溫度變化而變化的特點來采集溫度信號,并將采集到的信號轉換成電壓信號;再經過AD轉換為數字信號由單片機系統讀取;單片機系統把讀取到的數字信號進行識別與處理,換算成與溫度對應的數字信號,最后再由液晶顯示器顯示出當前的溫度值。
　　為了減小引線電阻對非平衡電橋測溫的影響,系統中采用的是三線制PT100鉑熱電阻。非平衡電橋接線簡圖如圖1所示。
令R2=R2'+r,R4=Rt+r,忽略測溫時導線電阻r隨溫度微小變化的影響,由圖1可得:
 
　　上式中,k為儀表放大器AD620的增益;U為+5V參考電壓;Ri為儀表放大器輸人端電阻;在實際測量中該放大器輸人端電阻Ri可視為無窮大,故上式分母中的第二項可以忽略不計,可得:
 
　　由圖1可得:R2=R1+r,并由P100的特性可知,0℃時,Rr=100Ω=R3,設△Rr為熱電阻Rr隨溫度變化而增加的電阻值，則R4=R3+△Rr+r,代人上式得:
 
　　當環境溫度變化時,△Rr隨之而變化并引起輸出電壓變化,隨溫度變化的電壓被ADC0809所采集并送往單片機進行處理。
2熱電阻非平衡電橋非線性補償
　　系統中選用的Pt100鉑熱電阻組成的非平衡電橋所引人的非線性誤差是不可忽略的。當測溫范圍大于100℃時,電橋的非線性程度將隨著量程的增加而增加,在溫度為200℃時,非線性偏差達到1.45%,這在測量中是不允許的問。并且在0℃至850℃范圍內,鉑熱電阻的阻.值Rr與溫度T也是非線性關系,并且隨著溫度的升高,鉑熱電阻的非線性程度越來越嚴重”。
　　解決鉑熱電阻非平衡電橋非線性誤差常用方法有:插值法、折線法和迭代法。插值法和折線法對內存空間有一定要求,同時要求選取合適的插值點,而迭代法則存在運算復雜運算周期長等缺點。
在程序設計中,是根據已知輸人電壓U。而求溫度T。因此只要得到足夠的U0-T數據點,就可以采用曲線擬合的方法得到T=ƒ(U0)函數,并將其植人AT89S52單片機。利用AT89S52單片機的數據處理功能,通過循環采樣U0的電壓值代人曲線方程計算得到揉鍋的準確溫度。
　　實際U0-T曲線測定中,0~8℃采用冰水混合物自然升溫至室溫測定;8~100℃采用HH-60快速恒溫水浴箱測定;100~200℃采用密室內XLB-D平板硫化機產生的恒定溫度場測定。由于試驗條件原因,無法確保溫度穩定在某個整數定點上，因此采用非等間隔測量辦法，歷時400min共測得95個溫度點所對應的電壓值,實驗結果擬合曲線如圖2所示。
 
3系統硬件設計
　　主要由溫度檢測電路、信號處理電路、控溫電路、顯示和聲光報警電路共4個部分組成。硬件結構如圖3所示。
　　控制器選用低功耗、性能高CMOS工藝的AT89S528位單片機。該控制器片內含有8K字節的FLASH和256字節的RAM,具有在系統編程功能,使用靈活方便。控制器主要完成溫度信號檢測及處理、顯示報警、串行通信和輸出PWM信號等功能。控溫電路主要包括8550PNP三極管、Z型交流固態繼電器和4x1.2kW的電熱管。系統采用定時器T0控制通用輸出端口P1.7輸出PWM信號。利用PWM控制SSR通斷的方式調節電阻爐的輸人電功率。實際控溫電路如圖4所示。
 
4系統軟件設計
　　系統程序采用模塊化和中斷傳送的方式進行設計。程序模塊分為主程序、INT0外部中斷子程序、INT1外部中斷子程序、TIMEO中斷子程序、串行通信子程序、PID子程序以及PWM子程序。程序設計流程如圖5所示。
　　主程序完成子程序的初始化;INT0外部中斷子程序完成用戶溫度設定值的輸人并送顯示器顯示;INT1外部中斷子程序負責ADC0809轉換結果的讀取，U0-T數據轉換判斷是否超溫報警溫度送顯示器顯示、串口通訊、調用PID子程序求取控制量m送PWM子程序;TIME0中斷子程序負責定時啟動ADC0809進行電壓值采樣并調用PWM子程序完成占空比1%可調的PWM波形輸出。串行通信子程序通過RS-232串口接收上位機對下位機的溫度設定值送顯示器顯示并發送實時的溫度數據送上位機打印與保存;PID子程序采用遇限削弱積分的PID控制算法,避免了由于控制量受限而引起控制量丟失的現象,有效縮短了實際控制系統的動態過程。
 
　　由于采用的調節控制是在單片機TMEO定時中斷控制下完成的,因此采樣周期T的大小必須保證中斷服務程序的正常運行。考慮到系統的純滯后時間大約為11s,經過權衡,最終選取系統的采樣周期為1g。
5結果與分析
　　由表1可以看出,在0~200℃標準溫度范圍內,測量誤差為-0.1~0.3℃,測溫精度很高。由表2可見，在設定溫度50~200℃范圍內，控制誤差為-0.2~0.3℃,控溫精度也很理想。
 
6結束語
　　從鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理出發,重點分析了該系統在溫度信號采集過程中引入非線性誤差的原因,并給出了一種消除非平衡電橋非線性誤差的方法。從實驗結果可以看出,該方法簡單有效,能夠保證6CRJ-24精揉機的控溫精度。