Pt100鉑熱電阻在雨花茶精揉機溫度控制中應(yīng)用

摘要:從鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理出發(fā),分析了雨花茶精揉機揉鍋溫度測量與控制系統(tǒng)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圍和軟件設(shè)計流程圍。實驗結(jié)果表明該方案簡便有效,能夠提高溫度控制系統(tǒng)性能。
　　雨花茶精揉過程中,揉鍋溫度的準(zhǔn)確測量與控制決定了雨花茶的最終質(zhì)量,而傳統(tǒng)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(wěn)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(gòu)成測溫前向通道，結(jié)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(xiàn)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(qū)最常用的一種溫度檢測器0],利用其阻值隨中低溫區(qū)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(zhuǎn)換成電壓信號;再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由單片機系統(tǒng)讀取;單片機系統(tǒng)把讀取到的數(shù)字信號進行識別與處理,換算成與溫度對應(yīng)的數(shù)字信號,最后再由液晶顯示器顯示出當(dāng)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(tǒng)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(dǎo)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(shè)△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(dāng)環(huán)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(tǒng)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(dāng)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(nèi),鉑熱電阻的阻.值Rr與溫度T也是非線性關(guān)系,并且隨著溫度的升高,鉑熱電阻的非線性程度越來越嚴(yán)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(nèi)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(fù)雜運算周期長等缺點。
在程序設(shè)計中,是根據(jù)已知輸人電壓U。而求溫度T。因此只要得到足夠的U0-T數(shù)據(jù)點,就可以采用曲線擬合的方法得到T=ƒ(U0)函數(shù),并將其植人AT89S52單片機。利用AT89S52單片機的數(shù)據(jù)處理功能,通過循環(huán)采樣U0的電壓值代人曲線方程計算得到揉鍋的準(zhǔn)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(nèi)XLB-D平板硫化機產(chǎn)生的恒定溫度場測定。由于試驗條件原因,無法確保溫度穩(wěn)定在某個整數(shù)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(yīng)的電壓值,實驗結(jié)果擬合曲線如圖2所示。
 
3系統(tǒng)硬件設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)含有8K字節(jié)的FLASH和256字節(jié)的RAM,具有在系統(tǒng)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(tài)繼電器和4x1.2kW的電熱管。系統(tǒng)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(diào)節(jié)電阻爐的輸人電功率。實際控溫電路如圖4所示。
 
4系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)程序采用模塊化和中斷傳送的方式進行設(shè)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(shè)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(shè)定值的輸人并送顯示器顯示;INT1外部中斷子程序負責(zé)ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，U0-T數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換判斷是否超溫報警溫度送顯示器顯示、串口通訊、調(diào)用PID子程序求取控制量m送PWM子程序;TIME0中斷子程序負責(zé)定時啟動ADC0809進行電壓值采樣并調(diào)用PWM子程序完成占空比1%可調(diào)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(shè)定值送顯示器顯示并發(fā)送實時的溫度數(shù)據(jù)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(xiàn)象,有效縮短了實際控制系統(tǒng)的動態(tài)過程。
 
　　由于采用的調(diào)節(jié)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(wù)程序的正常運行。考慮到系統(tǒng)的純滯后時間大約為11s,經(jīng)過權(quán)衡,最終選取系統(tǒng)的采樣周期為1g。
5結(jié)果與分析
　　由表1可以看出,在0~200℃標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi),測量誤差為-0.1~0.3℃,測溫精度很高。由表2可見，在設(shè)定溫度50~200℃范圍內(nèi)，控制誤差為-0.2~0.3℃,控溫精度也很理想。
 
6結(jié)束語
　　從鉑熱電阻非平衡電橋測溫原理出發(fā),重點分析了該系統(tǒng)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(jié)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。