三线制铂电阻高精度测温方法

ΔV1 - ΔV2
=
N21 - N22 N1
IcRN0
Rt
=
N21 - N22 kN1
RN0 +
RN
(9)
式中 , N21 , N22分别为 ICL7135 的两次转换输出值 , 其余
均为已知值 ,至此准确测得 Rt 值 。
当被测量为目标温度与现场环境温度差时 , RN =
1 舒迪前. 预测控制系统及其应用. 北京 :机械工业出版社 ,1996 2 王旭东 ,邵惠鹤. RBF 神经网络理论及其在控制中的应用. 信息与
控制 ,1997 ,26 (4) :272～281 3 Chen T , Chen H. Approximation capability to functions of several vari2
图 7 RBF 网络在线系统辨识曲线 4. 3 蒸发器过热度控制
蒸发器过热度的控制非常重要 , 如果蒸发器过热 度过高 ,蒸发器的传热面积不能充分利用 ,降低了系统
的效率 ;如果蒸发器过热度过低 ,蒸发器中的制冷剂不 能完全蒸发 ,压缩机因吸入液态制冷剂而发生液击现 象 。因此探讨蒸发器过热度在控制算法具有重要意 义 。采用电子膨胀阀 , 将本文的算法应用于蒸发器过 热度控制 ,控制效果如图 8 所示 。在第 200 步加阶跃 干扰 ,这里用一个 1000W 的加热器作为干扰源 。在第 320 步加脉冲干扰 , 用快速开闭冷冻柜的柜门实现 。 可以看出 ,该算法无超调 ,控制平稳 ,抗干扰性好 。
(7)
式中 : r1 为 RN 的引线电阻 。设置它与 rt 相等并将它
与 rt 相邻放置 , 所以 r1 →rt ,
ΔV1 - ΔV2 = kIc ( Rt - RN)
(8)
根据双积分 A/ D 转换原理
ΔV1 = Vref
N21 N1
,ΔV2
=
Vref
N22 N1
Vref = Ic RN0 ,
所以 ,
suring method is stated. By using dual integration ADC and ratio method the resistance of the platinum resistor is measured and the error of the measuring circuit can be compensated. The analysis of error shows that the error of measurement is less than 10 - 3 within range of 0～500 ℃under + / - 10 ℃tem2
2. 1 恒流源
图 3
恒流源由电压基准和运放 A3 ,A4 组成 。根据比例
法测电阻原理 ,测量结果与恒流源无关的条件是恒流
源在两次测量期内 ( < 1s) 稳定度足够高 。对此可选择
电压基准 AD580 , 其稳定度 ( 时漂) 为 10 ×10 - 6/ 月[3] 。
1s 内器件的参数均可视为不变 。设置 R1i = R , ( i = 1 , 2 ,3 , 4 , 5) , 由电路知恒流 Ic = Vi/ R16 = 215/ R16 为减小 铂电阻自热影响 , 使 Ic < 5mA。
图 8 蒸发器过热度控制阶跃响应曲线
收稿日期 :2001 - 10 - 27 ,修改稿收到日期 :2002 - 03 - 27 。 第一作者宫赤坤 ,男 ,1968 年生 ,1987 年毕业于北京第二商业局职工
大学 ,1994 年于洛阳工学院获硕士学位 , 2000 年于江苏理工大学获博士 学位 ,现在上海理工大学进行博士后研究工作 ; 研究领域为空调及制冷 装置的预测控制 、智能控制 ,已发表论文 12 篇 。
ables ,nonlinear functionals ,and operators by radial basis function neural networks. IEEE Transactions on Neural Networks ,1995 ,6 (4) :904～910 4 Narendar K & Ne Parthasarathy K. Identification and control of dynamical systems using neural networks. IEEE Trans on Neural Networks , Mar. 1990 ,1 (1) :4～27
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PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION, Vol. 23 , No. 11 , Nov. , 2002
三线制铂电阻高精度测温方法 刘少强 ,等
铂电阻的阻值 ,并可补偿测量电路的误差 。误差分析表明 ,在环境温度变化 ±10 ℃的条件下 ,对 0～500 ℃测温范围其测温误差不大于 10 - 3 。 关键词 温度测量 高精度测量 铂电阻 三线制 引线电阻补偿 比例法
三线制铂电阻高精度测温方法
The High Precise Te mperature Mea sure ment With 32Wire Platinum Re sistor
刘少强 张 靖 庄哲民
(东南大学仪器科学与工程系 ,南京 210096)
摘 要 基于可补偿引线电阻影响的三线制铂电阻测量电路提出了一种高精度测温方法 。该方法利用双积分 ADC ,采用比例法测量
值难以标定 ,其线性化电路难以调整 。图 1 所示为三
图 1
图 2 V1 = A1 Ic ( Rt + 2 rt) V2 = A2 Ic ( Rt + rt)
(4) (5)
21
《自动化仪表》第 23 卷第 11 期 2002 年 11 月
V0 = V2 - V1 = ( A2 - A1) IcRt +
《自动化仪表》第 23 卷第 11 期 2002 年 11 月
略提供了更多更精确的系统实时变化信息 。为进一步 说明问题 ,对上面的非线性系统加入均值为 0 , 方差为 1 的白噪声 , 得到系统输出并进行辨识其结果如图 7 所示 ,实线为辨识输出 ,虚线为系统输出 பைடு நூலகம்由图 7 可以 看出 ,辨识精度是非常高的 ,两条曲线几乎重合 。因为 是一个数据对一个数据对的采用递推算法进行辨识 的 ,所以完全可以将这样的算法引入到闭环系统中进 行在线辨识 ,引入后的控制效果明显得到改善 。
method
0 引言
铂电阻因具有测温范围大 、性能稳定 、重复性好等 特点在工业上被广泛应用 。在各种智能仪表中 , 对于 铂电阻测温 ,典型的用法是用不平衡电桥将铂电阻随 温度变化的电信号输出 ,再经放大和 A/ D 转换后送单 片机进行运算 。在此用法中铂电阻的非线性 、不平衡 电桥的非线性以及连接引线电阻的附加影响都会给测 温带来一定的误差 。
= kIc Rt + ( k - 1) Ic rt +ΔVos
式中 :ΔVos为两运放的失调等综合影响 。
多路开关置“2”时 ,
ΔV2 = kIc RN + ( k - 1) Ic r1 +ΔVos
所以 , ΔV1 - ΔV2 = kIc ( Rt - RN) +
( k - 1) Ic ( r′t - r1)
Δr = rt1 - rt = ±αtrt = ±01004 ×20 ×1172 = ±011376 (Ω)
式中 :α为铜阻平均温度系数 。 显然不论用硬件还是软件线性化处理 , 铂电阻引
线与环境温度变化带来的影响使不平衡电桥电路无法
满足高精度测温要求 。因此 ,文献[1 ,2 ]等提出了相似 的恒流源电阻/ 电压转换三线制铂电阻测量电路 ,如图 2 所示 。
Abstract Based on a 32wire platinum resistor measuring circuit , in which the lead wire resistance can be compensated , a high precise temperature mea2
四线制铂电阻测温当然是消除引线影响的最佳方 案 ,但对多路测温而言成本太高 ,工业上一般采用折衷 的三线制铂电阻测温方案 。当测量电路为不平衡电桥 时 ,虽然对不平衡电桥的非线性现在有较多的线性化 处理方法如硬件方法 、软件方法 ,但引线电阻的影响依 然存在 。引线电阻受所处复杂环境温度影响而使其阻
线制铂电阻测温电桥电路 。由电路知 :
V0 =
Vi · ( Rt - RB) 2 Rt + RB + 2 rt
(1)
式中 : Rt 为温度 t 时铂电阻阻值 ; RB 为初始温度 t0 时 铂电阻阻值 , RB = Rt 0 , rt 为铂电阻引线电阻 。
当 rt 因环境温度影响变为 rt 1时有 :
的 INL0 和 INHI 端 , 以差分形式输入[4] 。A1 增益 K1 为
1 ,A2 的增益 K2 为 1 + k = 1 + R32/ R31 , 调整 R32中的电
位器使 k →1 。
当多路开关置“1”位时
ΔV1 = (1 + k) Ic ( Rt + rt) - Ic ( Rt + rt) +ΔVos
perature variation. Key words Temperature measurement High precise measurement Platinum resistor 32wire system Compensation on lead wire resistance Ratio
( A2 - 2 A1) Icrt
当 A2 = 2 A1 时 , V0 = A1 IcRt
(6)
因此 ,理论上输出电压与引线电阻及其变化无关 ,
引线电阻的影响被全部补偿 ,且无非线性 。
2 高精度测量方案与电路
对于测量电路 ,消去引线电阻影响的条件是保持 A2 = 2 A1 。在此基础上实现高精度测温还必须对 V0 = A1 IcRt 进行精确测量 。由于实际上较难严格维持 A2 = 2 A1 ,而对恒流源的高精度要求也不易保证 , 因此本文 提出利用双积分 ADC ,用比例法测量铂电阻 ,再由软件 计算温度的方案 。其电路原理如图 3 所示 。
2. 2 传感器测量电路
选择三线制 Pt100 铂电阻 Rt 作传感器 , 测温范围
为 0～500 ℃。双积分 ADC 选择 4 位半的 ICL7135 。其
参考电 压 Vref 由 Ic 流 过 定 制 的 低 温 度 系 数 ( 10 ×
10 - 6/ ℃) 精密电阻 RNO时产生的压降 , 经增益设为 1 的 仪用放大器 AD620 提供 。Rt 和环境温度参考电阻 RN 由单片机控制的多路开关选择接入测量电路 。恒流 Ic 流过 Rt 或 RN 及其引线所产生的电压降分别接入跟随 器 A1 和同相放大器 A2 , 两者的输出分别接入 ICL7135
5 结束语
神经网络控制器特别适合于非线性对象的自适应 控制 ,无论对象参数如何变化 ,神经网络都能通过学习 来调整自身权系数 , 以构成与对象参数相适应的控制 器 。本文提出的基于 RBF 网络在线辨识的单神经元 PID 自适应控制 , 通过在线辨识建立了过程模型并为 神经元控制器提供了梯度信息 , 达到了在线辨识在线 控制的目的 ,控制精度高 ,动态特性好 。 参考文献
V0
=
Vi 2
· ( Rt Rt + RB
RB ) + 2 rt1
(2)
ΔV0 V0
=
V0′V0
V0
=
2 ( rt 1 - rt) Rt + RB + 2 rt
(3)
以长 100m、截面为 1mm2 铜导线为例 , 其电阻为 r =ρ20 ×100 = 1172(Ω) 。若引线所处环境温度在 20 ℃ 基础上变化 ±20 ℃( 平均值) 则有 :
铂电阻的非线性是其本身固有的 , 不平衡电桥的 非线性和引线电阻的附加影响则与测量方法有关 。当 被测温点可能远离测量仪表所处的控制室 , 从现场到 控制室引线所经受的环境温度影响难以估计 。因此 , 要实现高精度测温必须消除或补偿引线电阻的影响 , 减小 、消除测量电路的非线性 。
1 可补偿引线影响的测量电路