CN104046713B - 一种高精度高炉热负荷无线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度高炉热负荷无线检测方法，属于高炉热负荷检测领域。本发明包括无线测温仪、温度采集终端和上位机，无线测温仪实时检测高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端；温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机；上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化显示并进行历史数据保存。本发明提高了热负荷测量精度及稳定性，通过ZigBee无线网络进行数据传输，无需铺设高温电缆，节省了大量的成本。

Description

一种高精度高炉热负荷无线检测方法

本发明专利申请是针对申请号为：2013104228879的分案申请，原申请的申请日为：2013年9月16日，发明创造名称为：一种高精度高炉热负荷无线检测系统及其检测方法。

技术领域

本发明属于高炉热负荷检测领域，特别涉及基于ZigBee协议的无线技术和高炉冷却壁热负荷检测技术的融合，主要完成高炉冷却壁热负荷信号的无线传输。

背景技术

高炉冷却系统热负荷在线检测技术的应用对高炉的长寿高产、事故隐患的避免十分重要。高炉热负荷由高炉冷却水水温差及进出水流量决定，热负荷直接反映了高炉冷却制度及炉内煤气流的分布，属于高炉状态实时监控的核心监测系统。如果能及时了解炉内各部位热负荷的变化，并能采取相应的处理措施维持合理的冷却制度(如提高水压、增加冷却水量、减少冷却壁串联块数等)，就能保证将热负荷控制在允许的范围内，这对于稳定高炉冷却制度、保证高炉安全高产、强化高炉冶炼、延长高炉使用寿命以及减少高炉事故隐患具有非常重要的实际意义。高炉必须保持合理的冷却制度，使得高炉各部位的用水量与其热负荷相适应。高炉的生产和研究证实，高炉各部位的热负荷被设计确定后，当热负荷设计过大时，势必加大冷却水的供水量，也就是说会造成冷却强度过大，引起炉衬结厚等症状，从而影响高炉合理的冷却制度；如果热负荷设计太小，意味着供水量减少，会造成冷却效果差，炉内形不成渣皮，导致炉衬侵蚀加快，冷却壁过早被损坏。随着高炉冶炼的强化，炉身下部侵蚀严重，因此安装的热负荷在线检测系统，可以实时监控炉身部位的热负荷的变化、保持合理的高炉操作制度。

近几年国内炼铁高炉炉缸烧穿事故接连不断，2010年8月沙钢1#(2500M³)炉缸烧穿，重钢1200M³高炉渣口下方炉皮烧穿，2011年元月鞍钢新1#炉(3200M³)炉缸烧穿，2011年10月南钢5#炉，及马钢一铁10#炉均发生相关事故，造成难以弥补的人身、财产重大损失。究其原因均是没有完善的炉缸监测系统，无法及时发现炉缸侵蚀的部位，及时采取有效措施。高炉冷却水监测系统由水温检测、流量检测、数据处理中心、系统软件和通讯几部分组成，其中最核心的部分即为水温检测系统。水温检测系统的稳定性、精度直接决定了高炉冷却水监测系统的性能及有效性。

目前国内传统的热负荷检测系统传感器前端绝大多数采用有线测量方式，在实际使用中也有着一些难以克服的缺陷，具体分析如下：

(1)高温电缆的耗费大。由于一般高炉炉喉环境温度较高，必须使用高温电缆对测温节点进行供电和通信，传统的热负荷测量方式，每个测温节点至少要消耗三根高温电缆。据现场调研，马钢某座高炉共计有800多个冷却水温检测节点需消耗2400多根高温电缆，而现在市场上的高温电缆非常昂贵，所以传统的热负荷测量方式成本非常高，且制作高温电缆需耗费的大量的金属材料和耐高温绝缘材料，在我国现有资源紧缺的情况下，采用有线测量方式不利于产业链的延续。

(2)施工复杂。传统的热负荷测量方式，采用高温电缆进行供电和通信，而高炉冷却壁环境恶劣，人工放置高温电缆极为不便，所以传统的热负荷测量方式施工复杂，给现场施工带来极大的不便。

(3)网络管理和维护难度大。由于传统的热负荷测量方式，采用高温电缆进行供电和通信，发生故障时要耗费大量的人力、物力排查和重新铺设高温电缆，所以传统的热负荷测量方式给网络的管理和维护来极大的不便。据调研，马钢一座大型高炉的冷却水温检测每年的维保费用常常达到几十万之多，如果能够更新测温系统技术，使得通信网络能够自我维护，以整个马钢9座高炉测算，节省下的维保费用就数以百万计。

(4)网络结构单一、网络通讯可靠性低。传统的热负荷测量方式为了减少传输线路上的干扰，只能采用单一的网络拓扑结构，而在恶劣的现场环境下很难按照单一的网络拓扑来铺设高温电缆。而且传统的热负荷测量方式多采用单总线方式进行数据传输，节点与节点相互影响，一个节点出现故障，很可能影响整个通讯网络，这就降低网络通讯的可靠性。

(5)高炉出铁口处环境恶劣，温度高，高温铁水经常会溅射到周围电缆上，将电缆融化，且高炉出铁口处采用有线测量方式也不利于现场施工。如果采用无线测量方式将从根本上解决这些问题。

通过专利检索，现有技术中已有采用无线技术实现高炉水温系统的检测。如中国专利申请号：201210265426.0，申请日：2012年7月30日，发明创造名称为：一种无线高炉冷却水温差在线测量系统，该申请案包括网络服务器、工控计算机、数据转换器、接收站点以及发射节点；其中，所述发射节点将检测到的水温信息发送给接收站点；所述接收站点将接收到的所述温度信息通过所述数据转换器发送给所述工控计算机；所述工控计算机用于将接收的所述温度信息发送给所述网络服务器，该系统每个测温点均采用数字测温芯片、无线数字传输方式，使得测温点没有任何与外界连接的线缆。但是，该申请案中测温点均采用数字测温芯片，数字温度传感器在实际使用中也有着一些难以克服的缺陷。如温度检测仪表精度不高，水温差每相差0.1℃，热负荷值将影响10％，并且在炉缸层因耐材较厚，也就是说如果温度检测仪表精度达不到±0.1℃，热负荷可能会出现负值将显示为零，也就失去其监测的意义。针对该申请案，具体说明如下：

(1)数字温度传感器的精度较低，现在市场使用的DS18B20数字温度传感器，其最小分辨率可达到0.0625℃，精度则为±0.5℃，而一般高炉炉喉冷却水包的进出热负荷要求控制在0.3～0.7℃，超出这个工作范围工作人员就要采取一些措施，要是超过0.9℃则意味着出现事故，人员可能就要撤离了。因此，使用数字温度传感器还是有着相当大的事故隐患。

(2)数字温度传感器为三引脚芯片结构，一般配以51或AVR单片机构成温度检测系统，由于封装在不透水不透气的密闭套管里，同时高炉工作时传感器所处环境恶劣，各类干扰非常大，所以其稳定性不高，遇到传感器损坏时需要经常更换检测探头。

(3)数字温度传感器采用单线传输模式，信号的输入输出均为一根线，这就导致了检测探头更换时往往需要设备厂商派出工程师携带专门设备进行现场复位，进而产生维保费用。

本发明在设计初期，该高炉热负荷无线检测系统拟采用基于ZigBee协议的无线通讯方式，通过电池供电，无需高温电缆，ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议，ZigBee的主要特点是：(1)ZigBee模块通过电池供电，通过ZigBee无线网络进行数据传输，在现场使用无需铺设电缆，节省了大量的成本。(2)低功耗。在正常供电模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作数月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。(3)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。(4)高容量。ZigBee可采用多种网络拓扑结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。(5)高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(AccessControlList,ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。(6)ZigBee网络自组织，在ZigBee协议的协调下，ZigBee网络可以自动识别新增的节点，同时自动切除故障节点。网络的维护和管理全部在ZigBee协议的协调下自动进行，无需人工管理和维护。

虽然采用基于ZigBee协议的无线测量方式与传统的有线测量方式相比，有着显著的优势，但采用ZigBee协议的无线测量方式在热负荷测量领域存在的最大难点是：

(1)若一个节点出现故障，将导致其附属的子节点无法正常通信；

(2)使用寿命不长，虽然ZigBee模块功耗低，普通电池可供一个测温仪表工作数月，但高炉环境恶劣，更换电池极为不便，实际生产中要求测温仪表使用寿命在2年以上。这些都是针对无线检测技术急需解决的技术问题，此外，现有技术中高炉冷却壁热负荷检测系统的可靠性和稳定性需要进一步提高。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中高炉冷却壁热负荷有线测量方式的不足，提供了一种高精度高炉热负荷无线检测方法，采用本发明的技术方案，将基于ZigBee协议的无线通讯技术运用于高炉冷却壁热负荷检测领域，降低了施工复杂度、网络管理及维护难度，同时提升了网络拓扑结构的多样性，网络通讯的可靠性。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测系统，包括无线测温仪、温度采集终端和上位机，所述的无线测温仪包括Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述的Pt1000温度传感器用于检测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高炉冷却水流量，上述的Pt1000温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信号处理电路，温度及流量信号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接，所述的电源模块分别与Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块为电池，无线测温仪实时检测高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端；

所述的温度采集终端包括ZigBee无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块和电源模块，所述的ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处理器相连接，所述的处理器输出端连接有声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显示模块用于实时监控各无线测温仪的运行状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块、处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端供电，该电源模块为有线供电形式，温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机；上述的无线测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集终端通过RS485总线依次串接，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有终端电阻，无线测温仪与温度采集终端组成MESH网络，并采用断续工作模式，该无线测温仪与温度采集终端通信方式为基于ZigBee协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议；

所述的上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通讯方式为RS485平衡式差分通讯。

更进一步地说，所述的温度及流量信号处理电路包括温度信号处理电路和流量信号处理电路，其中温度信号处理电路包括Pt1000处理电路和AD转换器，所述的Pt1000处理电路包括三线制Pt1000、减法器一、减法器二和新型电桥电路，所述的新型电桥电路包括第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt、参考电阻R_ref和限流电阻Ri，上述的第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt和参考电阻R_ref依次串联，限流电阻Ri的一端接在第一调零电阻R1和参考电阻R_ref之间，限流电阻Ri的另一端接至电源，所述的三线制Pt1000的三个引脚分别与参考电阻R_ref、第二调零电阻R2和地相连；所述的减法器一取参考电阻R_ref两端的电压作为AD转换器的参考电压，减法器一的输出端与AD转换器的参考电压输入端相连，减法器二的“+”端与三线制Pt1000的正极相连，减法器二的“-”端与第二调零电阻R2的一端相连，减法器二的输出端与AD转换器的模拟信号输入端相连，AD转换器的数字信号输出端与低功耗处理器相连。本发明设计的温度信号处理电路，是为了提高温度测量的精度和稳定性。

更进一步地说，所述的无线测温仪采用防护等级高于IP67的壳体作为防护外壳，所述的温度采集终端采用防护等级高于IP66的壳体作为防护外壳。

本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其步骤为：

步骤一：

无线测温仪间隔2分钟检测一次高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端，所述的无线测温仪采用断续工作模式，即无线测温仪在正常情况下使仪表中的所有芯片处于待机状态，只有接收到父节点的请求指令后才将所有芯片唤醒，唤醒后进行AD采样和中值滤波处理，并将采集到的温度及流量信号发送出去，将温度及流量信号发出去后又回到待机状态；其中：所述的无线测温仪包括Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述的Pt1000温度传感器用于检测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高炉冷却水流量，上述的Pt1000温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信号处理电路，温度及流量信号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接，所述的电源模块分别与Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块为电池；

步骤二：

温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机，其中：所述的温度采集终端包括ZigBee无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块和电源模块，所述的ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处理器相连接，所述的处理器输出端连接有声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显示模块用于实时监控各无线测温仪的运行状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块、处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端供电，该电源模块为有线供电形式，上述的无线测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集终端通过RS485总线依次串接，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有终端电阻，无线测温仪与温度采集终端组成MESH网络，该无线测温仪与温度采集终端通信方式为基于ZigBee协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议；

步骤三：

上位机通过如下公式计算高炉热负荷Q：Q＝ΔT×F×CPn，其中：ΔT＝∑0T_排水温度/n-T_{进水 温度}，ΔT即为水温差；F：冷却水流量；CPn：整定系数，CPn＝4.1817/10＝0.41817；其中：所述的上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通讯方式为RS485平衡式差分通讯。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其中的无线测温仪通过电池供电，通过ZigBee无线网络进行数据传输，无需铺设高温电缆，节省了大量的成本，从根本上解决了传统的热负荷测量方式无法在出铁口进行测量的缺陷；同时施工难度大大降低，节省了大量的人力、物力。

(2)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其ZigBee网络自组织，在ZigBee协议的协调下，ZigBee网络可以自动识别新增的节点，同时自动切除故障节点，网络的维护和管理全部在ZigBee协议的协调下自动进行，无需人工管理和维护，节省了大量的维保费用；同时，ZigBee采用MESH组网，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网，每个节点有自己特有的信道，一个节点出现故障不会影响整个通讯网络，从而提高网络通讯的可靠性。

(3)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，采用Pt1000铂电阻作为温度传感器，并采用本发明创新设计的温度信号处理电路，提高了热负荷测量精度及稳定性，具体包括如下三方面：a)高分辨率，Pt1000温度系数为TCR＝3850ppm/K，配合本发明的温度信号处理电路，分辨率可达0.001℃；b)高精度，采用Pt1000作为温度传感器，配合本发明设计的新型比率电桥温度补偿电路，以测量精度等于10～20倍的分辨率计算，测量精度可达0.02℃，完全满足高炉热负荷对测量精度的要求；c)高稳定性，本发明采用Pt1000铂电阻作为温度传感器，配合本发明创新设计的温度信号处理电路使得AD转换器输出的数字量只跟pt1000零度电阻R₀和参考电阻R_ref有关，所以本发明设计的高炉热负荷无线检测系统适合在恶劣的环境下进行长期稳定的测量。

(4)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其无线测温仪的工作采用断续工作模式可大大延长电池使用寿命，采用本发明的断续工作模式使得无线测温仪大部分时间处于待机状态，而芯片处于待机状态下的功耗极低，可忽略不计。测温仪表处于发送状态时的最大功耗为30mA，2min采集一次，采集一次所费时间为：1.5s，则一节8500mAh电池可使用的寿命为：而现有的技术电池的使用只能达到数月，所以采用断续工作模式大大延长电池使用寿命。

(5)本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法，采用MESH组网方式，MESH网络为一种网状网络结构，除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之问进行通信，它是树形网络基础上实现的，与树形网络不同的是，MESH网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模，该拓扑结构的优点是减少了消息延时，增强了可靠性和稳定性，本发明彻底解决了传统的热负荷测量方式和现有专利无法克服的缺陷。

附图说明

图1为本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测系统的通讯示意图；

图2为本发明中无线测温仪的硬件设计框图；

图3为本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测方法中无线测温仪程序流程图；

图4为本发明中温度采集终端的硬件设计框图；

图5为本发明中上位机设计框图。

图6为本发明中温度信号处理电路的设计框图，其中：1、Pt1000处理电路；2、AD转换器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1、图2、图3、图4和图5，对本发明的一种高精度高炉热负荷无线检测系统及其检测方法进一步说明如下。本实施例的一种高精度高炉热负荷无线检测系统，包括无线测温仪、温度采集终端和上位机。如图2所示，本实施例中无线测温仪包括Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述的Pt1000温度传感器用于检测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高炉冷却水流量，上述的Pt1000温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信号处理电路，温度及流量信号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接，所述的电源模块分别与Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块为电池，无线测温仪实时检测高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端。由于高炉冷却壁的测温节点数多，采用ZigBee协议的无线网络进行通信，大大降低了施工难度，节省了大量人力、物力。无线测温仪安装在高炉冷却壁测温点，环境最为恶劣，空气潮湿，能见度低，所以选用防护等级高于IP67的壳体作为无线测温仪表的防护外壳。为了延长无线测温仪表的使用寿命，选用大容量电池(8500mAh左右)。为了延长电池使用寿命，无线测温仪所有芯片选用低功耗芯片，且都可以通过微处理器控制其处于待机模式。

本发明采用电磁流量计作为流量传感器，电磁流量计可以对高炉某一流、某一段冷却水流量进行准确无误地测量，所以高炉热负荷检测精度主要取决于高炉水温差检测精度，而高炉水温差高精度测量取决于温度信号处理电路，温度检测精度主要由温度分辨率决定。所以设计一套合理的温度信号处理电路对于提高高炉热负荷检测精度具有重要的意义。本发明在综合考虑传统Pt1000温度信号处理电路缺陷的基础上，设计了新型比率电桥温度补偿电路，即本发明中的Pt1000温度信号处理电路。

传统的Pt1000温度信号处理电路采用普通电桥电路或恒流源驱动电路。其中，普通电桥电路的主要缺陷有：①由于普通电桥电路中的AD转换器的参考电压由独立的高精度参考电压源，所以AD转换器输出的数字量与Pt1000阻值呈非线性关系；②普通电桥电路为了实现高精度温度测量必须使用高精度参考电压源，而高精度参考电压源价格高，且其电压值受环境温度的影响较大，所以普通电桥电路不利于在恶劣的现场环境下使用；③普通电桥电路只能使用两线制Pt1000，所以测量精度受导线电阻影响较大。

恒流源驱动电路通过恒流源使得流过Pt1000的电流恒定，AD转换器输出的数字量与Pt1000阻值呈非线性关系，且恒流源驱动电路可采用三线制Pt1000来抵消导线电阻的影响。但恒流源驱动电路本身存在难以克服缺陷：①测温分辨低，恒流源驱动电路需要在分辨率与Pt1000自发热之间折中，这就限制了测温分辨率的提高；②Pt1000自发热大，为了提高分辨率只能提高流过Pt1000的电流值，这就使得Pt1000自发热大，从而影响Pt1000测量精度；③恒流源驱动电路为了实现高精度温度测量必须使用高精度参考电压源，而高精度参考电流源价格高，且其电流值受环境温度的影响较大，所以恒流源驱动电路也不利于在恶劣的现场环境下使用。

本发明采用新型比率电桥温度补偿电路，既结合了普通电桥电路和恒流源驱动电路各自的优点，又克服了两者的缺陷。以新型比率电桥温度补偿电路作为Pt1000的温度处理电路，对提高高炉热负荷检测精度具有重要的意义，新型比率电桥温度补偿电路的电路拓扑如图6所示。本实施例中的温度及流量信号处理电路包括温度信号处理电路和流量信号处理电路，其中温度信号处理电路包括Pt1000处理电路1和AD转换器2，所述的Pt1000处理电路1包括三线制Pt1000、减法器一、减法器二和新型电桥电路，所述的新型电桥电路包括第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt、参考电阻R_ref和限流电阻Ri，上述的第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt和参考电阻R_ref依次串联，限流电阻Ri的一端接在第一调零电阻R1和参考电阻R_ref之间，限流电阻Ri的另一端接至电源，所述的三线制Pt1000的三个引脚分别与参考电阻R_ref、第二调零电阻R2和地相连；所述的减法器一取参考电阻R_ref两端的电压作为AD转换器2的参考电压，减法器一的输出端与AD转换器2的参考电压输入端相连，减法器二的“+”端与三线制Pt1000的正极相连，减法器二的“-”端与第二调零电阻R2的一端相连，减法器二的输出端与AD转换器2的模拟信号输入端相连，AD转换器2的数字信号输出端与低功耗处理器相连。图6中的r1、r2、r3为三线制Pt1000导线等效电阻，限流电阻Ri用于防止流过Pt1000的电流过大，引起Pt1000自发热，导致测量结果出现较大误差。为了尽量减少Pt1000自发热对测量结果的影响，同时又兼顾参考电压的输入范围，限流电阻Ri的阻值取值范围为：15K～20K。I为流过Pt1000的电流，减法器一、减法器二可通过运放构成，也可使用将两者集成到一起的AD转换器，如ADI公司的AD7705。由图6可得：

V_in+＝I(Rt+r2)+U₀…………………………………………………………(1)

$V_{\mathrm{in}-}=I(\mathrm{Rt}+r2+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R2+r1}{R1+R2+r1}+U_0...\left(2\right)$

上述式(1)和(2)相减后可将U₀消去得：

$V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{in}+}-V_{\mathrm{in}-}=I(\mathrm{Rt}+r2)-I(\mathrm{Rt}+r2+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R2+r1}{R1+R2+r1}...\left(3\right)$

又知：V_ref＝V_ref+-V_ref-＝I×R_ref

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{I(\mathrm{Rt}+r2)-I(\mathrm{Rt}+r2+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R2+r1}{R1+R2+r1}}{I\×R_{\mathrm{ref}}}\×2^N...\left(4\right)$

其中：N为AD转换器2的位数，r1、r2、r3为三线制Pt1000三根引线的等效电阻，I为流过Pt1000的电流，U₀为Pt1000引线电阻r3两端的电压，R1为第一调零电阻，R2为第二调零电阻，R_ref为参考电阻，Rt为Pt1000铂电阻阻值。

式(4)中分子分母都含有电流I，将电流I约去得：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{(\mathrm{Rt}+r2)-(\mathrm{Rt}+r2+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R2+r1}{R1+R2+r1}}{R_{\mathrm{ref}}}\×2^N...\left(5\right)$

存在如下关系：

Rt＝R₀+ΔRt

R₀＝R2

………………………………………………………………(6)

R_ref＝R1

r1＝r2＝r3＝r

其中：R₀为Pt1000在0℃时的阻值，R₀＝1000Ω，ΔRt为Pt1000铂电阻阻值与R₀之差即：

ΔRt＝Rt-R₀。

代人以上关系，式(5)可化为：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{(\mathrm{\ΔRt}+R_0+r)-(\mathrm{\ΔRt}+R_0+r+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R_0+r}{R_{\mathrm{ref}}+R_0+r}}{R_{\mathrm{ref}}}\×2^N...\left(7\right)$

化简得：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{\ΔRt}}{R_{\mathrm{ref}}+R_0+r}\×2^N...\left(8\right)$

其中：导线电阻r处于分母位置，且r<1Ω，即远小于R₀和R_ref，所以可忽略不计，传统的电桥电路中导线电阻r处于分子位置，在测低温时会引起较大的测量误差。

式(7)可进一步化简为：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{\mathrm{\&Delta;Rt}}{R_{\mathrm{ref}}+R_0}\&times;2^N...\left(9\right)$

$\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{Rt}}_{\max }}{R_{\mathrm{ref}}+R_0}\&le;\frac{1}{16}...\left(10\right)$

高炉冷却水的测温范围：0～70℃，查Pt1000分度表Pt1000阻值与温度对应关系的标准表可知，70℃条件下，Pt1000的阻值为：1270.751Ω，ΔRt_max＝1270.751-1000＝270.751Ω，N＝20的低速AD转换器，价格便宜，如ADI公司的AD7799，所以AD转换器的位数选择为N＝20。根据式(10)的不等式关系，可得：R_ref≥ΔRt_max×16-R₀＝270.751*16-1000＝3332.016Ω，取R_ref＝3.6K，Pt1000的温度系数为TCR＝3.85Ω/℃，由式(9)可得：

$\mathrm{\&Delta;Rt}=\frac{(R_{\mathrm{ref}}+R_0)\&times;{\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}}{K\&times;2^N}...\left(11\right)$

$\mathrm{\&Delta;T}=\frac{\mathrm{\&Delta;Rt}}{\mathrm{TCR}}...\left(12\right)$

令式(11)中AD_out＝1，代人式(12)可得新型比率电桥温度补偿电路的测温分辨率：

系数N＝16、TCR＝3.85Ω/℃、R0＝1000Ω都可设为定值所以测温分辨率只跟参考电阻R_ref有关，与参考电压无关，根据以上分析可知新型比率电桥温度补偿电路的特点：①分辨率高，根据式(13)可知新型比率电桥温度补偿电路的测温分辨率测温测量分辨率高达0.001℃；②大大减小了导线电阻对测量精度的影响，由式(8)到式(9)的推导可得；③电路简单，现在市场上许多AD转换器将K＝2n的程控放大器、减法器、AD转换器集成到一起，如ADI公司的AD7799，AD7799价格便宜，性能好。AD7799为24位AD转换器，应用时可取AD值的高20位，丢掉低4位。如果采用这样的AD转换器则会大大简化电路，这也是新型比率电桥温度补偿电路可以应用的另一个原因；④温漂小，采用集成AD转换器，由式(9)可知，AD转换器输出的数字量ADout只跟R0和参考电阻R_ref有关，R0漂移小于等于0.04％，温漂小于等于0.025％的定值电阻价格便宜，容易买到，所以新型比率电桥温度补偿电路适合在恶劣的环境下可以进行长期稳定的测量；⑤AD转换器输出的数字量ADout与Pt1000阻值成线性关系，由式(9)可知；⑥不需使用高精度的参考电压源，式(9)可知，AD转换器输出的数字量ADout跟参考电压的精度无关，只要提供普通的供电电压即可；⑦Pt1000自发热小，由式(13)可知，新型比率电桥温度补偿电路的测温分辨率与流过Pt1000的电流无关，恒流源驱动电路要达到高分辨率必须提高恒流源电流，这就导致Pt1000产生自发热(Pt1000自发热临界电流值为0.5mA)，以Ri＝15K测算，新型比率电桥温度补偿电路中，流过Pt1000的电流为 $I_{\mathrm{pt}1000}=\frac{5}{(2.3+15)\&times;2}=0.145\mathrm{mA},$ 自发热大大减小。

相比于数字温度传感器，本发明可以达到数字温度传感器无法达到的指标：1)高精度，采用Pt1000作为温度传感器，配合本发明设计的新型比率电桥温度补偿电路，以测量精度等于10～20倍的分辨率计算，测量精度可达0.02℃，完全满足高炉热负荷对测量精度的要求；2)高稳定性，Pt1000为铂电阻温度传感器，其特性受外界环境的影响小，由式(9)可得AD转换器输出的数字量AD_out只跟R₀和R_ref有关，R₀漂移小于等于0.04％，温漂小于等于0.025％的定值电阻价格便宜，容易买到。新型比率电桥温度补偿电路适合在恶劣的环境下进行长期稳定的测量，这是数字温度传感器无法做到的。

如图4所示，本实施例中温度采集终端包括ZigBee无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块和电源模块，所述的ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处理器相连接，所述的处理器输出端连接有声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显示模块用于实时监控各无线测温仪的运行状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块、处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端供电，该电源模块为有线供电形式，温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机；上述的无线测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集终端通过RS485总线依次串接，由于温度采集终端采用RS485总线与上位机进行通讯，为了减少通讯总线上产生的反射波对整个RS485网络造成影响，必须在最后一个温度采集终端的通讯总线两端接上120Ω的终端电阻(如图1所示)，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有120Ω的终端电阻，无线测温仪与温度采集终端组成MESH网络，并采用断续工作模式，该无线测温仪与温度采集终端通信方式为基于ZigBee协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议。温度采集终端根据测温仪表的位置应选择适当的地点进行安装，以便于与无线测温仪表进行可靠通讯。温度采集终端的使用环境比较随机，但也必须选用防护等级高于IP66的壳体作为温度采集终端的防护外壳，以保证温度采集终端稳定运行。温度采集终端使用环境相对较好，无需使用高温电缆，使用普通的屏蔽电缆供电和通信即可。

如图5所示，本实施例中上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通讯方式为RS485平衡式差分通讯。上位机的分层结构包括应用层和传输层，应用层的功能包括数据库的建立、图形化显示及历史数据保存；传输层的功能包括数据提取和数据格式转换。

结合本实施例的一种高精度高炉热负荷无线检测系统结构，其检测方法的具体步骤如下：

步骤一：无线测温仪间隔2分钟检测一次高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端，所述的无线测温仪采用断续工作模式，即无线测温仪在正常情况下使仪表中的所有芯片处于待机状态，只有接收到父节点的请求指令后才将所有芯片唤醒，唤醒后进行AD采用和中值滤波处理，并将采集到温度及流量信号发送出去，将温度及流量信号发出去后又回到待机状态；本发明中无线测温仪的断续工作模式对于节省电能，延长电池使用寿命非常关键，程序流程图如图3所示；

步骤二：温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机；一个温度采集终端可以采集16个以上无线测温仪传送过来的温度及流量信号，所以在本发明的高炉热负荷无线检测系统中所使用的温度采集终端数量比无线测温仪少很多，且温度采集终端的功耗较大，不适合通过电池供电。所以温度采集终端通过有线供电，并通过RS485总线与上位机进行通讯，更加经济可靠；

步骤三：上位机通过如下公式计算高炉热负荷Q：Q＝ΔT×F×CPn，其中：ΔT＝∑0T_{排水温 度}/n-T_进水温度，ΔT即为水温差；F：冷却水流量；CPn：整定系数，CPn＝4.1817/10＝0.41817。上位机设计框图如图5所示，上位机的主要功能是对高炉冷却壁热负荷情况进行图形化显示，并保存历史数据。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高精度高炉热负荷无线检测方法，其步骤为：

步骤一：

无线测温仪间隔2分钟检测一次高炉冷却壁的温度及流量，并将温度及流量信号传送给温度采集终端，所述的无线测温仪采用断续工作模式，即无线测温仪在正常情况下使仪表中的所有芯片处于待机状态，只有接收到父节点的请求指令后才将所有芯片唤醒，唤醒后进行AD采样和中值滤波处理，并将采集到的温度及流量信号发送出去，将温度及流量信号发出去后又回到待机状态；其中：所述的无线测温仪包括Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块和电源模块，所述的Pt1000温度传感器用于检测高炉冷却水进水、排水温度，所述的流量传感器用于检测高炉冷却水流量，上述的Pt1000温度传感器、流量传感器的信号输出端连接至温度及流量信号处理电路，温度及流量信号处理电路、ZigBee无线收发模块分别与低功耗处理器相连接，所述的电源模块分别与Pt1000温度传感器、流量传感器、温度及流量信号处理电路、低功耗处理器、ZigBee无线收发模块相连，该电源模块用于给无线测温仪供电，所述的电源模块为电池；

所述的温度及流量信号处理电路包括温度信号处理电路和流量信号处理电路，其中温度信号处理电路包括Pt1000处理电路(1)和AD转换器(2)，所述的Pt1000处理电路(1)包括三线制Pt1000、减法器一、减法器二和电桥电路，所述的电桥电路包括第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt、参考电阻R_ref和限流电阻Ri，上述的第一调零电阻R1、第二调零电阻R2、Rt和参考电阻R_ref依次串联，限流电阻Ri的一端接在第一调零电阻R1和参考电阻R_ref之间，限流电阻Ri的另一端接至电源，所述的三线制Pt1000的三个引脚分别与参考电阻R_ref、第二调零电阻R2和地相连；所述的减法器一取参考电阻R_ref两端的电压作为AD转换器(2)的参考电压，减法器一的输出端与AD转换器(2)的参考电压输入端相连，减法器二的“+”端与三线制Pt1000的正极相连，减法器二的“-”端与第二调零电阻R2的一端相连，减法器二的输出端与AD转换器(2)的模拟信号输入端相连，AD转换器(2)的数字信号输出端与低功耗处理器相连；

步骤二：

温度采集终端通过ZigBee无线收发模块采集无线测温仪传输过来的温度及流量信号，并将采集来的温度及流量信号传送至上位机，其中：所述的温度采集终端包括ZigBee无线收发模块、处理器、声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块和电源模块，所述的ZigBee无线收发模块、RS485通讯模块分别与处理器相连接，所述的处理器输出端连接有声光报警及状态显示模块，该声光报警及状态显示模块用于实时监控各无线测温仪的运行状态，并进行声光报警，所述的电源模块分别与声光报警及状态显示模块、RS485通讯模块、处理器相连，该电源模块用于给温度采集终端供电，该电源模块为有线供电形式，上述的无线测温仪为系统的传感器节点，温度采集终端为系统的汇聚节点，若干个温度采集终端通过RS485总线依次串接，最后一个温度采集终端的通讯总线两端接有终端电阻，无线测温仪与温度采集终端组成MESH网络，该无线测温仪与温度采集终端通信方式为基于ZigBee协议的无线通讯，无线测温仪涉及的协议为ZigBee协议；

步骤三：

上位机通过如下公式计算高炉热负荷Q：Q＝ΔT×F×CPn，其中：ΔT＝∑0T_排水温度/n-T_进水温度，ΔT即为水温差；F：冷却水流量；CPn：整定系数，CPn＝4.1817/10＝0.41817；其中：所述的上位机包括串口通讯接口程序和组态软件，该串口通讯接口程序用于提取温度采集终端传输过来的温度及流量信号并进行数据格式转换，所述的组态软件用于图形化显示并进行历史数据保存；上述的上位机为系统的协调器，上位机与温度采集终端的通讯方式为RS485平衡式差分通讯。