Pt100铂热电阻在雨花茶精揉机温度控制中应用

摘要:从铂热电阻非平衡电桥测温原理出发,分析了雨花茶精揉机揉锅温度测量与控制系统在温度信号采集过程中引入的非线性误差,提出了以P100铂热电阻和AT89S52单片机为核心的软件非线性补偿方案,给出了系统硬件结构围和软件设计流程围。实验结果表明该方案简便有效,能够提高温度控制系统性能。
　　雨花茶精揉过程中,揉锅温度的准确测量与控制决定了雨花茶的最终质量,而传统集成温度传感器无法对宽范围的温度变化进行测量,Pt100铂热电阻具有测温范围宽、稳定性好精度高、抗振动强等特点。利用Pt100铂热电阻非平衡电桥构成测温前向通道，结合曲线拟合的方法有效地消除了测温过程中所引入的非线性误差,实现了茶叶精揉过程中温度的自动检测与控制。
1铂热电阻非平衡电桥测温原理
　　热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器0],利用其阻值随中低温区温度变化而变化的特点来采集温度信号,并将采集到的信号转换成电压信号;再经过AD转换为数字信号由单片机系统读取;单片机系统把读取到的数字信号进行识别与处理,换算成与温度对应的数字信号,最后再由液晶显示器显示出当前的温度值。
　　为了减小引线电阻对非平衡电桥测温的影响,系统中采用的是三线制PT100铂热电阻。非平衡电桥接线简图如图1所示。
令R2=R2'+r,R4=Rt+r,忽略测温时导线电阻r随温度微小变化的影响,由图1可得:
 
　　上式中,k为仪表放大器AD620的增益;U为+5V参考电压;Ri为仪表放大器输人端电阻;在实际测量中该放大器输人端电阻Ri可视为无穷大,故上式分母中的第二项可以忽略不计,可得:
 
　　由图1可得:R2=R1+r,并由P100的特性可知,0℃时,Rr=100Ω=R3,设△Rr为热电阻Rr随温度变化而增加的电阻值，则R4=R3+△Rr+r,代人上式得:
 
　　当环境温度变化时,△Rr随之而变化并引起输出电压变化,随温度变化的电压被ADC0809所采集并送往单片机进行处理。
2热电阻非平衡电桥非线性补偿
　　系统中选用的Pt100铂热电阻组成的非平衡电桥所引人的非线性误差是不可忽略的。当测温范围大于100℃时,电桥的非线性程度将随着量程的增加而增加,在温度为200℃时,非线性偏差达到1.45%,这在测量中是不允许的问。并且在0℃至850℃范围内,铂热电阻的阻.值Rr与温度T也是非线性关系,并且随着温度的升高,铂热电阻的非线性程度越来越严重”。
　　解决铂热电阻非平衡电桥非线性误差常用方法有:插值法、折线法和迭代法。插值法和折线法对内存空间有一定要求,同时要求选取合适的插值点,而迭代法则存在运算复杂运算周期长等缺点。
在程序设计中,是根据已知输人电压U。而求温度T。因此只要得到足够的U0-T数据点,就可以采用曲线拟合的方法得到T=ƒ(U0)函数,并将其植人AT89S52单片机。利用AT89S52单片机的数据处理功能,通过循环采样U0的电压值代人曲线方程计算得到揉锅的准确温度。
　　实际U0-T曲线测定中,0~8℃采用冰水混合物自然升温至室温测定;8~100℃采用HH-60快速恒温水浴箱测定;100~200℃采用密室内XLB-D平板硫化机产生的恒定温度场测定。由于试验条件原因,无法确保温度稳定在某个整数定点上，因此采用非等间隔测量办法，历时400min共测得95个温度点所对应的电压值,实验结果拟合曲线如图2所示。
 
3系统硬件设计
　　主要由温度检测电路、信号处理电路、控温电路、显示和声光报警电路共4个部分组成。硬件结构如图3所示。
　　控制器选用低功耗、性能高CMOS工艺的AT89S528位单片机。该控制器片内含有8K字节的FLASH和256字节的RAM,具有在系统编程功能,使用灵活方便。控制器主要完成温度信号检测及处理、显示报警、串行通信和输出PWM信号等功能。控温电路主要包括8550PNP三极管、Z型交流固态继电器和4x1.2kW的电热管。系统采用定时器T0控制通用输出端口P1.7输出PWM信号。利用PWM控制SSR通断的方式调节电阻炉的输人电功率。实际控温电路如图4所示。
 
4系统软件设计
　　系统程序采用模块化和中断传送的方式进行设计。程序模块分为主程序、INT0外部中断子程序、INT1外部中断子程序、TIMEO中断子程序、串行通信子程序、PID子程序以及PWM子程序。程序设计流程如图5所示。
　　主程序完成子程序的初始化;INT0外部中断子程序完成用户温度设定值的输人并送显示器显示;INT1外部中断子程序负责ADC0809转换结果的读取，U0-T数据转换判断是否超温报警温度送显示器显示、串口通讯、调用PID子程序求取控制量m送PWM子程序;TIME0中断子程序负责定时启动ADC0809进行电压值采样并调用PWM子程序完成占空比1%可调的PWM波形输出。串行通信子程序通过RS-232串口接收上位机对下位机的温度设定值送显示器显示并发送实时的温度数据送上位机打印与保存;PID子程序采用遇限削弱积分的PID控制算法,避免了由于控制量受限而引起控制量丢失的现象,有效缩短了实际控制系统的动态过程。
 
　　由于采用的调节控制是在单片机TMEO定时中断控制下完成的,因此采样周期T的大小必须保证中断服务程序的正常运行。考虑到系统的纯滞后时间大约为11s,经过权衡,最终选取系统的采样周期为1g。
5结果与分析
　　由表1可以看出,在0~200℃标准温度范围内,测量误差为-0.1~0.3℃,测温精度很高。由表2可见，在设定温度50~200℃范围内，控制误差为-0.2~0.3℃,控温精度也很理想。
 
6结束语
　　从铂热电阻非平衡电桥测温原理出发,重点分析了该系统在温度信号采集过程中引入非线性误差的原因,并给出了一种消除非平衡电桥非线性误差的方法。从实验结果可以看出,该方法简单有效,能够保证6CRJ-24精揉机的控温精度。