基于鉑電阻多測點溫度測量系統及其應用

周鵬程， 王 志

(1.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省計量科學研究院，安徽 合肥 230051)

0 引 言

鉑電阻溫度傳感器具有精度高，重復性強，穩定性好等特性[1]。目前，基于鉑電阻器設計的測溫系統大多數僅針對于單點溫度測量，如傳統的溫度監測系統中一般要用到溫度巡檢儀，其通過Pt100進行單點測量[2]；水溫測試系統一般也是通過單點測溫[3]。隨著溫度的連續在線監控在工農業生產、科學實驗和日常生活中具有廣泛應用，并由過去的單點測量向多點測量、數字化、智能化的方向發展[4]，所以,需要利用多個溫度傳感器同時對多點溫度進行同步測量。

本文基于多只Pt100鉑電阻溫度傳感器，研制了多點溫度測量系統。通過不平衡電橋將多個Pt100阻值的熱效應變化轉換為電壓變化信號，經由放大電路處理，再利用數據采集卡將放大后的電壓信號轉換為數字量，并發送至計算機進行處理之后統一顯示和保存，整個系統經標定之后，成功實現了多點溫度的快速檢測。最后，利用研制的多點測溫系統，在LeaderWay V—450型數控加工中心的工作臺上選擇16點進行溫度測量，經過最小二乘擬合，成功獲取了加工中心運行時的工作臺整體溫度場分布狀態。

1 多點溫度測量系統組成

為多點溫度測量系統包括鉑電阻器、電橋、放大器、數據采集卡和工控機5個部分。其中，鉑電阻器接于電橋的一臂，當感受到溫度變化而引起阻值變化后，會引起電橋輸出電壓變化，放大器放大后通過數據采集卡轉換為數字信號并發送至工控機顯示并保存。

該系統選擇Pt100薄膜鉑電阻溫度傳感器，按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術標準[5]，鉑電阻在溫度變化范圍0～650 ℃內可保持良好的線性程度，溫度誤差為±(0.15+0.002|T|)℃。

電橋電路如圖1所示，包括3個定值電阻器，分別為R1,R2,R3，和一個Pt100薄膜鉑電阻器R4，其在基準溫度下的阻值記為Rpt。

圖1 電橋電路

設電橋輸入端接入電壓Uin，當Pt100阻值變化ΔRpt時，其輸出端電壓變化為

(1)

通常，由于ΔRpt?Rpt，式(1)可近似化簡為

(2)

為了提升電路測溫精度和穩定性，選擇差動放大器用于放大電橋輸出的電壓信號，如圖2所示。

圖2 差動放大器

差動放大器具有極高的共模抑制比，可有效減小零點漂移、外界共模噪聲對電路的影響[6]。

數據采集卡型號為美國國家儀器(National Instrument,NI)公司生產的USB 6210，可同時對16路電壓進行采集，16位電壓分辨率，采集速率為250 KS/s。

在工控機端，利用LabVIEW環境編寫了采集軟件[7]，可對采集到的電壓信號進行顯示和保存，如圖3所示為采集程序的程序框圖。

圖3 程序框圖

2 多點測溫系統標定

在實際應用時，由于電橋匹配的定值電阻器存在誤差，此外，Pt100制作工藝無法保證每一個Pt100都具有相同的理想溫度變化曲線，所以,為了保證測量系統的精度，必須對每一個Pt100進行標定試驗。

2.1 標定實驗方案

利用恒溫油槽，對測溫系統在10～90 ℃溫度范圍內進行標定，選用恒溫油槽的型號為FLUKE7320，內部液體為硅油，控溫-20～150 ℃范圍內穩定性為±0.007 ℃，均勻性為±0.01 ℃。

如圖4所示為標定實驗示意。標定時，首先將所有Pt100測頭置于控溫油槽中，并將油槽溫度設定為10 ℃，保溫30 min后，記錄油槽溫度設定值和每個Pt100對應放大器的電壓輸出值；之后設定恒溫油槽升溫，溫度每上升10 ℃，保溫30 min，記錄油槽溫度設定值和每個Pt100對應放大器的電壓輸出值，直到油槽溫度達到90 ℃。

圖4 標定實驗示意

相同的標定試驗一共進行了2組，第一組實驗標定原始數據用于通過最小二乘[8]算法擬合出每個Pt100對應放大器輸出電壓和溫度之間關系式t=KU+b，之后利用第二組實驗原始數據驗證標定誤差，在計算標定誤差的同時，可以同時驗證測量系統的穩定性[9]。

2.2 標定實驗結果

實驗一次對16個Pt100進行了標定，16個Pt100分別記為1#，2#，…，16#。最終的標定結果如表1所示。根據表1所示的標定結果可以看出，所有整個測量系統最大誤差不超過0.6 ℃。

表1 Pt100標定結果

3 數控加工中心工作臺溫度場測量

利用研制的多點測溫系統，對Leaderway V—450型數控加工中心工作臺的溫度場進行了測量。首先在整個工作臺上選取中間的350 mm×400 mm的區域均勻選取16個點安置溫度傳感器對工作臺多點溫度進行測量，各個傳感器的測點分布如圖7所示；測量時，機床工作臺以1 500 mm/min進給速度進行長方形循環運動，每隔10 min，記錄1次各點溫度傳感器的測量值，整個實驗持續時間為2 h。

圖5 傳感器測點分布

實驗結束后進行數據處理，各傳感器測點溫度測量數據變化如圖6所示。之后根據各點溫度測量值和對應溫度測點在工作臺上的安置坐標位置，利用最小二乘擬合算法擬合出整個工作臺的溫度場分布，經過擬合得到的加工中心運行10 min，1 h和2 h后的工作臺溫度場分布如圖7所示，限于篇幅，其他時間點的溫度場分布未給出。

圖6 實驗結果

圖7 溫度場分布

4 結束語

基于Pt100型鉑電阻溫度傳感器，研制了一種多點測溫系統，該系統可用于測量某一區域的空間溫度場分布，通過在工控機端編制的測量軟件，可以實時監控和保存測量結果。經過標定，整套系統在10～90 ℃溫度變化范圍內精度可達0.6 ℃。最后利用研制的測量系統，對數控加工中心整個工作臺臺面在運轉時的溫度場變化進行了測量。