金屬熱電阻溫度傳感器在多路溫度監控系統中的

摘要:熱電阻具有測溫范圍大.穩定性好和耐氧化等特點，在溫度測量中占有重要的地位。分析了金屬熱電阻溫度傳感器的工作原理。以鉑金屬溫度傳感器PT100為例給出了其在多路溫度監控系統中的應用。該系統由溫度傳感器PT100.觸摸屏、可編程控制器、溫度模塊等組成，由于溫度模塊、觸摸屏、可編程控制器可對輸入量同時采用硬件和軟件的非線形補償,故具有精度高、可靠性較好、電路簡單、成本低、體積小、生產調試方便等特點。
一、鉑熱電阻傳感器
　　熱電阻傳感器是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化來測量溫度的一種溫度敏感元件,它的特點是精度高，靈敏度高，測量范圍大，無需參考點。金屬熱電阻傳感器的感溫元件是由純金屬制成。當溫度變化時，感溫元件的電阻值隨溫度而變化，這樣就可將變化的電阻值作為電信號輸入測量儀表,通過測量電路的轉換，即可得到被測溫度。
1、工作原理
　　實驗表明，許多純金屬的電阻率在很寬的溫度范圍內可以用布洛赫格林愛森公式描述，即:
 
　　由(2)式可見，在德拜溫度附近的“高溫”下，金屬的電阻率與溫度成正比。制作熱電阻的理想材料有鉑、銅、鎳等。金屬熱電阻根據感溫元件的材料及適用溫度范圍一般可分為鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻和低溫用熱電阻等。
2、鉑熱電阻傳感器
　　鉑熱電阻由以金屬鉑作為感溫元件。它的特點是:線性度好、測量準確、互換性好、抗振動沖擊的性能好。鉑熱電阻的使用溫度范圍是-200C~850℃，其電阻與溫度的關系為:
 
　　鉑熱電阻由于易于提純，在氧化介質和高溫下的物理化學性能及其穩定，工藝性好，可拉成極細的絲，因此，除用作一般的工業測溫外，在國際實用溫標中，作為從-259.34C~630.74℃溫度范圍內的溫度基準。
二、鉑熱電阻溫度傳感器在多路溫度監控系統中的應用
1、系統構成
　　本系統為32路溫度監控系統，其中溫度傳感器采用三線式鉑熱電阻溫度傳感器PT100，溫度模塊DVP-04PT作為信號采集單元，一個溫度模塊可采集4路溫度信號，共采用8個溫度模塊,溫度模塊不占用PLC系統I/O點數。可編程控制器采用臺達DVP-SS系列PLC,人機界面采用DOPA57CSTD型256色液晶顯示觸摸屏，系統結構如圖1所示。
 
2、觸摸屏及其在系統中的作用
　　采用中達電通DOPA57CSTD型256色液晶顯示觸摸屏，用以實現各控制點參數的動態顯示、系統參數設定、故障診斷提示等功能、各裝置工藝流程圖等。具有畫面中元件使用權限等級設定功能。其中觸摸屏畫面首頁如圖2所示，具體某一路溫度的監控畫面(含溫度實時曲線和數字顯示)如圖3所示。溫度集中.監控是指32路溫度數據在同一畫面上集中顯示，分區監控是根據工藝需要將一部分(如某幾個監控點)溫度數據及相關參數(如報警值、適時曲線等)進行部分數據資料的組合式集中監控，系統參數設定可進行時間設定、亮度調整、相關參數的初始化等，溫度報警范圍設定主要用以設定報警上下限溫度值，系統故障提示畫面主要用來顯示溫度模塊、電源模塊、PLC程序、傳感器等可能出現的故障狀態，以便于在系統出現故障時維護人員能及時處理，縮短故障排除時間，提高系統維護效率。通道開啟設定用來開啟或關閉32個通道的部分或全體，用以配合進行傳感器故障診斷、避免傳感器非工作狀態下不必要的溫度顯示等，系統操作使用說明可幫助操作人員掌握整個系統的操作要領，操作等級權限設定主要用于驗證、設定相關操作的權限級別，確保系統運行安全可靠。
 
3、PLC與測溫模塊
　　本控制系統采用臺達DVP-SS系列PLC,可編程控制器的主要作用是從溫度模塊讀取相應的各通道溫度數據，接收來自觸摸屏的相關參數設定，并通過繼電器輸出控制相關溫控設備的起停進而達到多路溫度自動控制的目的。系統所用溫度模塊的具體型號為DVP04PT-S.一個溫度模塊可接受外部4點鉑金屬溫度傳感器，將之轉換成14位數字信號。通過DVP-PLC主機程序的FROM/TO指令來讀寫模塊內的數據，模塊內具有49個CR(ControlledRegister)緩存器，每個緩存器有l6Bits.可選擇攝氏溫度或華氏溫度，攝氏溫度輸入解析度為0.1℃，華氏溫度輸入解析度為0.18下。
　　在鉑電阻溫度測控系統中，一般的做法是將鉑電阻經溫度變送器轉換成電壓,再經放大和A/D轉換后送入微機,經計算獲得測量值。在某些場合下要求很高的測量精度,這時要求A/D轉換器、變送器都應有較高的精度。鉑電阻器自身的非線性，對變送器的設計有一定的要求，否則不能保證測量精度，另外在工業現場中，存在電源波動以及大量的電磁和噪干擾,設計變送器時要充分地考慮這些影響，才能保證測量精度。溫度模塊DVP04PT-S成功地解決了以上問題，測試結果表明，在-200℃~600℃范圍內，輸入電阻值與溫度的對應關系完全符合鉑100熱電阻分度表。
4、鉑熱電阻傳感器的選擇.及偏差補償
(1)選用兩線式鉑電阻溫度傳感器PT100
　　從測溫點到測量變換電路之間的布線長度少則幾米，多則幾十米甚至上百米，這樣長的連接導線，即使不計熱噪電阻，它自身的引線電阻也是相當可觀的。如50~100m長的連接導線，引線電阻--般為4~10Ω。而對常用的Pt100鉑電阻來說，溫度的變化率約為0.39Ω/℃，與該變化率相比，引線電阻對測量精度的影響不容忽視。
　　針對熱電阻測量中引起誤差的主要原因，提出一種通過觸摸屏進行誤差補償的方法，可以有效消除引線電阻的影響，由于導線阻值擊其他因素所造成的現場實際溫度與觸摸屏顯示溫度的偏差可方便地進行補償校正，操作方便直觀，其中1-8通道溫度偏差補償畫面如圖4所示。圖中溫度值顯示在系統調試校準時，可方便于溫度偏差的獲取。
 
(2)選用三線式鉑電阻溫度傳感器PT100
　　一般熱電阻的阻值在幾十至幾百歐范圍內變化。熱電阻的引線常處于被測溫度環境,溫度波動較大,其阻值隨溫度的變化難以估計和修正。為了消除導線電阻影響,引線常采用三線制,使測量誤差得到了-定的補償,但導線的影響依然存在。由于引線電阻的大小隨現場施工條件而變化,測量和補償都比較困難。本系統采用偏差和增益兩種補償方式，由于鉑電阻器自身的非線性所造成的數值誤差已通過溫度模塊解決，而由于導線電阻帶來的影響可通過觸摸屏偏差、增益設定和相關PLC程序解決，因而系統具有較高的測溫精度。
三、結語
　　利用鉑熱電阻溫度傳感器線性度好、測量準確、互換性好、抗振動沖擊的性能好的特點。采用觸摸屏、溫度模塊、PLC組成多路溫度監控系統，實現了穩定、可靠的實時數據監控，并實現了溫度模塊組、PLC程序、傳感器工作狀態等軟、硬件比較綜合的故障適時診斷功能，縮短了故障診斷的時間，提高了工程技術人員進行系統維護的效率。該控制系統具有可靠性高、操作方便、易于維護等特點。將溫度模塊調整為DVP-04AD模擬信號輸入模塊、DVP-04TC溫度量測模塊(J/K熱電耦)、DVP-06XA模擬輸入輸出混合模塊,配合不同的傳感器和變送器，可進行溫度、濕度、壓力、流量等多種參數的集中監控，成熟的模塊化電路、靈活可靠的PLC技術、直觀方便的觸摸屏人機畫面、多種模塊與PLC主機的積木化安裝，使得整個控制系統安裝、調試、操作、維護方便，具有精度高、可靠性好、體積小、生產調試方便等特點，具有一定的推廣價值。