金属热电阻温度传感器在多路温度监控系统中的

发布时间:2021-09-01     浏览次数:
摘要:热电阻具有测温范围大.稳定性好和耐氧化等特点,在温度测量中占有重要的地位。分析了金属热电阻温度传感器的工作原理。以铂金属温度传感器PT100为例给出了其在多路温度监控系统中的应用。该系统由温度传感器PT100.触摸屏、可编程控制器、温度模块等组成,由于温度模块、触摸屏、可编程控制器可对输入量同时采用硬件和软件的非线形补偿,故具有精度高、可靠性较好、电路简单、成本低、体积小、生产调试方便等特点。
一、铂热电阻传感器
  热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化来测量温度的一种温度敏感元件,它的特点是准确度高,灵敏度高,测量范围大,无需参考点。金属热电阻传感器的感温元件是由纯金属制成。当温度变化时,感温元件的电阻值随温度而变化,这样就可将变化的电阻值作为电信号输入测量仪表,通过测量电路的转换,即可得到被测温度。
1、工作原理
  实验表明,许多纯金属的电阻率在很宽的温度范围内可以用布洛赫格林爱森公式描述,即:
 
  由(2)式可见,在德拜温度附近的“高温”下,金属的电阻率与温度成正比。制作热电阻的理想材料有铂、铜、镍等。金属热电阻根据感温元件的材料及适用温度范围一般可分为铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻和低温用热电阻等。
2、铂热电阻传感器
  铂热电阻由以金属铂作为感温元件。它的特点是:线性度好、测量准确、互换性好、抗振动冲击的性能好。铂热电阻的使用温度范围是-200C~850℃,其电阻与温度的关系为:
 
  铂热电阻由于易于提纯,在氧化介质和高温下的物理化学性能及其稳定,工艺性好,可拉成极细的丝,因此,除用作一般的工业测温外,在国际实用温标中,作为从-259.34C~630.74℃温度范围内的温度基准。
二、铂热电阻温度传感器在多路温度监控系统中的应用
1、系统构成
  本系统为32路温度监控系统,其中温度传感器采用三线式铂热电阻温度传感器PT100,温度模块DVP-04PT作为信号采集单元,一个温度模块可采集4路温度信号,共采用8个温度模块,温度模块不占用PLC系统I/O点数。可编程控制器采用台达DVP-SS系列PLC,人机界面采用DOPA57CSTD型256色液晶显示触摸屏,系统结构如图1所示。
 
2、触摸屏及其在系统中的作用
  采用中达电通DOPA57CSTD型256色液晶显示触摸屏,用以实现各控制点参数的动态显示、系统参数设定、故障诊断提示等功能、各装置工艺流程图等。具有画面中元件使用权限等级设定功能。其中触摸屏画面首页如图2所示,具体某一路温度的监控画面(含温度实时曲线和数字显示)如图3所示。温度集中.监控是指32路温度数据在同一画面上集中显示,分区监控是根据工艺需要将一部分(如某几个监控点)温度数据及相关参数(如报警值、适时曲线等)进行部分数据资料的组合式集中监控,系统参数设定可进行时间设定、亮度调整、相关参数的初始化等,温度报警范围设定主要用以设定报警上下限温度值,系统故障提示画面主要用来显示温度模块、电源模块、PLC程序、传感器等可能出现的故障状态,以便于在系统出现故障时维护人员能及时处理,缩短故障排除时间,提高系统维护效率。通道开启设定用来开启或关闭32个通道的部分或全体,用以配合进行传感器故障诊断、避免传感器非工作状态下不必要的温度显示等,系统操作使用说明可帮助操作人员掌握整个系统的操作要领,操作等级权限设定主要用于验证、设定相关操作的权限级别,确保系统运行安全可靠。
 
3、PLC与测温模块
  本控制系统采用台达DVP-SS系列PLC,可编程控制器的主要作用是从温度模块读取相应的各通道温度数据,接收来自触摸屏的相关参数设定,并通过继电器输出控制相关温控设备的起停进而达到多路温度自动控制的目的。系统所用温度模块的具体型号为DVP04PT-S.一个温度模块可接受外部4点铂金属温度传感器,将之转换成14位数字信号。通过DVP-PLC主机程序的FROM/TO指令来读写模块内的数据,模块内具有49个CR(ControlledRegister)缓存器,每个缓存器有l6Bits.可选择摄氏温度或华氏温度,摄氏温度输入解析度为0.1℃,华氏温度输入解析度为0.18下。
  在铂电阻温度测控系统中,一般的做法是将铂电阻经温度变送器转换成电压,再经放大和A/D转换后送入微机,经计算获得测量值。在某些场合下要求很高的测量准确度,这时要求A/D转换器、变送器都应有较高的准确度。铂电阻器自身的非线性,对变送器的设计有一定的要求,否则不能保证测量准确度,另外在工业现场中,存在电源波动以及大量的电磁和噪干扰,设计变送器时要充分地考虑这些影响,才能保证测量准确度。温度模块DVP04PT-S成功地解决了以上问题,测试结果表明,在-200℃~600℃范围内,输入电阻值与温度的对应关系完全符合铂100热电阻分度表。
4、铂热电阻传感器的选择.及偏差补偿
(1)选用两线式铂电阻温度传感器PT100
  从测温点到测量变换电路之间的布线长度少则几米,多则几十米甚至上百米,这样长的连接导线,即使不计热噪电阻,它自身的引线电阻也是相当可观的。如50~100m长的连接导线,引线电阻--般为4~10Ω。而对常用的Pt100铂电阻来说,温度的变化率约为0.39Ω/℃,与该变化率相比,引线电阻对测量精度的影响不容忽视。
  针对热电阻测量中引起误差的主要原因,提出一种通过触摸屏进行误差补偿的方法,可以有效消除引线电阻的影响,由于导线阻值击其他因素所造成的现场实际温度与触摸屏显示温度的偏差可方便地进行补偿校正,操作方便直观,其中1-8通道温度偏差补偿画面如图4所示。图中温度值显示在系统调试校准时,可方便于温度偏差的获取。
 
(2)选用三线式铂电阻温度传感器PT100
  一般热电阻的阻值在几十至几百欧范围内变化。热电阻的引线常处于被测温度环境,温度波动较大,其阻值随温度的变化难以估计和修正。为了消除导线电阻影响,引线常采用三线制,使测量误差得到了-定的补偿,但导线的影响依然存在。由于引线电阻的大小随现场施工条件而变化,测量和补偿都比较困难。本系统采用偏差和增益两种补偿方式,由于铂电阻器自身的非线性所造成的数值误差已通过温度模块解决,而由于导线电阻带来的影响可通过触摸屏偏差、增益设定和相关PLC程序解决,因而系统具有较高的测温精度。
三、结语
  利用铂热电阻温度传感器线性度好、测量准确、互换性好、抗振动冲击的性能好的特点。采用触摸屏、温度模块、PLC组成多路温度监控系统,实现了稳定、可靠的实时数据监控,并实现了温度模块组、PLC程序、传感器工作状态等软、硬件比较综合的故障适时诊断功能,缩短了故障诊断的时间,提高了工程技术人员进行系统维护的效率。该控制系统具有可靠性高、操作方便、易于维护等特点。将温度模块调整为DVP-04AD模拟信号输入模块、DVP-04TC温度量测模块(J/K热电耦)、DVP-06XA模拟输入输出混合模块,配合不同的传感器和变送器,可进行温度、湿度、压力、流量等多种参数的集中监控,成熟的模块化电路、灵活可靠的PLC技术、直观方便的触摸屏人机画面、多种模块与PLC主机的积木化安装,使得整个控制系统安装、调试、操作、维护方便,具有精度高、可靠性好、体积小、生产调试方便等特点,具有一定的推广价值。
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