程劉勝

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司, 江蘇 常州　213015;

2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州　213015)

經(jīng)驗(yàn)交流

礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

程劉勝1,2

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司, 江蘇 常州213015;

2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州213015)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)方法存在溫度測(cè)量范圍窄、誤差大的問題，設(shè)計(jì)了礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路。該電路選擇薄膜鉑電阻作為傳感元件，采用非線性電橋采集電路和運(yùn)算放大電路采集微弱變化的電阻信號(hào)，利用非線性和線性計(jì)算方法計(jì)算出電阻值，從而通過電阻值計(jì)算出被測(cè)部件的溫度值。實(shí)際應(yīng)用表明，該電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為礦用防爆無軌膠輪車電氣執(zhí)行部件可靠控制提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)支撐。

關(guān)鍵詞：無軌膠輪車； 溫度監(jiān)測(cè)； 薄膜鉑電阻； 最小二乘法； 誤差控制

0引言

礦用防爆無軌膠輪車目前已成為很多煤礦非常重要的輔助運(yùn)輸工具,其主要分為人車、貨車和特種車輛，分別完成煤礦井下人員輸送、物料運(yùn)輸、大型設(shè)備鏟運(yùn)及牽引(如液壓支架、重型電氣等設(shè)備的鏟運(yùn))。

由于礦用防爆無軌膠輪車沒有軌道限制，適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)靈活性好，其應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]。國家安監(jiān)部門以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)出臺(tái)了礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車方面的標(biāo)準(zhǔn)，如MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》、MT/T 990—2006 《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》、GB 20800.3—2008 《存在甲烷和(或)可燃性粉塵的地下礦區(qū)巷道用Ⅰ類內(nèi)燃機(jī)》。在這3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)防爆無軌膠輪車的溫度參數(shù)監(jiān)測(cè)及保護(hù)提出了多項(xiàng)要求，如柴油機(jī)冷卻液溫度、柴油機(jī)表面溫度、機(jī)車尾氣排放溫度、空壓機(jī)進(jìn)排氣溫度、機(jī)油溫度、液壓回路油溫、變矩器溫度、制動(dòng)器溫度等10多處溫度監(jiān)測(cè)。以上這些關(guān)鍵部件的溫度，不僅是安全參數(shù)，也是礦用防爆無軌膠輪車保護(hù)保養(yǎng)的重要參數(shù)[2]。如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求低于68 ℃，高于此溫度時(shí)，排放的氣體中可能帶有火花，會(huì)引燃機(jī)車運(yùn)行環(huán)境中的瓦斯而引起安全事故；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體循環(huán)冷卻的重要介質(zhì)，冷卻液溫度過高導(dǎo)致機(jī)體熱量無法散發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞拉缸燒瓦對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身是致命損害。目前，一般采用熱膨脹保護(hù)措施，通過膨脹液或者金屬的熱脹冷縮特性來實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)，當(dāng)溫度過高時(shí)，金屬延展片觸點(diǎn)熱脹導(dǎo)通，接通電磁閥回路，通過斷氣來停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),從而達(dá)到熱保護(hù)目的。通過金屬延展片的熱脹冷縮特性來監(jiān)測(cè)溫度，存在誤差較大的問題，且下降特性非常不好，時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)現(xiàn)有溫度監(jiān)測(cè)方法存在的問題，筆者設(shè)計(jì)了礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路。

1溫度監(jiān)測(cè)電路傳感元件選型

傳統(tǒng)的集成式溫度傳感器(如AD590、DS18B20)無法滿足礦用防爆無軌膠輪車測(cè)溫方面的現(xiàn)場(chǎng)要求。集成式溫度傳感器一般監(jiān)測(cè)范圍為-20～+125 ℃，而發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度高達(dá)148 ℃，集成式溫度傳感器無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度的監(jiān)測(cè)要求。為此，筆者選擇鉑電阻作為礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路的溫度傳感元件。鉑電阻的電阻值會(huì)隨著溫度變化而改變，通過電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可計(jì)算出當(dāng)前被測(cè)部件的溫度。鉑電阻的物理化學(xué)特性穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，應(yīng)用范圍廣泛[3]。實(shí)際應(yīng)用中以薄膜鉑電阻居多，薄膜鉑電阻用陶瓷和鉑特制而成，將鉑薄膜通過激光噴濺在陶瓷表層，然后覆蓋以陶瓷，這樣的工藝使得薄膜鉑電阻能夠承受高電壓并具有良好的絕緣性，同時(shí)具有良好的防振和防沖擊性，因而在高溫下能夠保持優(yōu)良的穩(wěn)定性，適合在-50～400 ℃溫度下使用。礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路將薄膜鉑電阻封裝在導(dǎo)熱性好的金屬材料內(nèi)部，如銅質(zhì)外殼，然后灌封導(dǎo)熱硅脂，在外殼表面配以合適螺紋，安裝到被測(cè)部件上。

2溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1電路原理

鉑電阻的阻值變化范圍為0.37～0.39 Ω/℃，屬于弱信號(hào)，一般采用差分比較，將微弱差分信號(hào)放大處理成單端信號(hào)，最后由微處理器采集計(jì)算?；谝陨纤悸?，設(shè)計(jì)了非線性電橋采集電路和運(yùn)算放大電路來采集微弱變化的電阻信號(hào)值。溫度監(jiān)測(cè)電路原理如圖1所示。在圖1中，C1，C2，C3，C4，C5為工頻濾波電容；VD4，VD5為TVS管，用于抑制瞬態(tài)脈沖以及靜電；VD2為微處理器端口穩(wěn)壓管，與R7一起保護(hù)單片機(jī)端口；VD1為單向?qū)ǘO管，在ADC端口出現(xiàn)過壓時(shí)VD1導(dǎo)通，使得ADC端口鉗位在VDD+0.7 V，VD1與VD2、R7同時(shí)使用，對(duì)微處理器端口進(jìn)行雙重保護(hù)。

信號(hào)傳輸過程：被測(cè)部件的溫度變化通過熱傳導(dǎo)方式傳導(dǎo)到鉑電阻(XS1)上，導(dǎo)致鉑電阻阻值發(fā)生變化；通過惠更斯電橋?qū)⒆兓碾娮柚缔D(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)并輸出至運(yùn)算放大電路，最后運(yùn)算放大電路輸出單端電壓信號(hào)給微處理器采集計(jì)算。

2.2電路關(guān)鍵參數(shù)匹配

電路設(shè)計(jì)中,運(yùn)算放大電路采用單電源供電， +Vs引腳接模擬電源A+5 V，-Vs引腳與模擬地線AGND接在一起。R5，R4，XS1和R3構(gòu)成一個(gè)基本的惠更斯電橋電路；R5，R4為一支橋臂，XS1和R3組成另外一支橋臂。電橋參數(shù)配置充分考慮了鉑電阻在0 ℃時(shí)的輸出電阻誤差，所以，在已知橋臂R5端并聯(lián)了電阻R6，使得R5//R6后略小于100.00 Ω，各電阻的參數(shù)匹配見表1，各電阻的精度均為0.5%。

表1　溫度測(cè)量電路中各電阻的參數(shù)匹配

電橋共模電壓+Vref可以通過代數(shù)計(jì)算消除，其值選定主要參考運(yùn)算放大電路的最大輸出電壓與共模輸入電壓之間的關(guān)系[4]，如圖2所示，一般+Vref選在+2 V左右，使得輸出電壓無截止現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖2　運(yùn)算放大電路的最大輸出電壓與共模輸入電壓的關(guān)系

3溫度監(jiān)測(cè)電路數(shù)學(xué)建模及誤差評(píng)估方法

為了反映被測(cè)溫度傳感器電阻值與溫度監(jiān)測(cè)電路輸出電壓之間的固定函數(shù)關(guān)系，建立了數(shù)學(xué)模型，給出了電橋的非線性計(jì)算方法以及由非線性方法提取的線性公式。實(shí)際計(jì)算中往往采用線性公式，且誤差在可控范圍之內(nèi)。

3.1非線性計(jì)算方法

圖1中電橋輸出的毫伏級(jí)差分信號(hào)經(jīng)R1、R2后至運(yùn)算放大器N1的2、3引腳，理論上N1的2、3引腳的壓差為

(1)

式中：Rx為被測(cè)鉑電阻阻值；Vref為電橋共模電壓。

微處理器采樣值與端口電壓之間的換算關(guān)系如下：

(2)

式中：x為微處理器采樣值；N為微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣位數(shù)；UADC為微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換端口電壓。

U32差分信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大電路后轉(zhuǎn)換為單端電壓信號(hào)UADC，放大倍數(shù)G由運(yùn)放器件外置電阻R8決定。

(3)

將式(1)、式(2)代入式(3)，并將表1中相關(guān)數(shù)值代入計(jì)算，設(shè)y=Rx，采樣位數(shù)N取10位模數(shù)轉(zhuǎn)換，整理可得

(4)

由式(4)可根據(jù)微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換值計(jì)算出當(dāng)前鉑電阻的電阻值，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣位數(shù)為其他值,如12、16采樣位數(shù)時(shí)，可將其重新代入式(1)—式(3),求解最終計(jì)算公式。

3.2線性計(jì)算方法

在實(shí)際應(yīng)用中，由式(4)可演變?yōu)榫€性公式來取代理論上的非線性計(jì)算方法，達(dá)到簡(jiǎn)便計(jì)算的目的，且誤差在可控范圍之內(nèi)。取式(4)曲線上零點(diǎn)和滿量程兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣值和電阻值：x=39，y=100.00 Ω(對(duì)應(yīng)0 ℃)；x=643，y=161.05 Ω(對(duì)應(yīng)160 ℃)。將兩點(diǎn)的值代入線性方程y=kx+b中,可以求出k和b的值:k=0.101 076；b=96.058 03。將k,b代入方程可得

y=0.101 076x+96.058 03

(5)

如果在溫度采集中，不標(biāo)校零點(diǎn)和滿量程溫度點(diǎn)，則式(5)中的k，b值可直接使用，作為默認(rèn)值寫入軟件中存儲(chǔ)。如果需要精確的溫度值，則需要標(biāo)校，程序中根據(jù)兩點(diǎn)重新計(jì)算k，b值并保存。不同的電路板，由于電子器件參數(shù)不一致性，k，b的值也不同。

3.32種計(jì)算方法的誤差評(píng)估

(1) 誤差范圍計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算中，如果不需要精確測(cè)量溫度，允許測(cè)量誤差在給定的誤差范圍之內(nèi)，則式(4)和式(5)均能滿足要求。如果需要精確測(cè)量溫度，則需要用標(biāo)準(zhǔn)電阻器對(duì)零點(diǎn)和滿量程溫度點(diǎn)進(jìn)行溫度標(biāo)校，如0，160 ℃。在軟件程序處理上，記錄零點(diǎn)溫度和滿量程溫度時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣值，重新計(jì)算線性方程的k,b值，并存入掉電保持存儲(chǔ)器，以便后期使用。

用式(5)來代替式(4)，絕對(duì)誤差≤0.37 Ω，即有些情況下可能導(dǎo)致1 ℃的誤差。將式(5)與式(4)相減,可得

Δy=0.101 076x+96.058 03-

x∈(0～160)

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行求導(dǎo),可求得其極值。當(dāng)x=81，Δy=0.368 6時(shí)，誤差小于溫度1 ℃時(shí)的分度值(0.37 Ω)。誤差曲線如圖3所示[3]。

圖3　線性與非線性公式絕對(duì)誤差曲線

在此例中，取零點(diǎn)、偏移最大點(diǎn)以及滿量程點(diǎn)共3組離散數(shù)據(jù)(0，80，160 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值，電阻數(shù)據(jù)放大10倍，數(shù)據(jù)中有2組數(shù)據(jù)相同，便于二次多項(xiàng)式擬合)：(x0，y0)=(1 000,1 000)；(x1，y1)=(1 312.8,1 309)；(x2，y2)=(1 312.8,1 309)；(x3，y3)=(1 610.5,1 610.5)。通過相關(guān)矩陣方程計(jì)算，可得二次曲線方程為

f(y)=(4.08×10-5)y2+0.894y+65.72

(7)

通過線性公式計(jì)算得到鉑電阻值后，將其代入式(7)，修正圖3中絕對(duì)誤差值，修正后的誤差曲線如圖4所示[3]，絕對(duì)誤差≤0.016 Ω，對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度控制可達(dá)到0.5 ℃以內(nèi)。

圖4　曲線擬合修正后的絕對(duì)誤差曲線

4由電阻值計(jì)算溫度值的3種方法

可通過如下3種方法實(shí)現(xiàn)由鉑電阻值求得被測(cè)部件的溫度。

(1) 公式計(jì)算法?！豆I(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》在可控溫度范圍內(nèi)給出了溫度值與電阻值之間的計(jì)算公式。通過反函數(shù)(式(8))[3]計(jì)算當(dāng)前部件的溫度。

(8)

式中：R(0 ℃)、A、B均為常量；R(t)為溫度為t時(shí)鉑熱電阻值。

(2) 分段線性計(jì)算法。仔細(xì)研究《工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》可發(fā)現(xiàn)，在0～160 ℃區(qū)間，溫度變化1 ℃，鉑電阻值大都變化0.37～0.39 Ω，但不是完全線性關(guān)系，可通過每隔15 ℃劃分一個(gè)線性區(qū)間來計(jì)算t=f(R)之間的對(duì)應(yīng)值，以避開式(8)開平方數(shù)學(xué)公式計(jì)算。舉例如下：

將上述數(shù)據(jù)代入t=f(R)=kR+b，可求得k=2.564 102，b=-256.410 2，即

t=f(R)=2.564 102R-256.410 2

(9)

其他區(qū)段按照式(9)的計(jì)算方法來計(jì)算線性公式。

(3) 查表法?！豆I(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》中同時(shí)列出了鉑電阻值和溫度值之間的對(duì)應(yīng)表，現(xiàn)已知電阻值，可通過查表方法得知對(duì)應(yīng)的溫度值。在軟件處理上,可將電阻值存儲(chǔ)在code空間的數(shù)組中。注意：由于電阻值帶有2位小數(shù)，可將其擴(kuò)大100倍后用無符號(hào)整型來存儲(chǔ)，這樣比直接用浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)節(jié)省code空間。隨著溫度不斷增加，電阻值對(duì)應(yīng)單調(diào)遞增，即數(shù)組中的數(shù)據(jù)已排序好，查找算法可采用“二分法”來實(shí)現(xiàn)，比順序查找效率要高。

以上3種計(jì)算方法中,公式計(jì)算法涉及數(shù)學(xué)計(jì)算開平方函數(shù)，浮點(diǎn)運(yùn)算量較大，但軟件代碼簡(jiǎn)潔；分段線性計(jì)算法代碼量較大，但當(dāng)判斷出溫度在某一個(gè)區(qū)間后，執(zhí)行指令較少；查表法采用“二分法”查表，代碼量適中，但錄入查表數(shù)據(jù)需要占據(jù)一定的code存儲(chǔ)空間。綜合考慮3種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)電路的實(shí)際情況,本文采用查表法。

5結(jié)語

鑒于礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)的重要性，選用薄膜鉑電阻作為傳感元件，設(shè)計(jì)了礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路并建立數(shù)學(xué)模型。該電路利用非線性和線性計(jì)算方法計(jì)算出電阻值，再通過電阻值計(jì)算出被測(cè)部件的溫度值。該電路已在WC5E、WC10E、WC40Y(D)等多種礦用防爆無軌膠輪車上使用。實(shí)際應(yīng)用表明，該電路運(yùn)行穩(wěn)定，為礦用防爆無軌膠輪車電氣執(zhí)行部件可靠控制提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)支撐。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1549.017.html

Design of temperature monitoring circuit of mine-used

explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle

CHENG Liusheng1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;

2.Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract:In view of the problem of measurement narrow range and great error of temperature monitoring method for existing mine-used explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle,a temperature monitoring circuit of mine-used explosion-proof trackless rubber-tyred vehicle was designed. The thin film platinum resistor was chosen as the sensing element of the circuit, nonlinear bridge sampling circuit and operational amplifier circuit were used to collect weak resistance signals, nonlinear and linear calculation method were used to calculate the resistance value, so as to calculate the temperature of tested unit by resistance value. The actual application shows that the circuit is stable and reliable in running, which provides a stable foundation support of reliable control for mine-used explosion-proof electrical rubber-tyred vehicle.

Key words:trackless rubber-tyred vehicle; temperature monitoring; thin film platinum resistance; the least square method; error control

作者簡(jiǎn)介：程劉勝(1983-),男,安徽桐城人,工程師，碩士,主要從事煤礦車載監(jiān)控產(chǎn)品的開發(fā)工作，E-mail：iter2002@163.com。 徐杰(1984-)，男，江蘇海安人，工程師，碩士，主要從事煤礦通信類產(chǎn)品的開發(fā)工作，E-mail：258163031@163.com。

基金項(xiàng)目：天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司科研項(xiàng)目(15SY001-02)。 天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司科研項(xiàng)目(15SY001-05)。

收稿日期：2015-08-10；修回日期：2015-11-19；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。 2015-09-29；修回日期：2015-12-17；責(zé)任編輯：胡嫻。

中圖分類號(hào)：TD525

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-01-26 15:49

文章編號(hào)：1671-251X(2016)02-0067-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.017

程劉勝.礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(2)：67-71.