CN204608064U - 一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，属于高炉水温差检测技术领域。本实用新型的Pt1000、Rref、R1、R2和次电桥电阻依次串联，次电桥电阻包括电阻R0、R3和R4，电阻R3和R4串联后与电阻R0并联，减法器一取Rref两端的电压，其输出端与AD转换器的参考电压输入端相连，减法器二的正输入端与Pt1000的正极相连，负输入端连接于R1和R2之间，输出端与AD转换器的模拟信号输入端相连，AD转换器的输出端与微处理器相连。本实用新型以Rref两端的电压作为AD转换器的参考电压，可提高检测电路的抗干扰能力、AD值以及pt1000阻值的线性度，且降低了环境温度对测温结果造成的影响，有助于提高高炉使用寿命。

Description

一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路

技术领域

本实用新型属于高炉水温差检测技术领域，更具体地说，涉及基于比率双电桥电路的高炉冷却壁水温差检测技术，主要完成高炉冷却壁水温差的高精度检测。

背景技术

高炉冷却系统水温差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。高炉水温差由高炉冷却水水温差及进出水流量决定，水温差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。

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、马钢一铁也均发生过相关事故，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。一般高炉炉喉冷却水包的进出水温差要求控制在0.3～0.7℃，超出这个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。然而，如温度检测仪表精度不高，水温差每相差0.1℃，水温差值将影响10％，并且在炉缸层因耐材较厚，也就是说如果仪表精度达不到±0.1℃，水温差可能会出现负值或显示为零，也就失去其监测的意义。因此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。

现有的高炉冷却水温检测系统传感器多采用数字温度传感器(如中国专利申请号201210265426.0)，其结构简单，安装也较为方便，然而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：

(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水温差要求控制在0.3～0.7℃，超出这个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。

随着制造工艺和薄膜技术的提高，国外的温度传感器主流生产厂家开发出了具有稳定性好、测量范围宽、精确度高、重复性好、成本低等优点的3线制pt1000铂电阻传感器，所以采用3线制pt1000作为测温仪的温度传感器满足高炉水温差检测的要求。Pt1000水温差测温仪的精度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。传统的Pt1000温度信号处理电路采用普通电桥电路、恒流源驱动电路、比率电桥电路。

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四线制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。

比率电桥温度补偿电路(如中国专利号ZL201310422887.9)，既结合了普通电桥电路和恒流源驱动电路的优点，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，对提高高炉水温差检测精度具有重要的意义。

但比率电桥温度补偿电路也存在以下缺陷：

(1)比率单电桥温度补偿电路为了得到较高测温分辨率，桥臂的参考电阻Rref的值不能超过5KΩ，参考电阻阻值降低，必然使进入到AD转换器的参考电压值只能达到1v左右，输入到AD转换器的参考电压越低，其抗干扰能力越弱，比率单电桥电路虽然具有较高的温度分辨率，但作为水温差的采样电路，其测温精度在复杂的高炉现场，容易受到电磁、振动等噪声的影响。

(2)温漂大，所谓温漂就是，外界环境温度变化1℃对测温结果的影响大小，从比率电桥的最终数学关系可知，式中含有电阻Rref项，Rref为精密电阻，但不管是普通还是精密电阻，其阻值受所处环境温度的影响。采用比率单电桥温度补偿电路设计的电路参数，按25ppm温漂值来计算，环境每变化1℃，将对测温结果会造成0.02℃的偏差。高炉现场在出铁时的温度比正常情况下高出20℃左右，将使测量结果产生0.2℃的偏差，仪表精度达不到±0.1℃，水温差可能会出现负值或显示为零，也就失去其监测的意义。

(3)由于Rref的值设的比较低，当被测电阻以低阻值变化时，测量结果受导线接线和接触电阻的影响较大。

通过上述分析可知，单电桥虽然灵敏度较高，但当被测电阻以低阻值变化时，桥臂中的接线、接触电阻和△Rt一起参与电桥电压平衡，测量结果是△Rt与该桥臂的接线和接触电阻的总阻值。因此，测量结果误差较大。双电桥测量小电阻的思想是在不平衡单电桥基础上改进提出的，为提高电路的准确度，采用改进电路连接的方式，来去除干扰，减小温漂。但AD转换器输出的数字量与Pt1000阻值还是呈非线性关系，不利于数据的处理及后续的线性化校正。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

设计一套合理的温度信号处理电路对于提高高炉水温差检测精度具有重要的意义，本实用新型在综合考虑传统Pt1000温度信号处理电路缺陷的基础上，提供了一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路；本实用新型在双电桥的基础上加入比率环节，即以桥臂的参考电阻Rref两端的电压作为AD转换器输入的参考电压，可提高检测系统的抗干扰能力、AD值以及pt1000阻值的线性度，且降低了环境温度对测温结果所造成的影响，对于提高高炉使用寿命，预防高炉炉缸炉底烧穿具有重要作用。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，包括Pt1000、减法器一、减法器二、AD转换器、微处理器和比率双电桥电路，所述的比率双电桥电路包括参考电阻Rref、第一调零电阻R1、第二调零电阻R2和次电桥电阻，Pt1000、参考电阻Rref、第一调零电阻R1、第二调零电阻R2和次电桥电阻依次串联，参考电阻Rref和第一调零电阻R1之间接有电压VDD，所述的次电桥电阻包括电阻R0、R3和R4，电阻R3和R4串联后与电阻R0并联，电阻R3和R4相连的一端接地；所述的减法器一取参考电阻Rref两端的电压，该减法器一的输出端与AD转换器的参考电压输入端相连，所述减法器二的正输入端与Pt1000的正极相连，该减法器二的负输入端连接于第一调零电阻R1和第二调零电阻R2之间，减法器二的输出端与AD转换器的模拟信号输入端相连，AD转换器的输出端与微处理器相连。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的减法器一和减法器二通过运放构成。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的AD转换器的型号为AD7799。

作为本实用新型更进一步的改进，所述的参考电阻Rref的阻值为100KΩ。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，其以参考电阻Rref两端的电压作为AD转换器输入的参考电压，参考电阻Rref的阻值高达100KΩ，其两端的电压接近VDD(24V)，约为23.8V，远高于比率单电桥电路能够为AD转换器提供的参考电压，故该高炉水温差检测电路的抗干扰能力远高于比率单电桥电路；

(2)本实用新型的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，其AD转换器输出的AD值与Pt1000的阻值变化(ΔRt)完全成线性关系，有利于数据的处理及后续的线性化校正；此外，本实用新型的参考电阻Rref和第一调零电阻R1选用同一生产厂家，同一批次的精密电阻，该参考电阻Rref和第一调零电阻R1的温漂对检测结果的影响可以相互抵消，从而大大减小了温漂对测量结果造成的影响。

附图说明

图1为本实用新型的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路的示意图；

图2为本实用新型中比率双电桥电路的等效电路图。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

参看图1和图2，本实施例的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，包括Pt1000、减法器一、减法器二、AD转换器、微处理器和比率双电桥电路，所述的比率双电桥电路包括参考电阻Rref、第一调零电阻R1、第二调零电阻R2和次电桥电阻，Pt1000、参考电阻Rref、第一调零电阻R1、第二调零电阻R2和次电桥电阻依次串联，参考电阻Rref和第一调零电阻R1之间接有24V电压VDD，所述的次电桥电阻包括电阻R0、R3和R4，电阻R3和R4串联后与电阻R0并联，电阻R3和R4相连的一端接地；所述的减法器一取参考电阻Rref两端的电压，该减法器一的输出端与AD转换器的参考电压输入端相连，所述减法器二的正输入端与Pt1000的正极相连，该减法器二的负输入端连接于第一调零电阻R1和第二调零电阻R2之间，减法器二的输出端与AD转换器的模拟信号输入端相连，AD转换器的输出端与微处理器相连。图1和图2中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公司生产的型号为AD7799的AD转换器，本实施例使用型号为AD7799的AD转换器。

本实施例采用比率双电桥采样电路作为Pt1000的温度处理电路，既结合了双电桥和比率单电桥电路的优点，又克服了两者的缺陷，对提高高炉水温差检测精度具有重要的意义。具体分析如下：

对比率双电桥采样电路进行三角型到星型变换得到如图2所示等效电路，其中：

$\begin{array}{ccc}a=\frac{R_3\·R_4}{R_m}& b=\frac{R_3\·R_0}{R_m}& c=\frac{R_4\·R_0}{R_m}\end{array}$

R_m＝R₃+R₄+R₀

R_t1＝R_t+b

R₂₁＝R₂+c...................................................(1)

V_in+＝I·R_t1...........................................................................(2)

$V_{\mathrm{in}-}=I\·(R_{t1}+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R_{21}}{R_1+R_{21}}...\left(3\right)$

上述式(2)和(3)相减后可得：

$V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{in}+}-V_{\mathrm{in}-}=I\·R_{t1}-I\·(R_{t1}+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R_{21}}{R_1+R_{21}}...\left(4\right)$

又知：V_ref＝V_ref+-V_ref-＝I×R_ref.................................................(5)

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{I\·R_{t1}-I\·(R_{t1}+R_{\mathrm{ref}})\×\frac{R_{21}}{R_1+R_{21}}}{I\×R_{\mathrm{ref}}}\×2^N...\left(6\right)$

其中：N为AD转换器的位数，I为流过Pt1000的电流，Rt为Pt1000铂电阻阻值。

式(6)中分子分母都含有电流I，将电流I约去并化简得：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{R_1\·R_{t1}-R_{21}\·R_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{ref}}\·(R_1+R_{21})}\×2^N...\left(7\right)$

存在如下关系：

Rt＝R_t0+ΔRt

R₁＝R₄＝R_t0＝1kΩ

R_ref＝R₃＝100kΩ

R₂＝10Ω.............................................................................(8)

其中：R_t0为Pt1000在0℃时的阻值，R_t0＝1000Ω，ΔR_t为Pt1000铂电阻阻值与R_t0之差。即：ΔR_t＝R_t-R_t0。

化简得：

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{ref}}}=\frac{R_1\·{\mathrm{\ΔR}}_t}{R_{\mathrm{ref}}\·(R_1+R_{21})}\×2^N...\left(9\right)$

由上述推导可得：

(1)比率双电桥电路以参考电阻Rref两端电压作为AD转换器输入的参考电压，参考电阻Rref的阻值高达100KΩ，其两端的电压接近VDD(24V)，约为23.8V，远高于比率单电桥电路能够为AD转换器提供的参考电压，故该高炉水温差检测电路的抗干扰能力远高于比率单电桥电路；

(2)由式(9)可知，本实施例中AD转换器输出的AD值与pt1000阻值变化(ΔR_t)完全成线性关系，而简单的双电桥电路所推导的AD值与pt1000阻值的数学关系中的分母项含有R_t(R_t＝ΔR_t+R_t0)项，导致AD值与pt1000阻值成非线性关系，不利于数据的处理及后续的线性化校正；

(3)由式(9)可知，跟比率单电桥电路一样，式(9)中分母也含有Rref，但分子含有R1，本实施例只需将参考电阻Rref和第一调零电阻R1选用同一生产厂家，同一批次的精密电阻，就能使两个精密电阻的温漂系数保持一致，相比之后相互抵消，至于分母中含有的R1和R21当然也存在温漂，但R1+R21远小于Rref，R1+R21温漂对测量结果所造成的影响可忽略不计，因此，本实施例可以大大减小温漂对测量结果造成的影响；此外，本实施例0℃的输出电压仍为0V，可见，当存在干扰时，比率双电桥电路并不存在零点漂移现象。

实施例1所述的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，在双电桥的基础上加入比率环节，即以桥臂的参考电阻Rref两端的电压作为AD转换器输入的参考电压，可提高检测系统的抗干扰能力、AD值以及pt1000阻值的线性度，且降低了环境温度对测温结果所造成的影响，对于提高高炉使用寿命，预防高炉炉缸炉底烧穿具有重要作用。

以上示意性的对本实用新型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实用新型的实施方式之一，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，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，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，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，包括Pt1000、减法器一、减法器二、AD转换器和微处理器，其特征在于：还包括比率双电桥电路，所述的比率双电桥电路包括参考电阻Rref、第一调零电阻R1、第二调零电阻R2和次电桥电阻，Pt1000、参考电阻Rref、第一调零电阻R1、第二调零电阻R2和次电桥电阻依次串联，参考电阻Rref和第一调零电阻R1之间接有电压VDD，所述的次电桥电阻包括电阻R0、R3和R4，电阻R3和R4串联后与电阻R0并联，电阻R3和R4相连的一端接地；所述的减法器一取参考电阻Rref两端的电压，该减法器一的输出端与AD转换器的参考电压输入端相连，所述减法器二的正输入端与Pt1000的正极相连，该减法器二的负输入端连接于第一调零电阻R1和第二调零电阻R2之间，减法器二的输出端与AD转换器的模拟信号输入端相连，AD转换器的输出端与微处理器相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，其特征在于：所述的减法器一和减法器二通过运放构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，其特征在于：所述的AD转换器的型号为AD7799。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路，其特征在于：所述的参考电阻Rref的阻值为100KΩ。