一種基于比率雙電橋電路高精度高爐水溫差檢測(cè)電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于高爐水溫差檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及基于比率雙電橋電 路的高爐冷卻壁水溫差檢測(cè)技術(shù)，主要完成高爐冷卻壁水溫差的高精度檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高爐冷卻系統(tǒng)水溫差在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)高爐的長(zhǎng)壽高產(chǎn)、事故隱患的避免十 分重要。高爐水溫差由高爐冷卻水水溫差及進(jìn)出水流量決定，水溫差直接反映了高爐冷卻 制度及爐內(nèi)煤氣流的分布，屬于高爐狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的核心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0003] 近幾年國(guó)內(nèi)煉鐵高爐爐缸燒穿事故接連不斷，2010年8月沙鋼1#(2500M3)爐缸 燒穿，重鋼、馬鋼一鐵也均發(fā)生過相關(guān)事故，造成難以彌補(bǔ)的人身、財(cái)產(chǎn)重大損失。宄其原因 均是沒有完善的爐缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)爐缸侵蝕的部位，及時(shí)采取有效措施。高爐冷 卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水溫檢測(cè)、流量檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理中心、系統(tǒng)軟件和通訊幾部分組成，其中最 核心的部分即為水溫檢測(cè)系統(tǒng)。一般高爐爐喉冷卻水包的進(jìn)出水溫差要求控制在0. 3~ 0. 7°C，超出這個(gè)范圍工作人員就要采取一些措施，要是超過0. 9°C則意味著出現(xiàn)事故，人員 可能就要撤離了。然而，如溫度檢測(cè)儀表精度不高，水溫差每相差〇. 1°C，水溫差值將影響 10%，并且在爐缸層因耐材較厚，也就是說(shuō)如果儀表精度達(dá)不到±0. 1°C，水溫差可能會(huì)出 現(xiàn)負(fù)值或顯示為零，也就失去其監(jiān)測(cè)的意義。因此水溫檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度直接決定了 高爐冷卻水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能及有效性。
[0004] 現(xiàn)有的高爐冷卻水溫檢測(cè)系統(tǒng)傳感器多采用數(shù)字溫度傳感器（如中國(guó)專利申請(qǐng) 號(hào)201210265426. 0)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝也較為方便，然而數(shù)字溫度傳感器在實(shí)際使用中也 有著一些難以克服的缺陷：
[0005] (1)數(shù)字溫度傳感器的精度較低，現(xiàn)在市場(chǎng)使用的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其最 小分辨率可達(dá)到0. 〇625°C，精度則為±0. 5°C，而一般高爐爐喉冷卻水包的進(jìn)出水溫差要 求控制在0. 3~0. 7°C，超出這個(gè)范圍工作人員就要采取一些措施，要是超過0. 9°C則意味 著出現(xiàn)事故，人員可能就要撤離了。因此，使用數(shù)字溫度傳感器還是有著相當(dāng)大的事故隱 患。
[0006] (2)數(shù)字溫度傳感器為三引腳芯片結(jié)構(gòu)，一般配以51或AVR單片機(jī)構(gòu)成溫度檢測(cè) 系統(tǒng)，由于封裝在不透水不透氣的密閉套管里，同時(shí)高爐工作時(shí)傳感器所處環(huán)境惡劣，各類 干擾非常大，所以其穩(wěn)定性不高，遇到傳感器損壞時(shí)需要經(jīng)常更換檢測(cè)探頭。
[0007] (3)數(shù)字溫度傳感器采用單線傳輸模式，信號(hào)的輸入輸出均為一根線，這就導(dǎo)致了 檢測(cè)探頭更換時(shí)往往需要設(shè)備廠商派出工程師攜帶專門設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位，進(jìn)而產(chǎn)生維保 費(fèi)用。
[0008] 隨著制造工藝和薄膜技術(shù)的提高，國(guó)外的溫度傳感器主流生產(chǎn)廠家開發(fā)出了具有 穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍寬、精確度高、重復(fù)性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)的3線制ptlOOO鉑電阻傳感器， 所以采用3線制ptlOOO作為測(cè)溫儀的溫度傳感器滿足高爐水溫差檢測(cè)的要求。PtlOOO水 溫差測(cè)溫儀的精度取決于溫度信號(hào)處理電路，溫度檢測(cè)精度主要由溫度分辨率決定。傳統(tǒng) 的PtlOOO溫度信號(hào)處理電路采用普通電橋電路、恒流源驅(qū)動(dòng)電路、比率電橋電路。
[0009] 普通電橋電路的主要缺陷有：
[0010] ①由于普通電橋電路中的AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓由獨(dú)立的高精度參考電壓源，所 以AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量與PtlOOO阻值呈非線性關(guān)系；
[0011] ②普通電橋電路為了實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量必須使用高精度參考電壓源，而高精度 參考電壓源價(jià)格高，且其電壓值受環(huán)境溫度的影響較大，所以普通電橋電路不利于在惡劣 的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下使用；
[0012] ③普通電橋電路只能使用兩線制PtlOOO,所以測(cè)量精度受導(dǎo)線電阻影響較大。
[0013] 恒流源驅(qū)動(dòng)電路通過恒流源使得流過PtlOOO的電流恒定，AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字 量與PtlOOO阻值呈非線性關(guān)系，且恒流源驅(qū)動(dòng)電路可采用四線制PtlOOO來(lái)抵消導(dǎo)線電阻 的影響。但恒流源驅(qū)動(dòng)電路本身存在難以克服缺陷：
[0014] ①測(cè)溫分辨低，恒流源驅(qū)動(dòng)電路需要在分辨率與PtlOOO自發(fā)熱之間折中，這就限 制了測(cè)溫分辨率的提高；
[0015] ②PtlOOO自發(fā)熱大，為了提高分辨率只能提高流過PtlOOO的電流值，這就使得 PtlOOO自發(fā)熱大，從而影響PtlOOO測(cè)量精度；
[0016] ③恒流源驅(qū)動(dòng)電路為了實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量必須使用高精度參考電壓源，而高精 度參考電流源價(jià)格高，且其電流值受環(huán)境溫度的影響較大，所以恒流源驅(qū)動(dòng)電路也不利于 在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下使用。
[0017] 比率電橋溫度補(bǔ)償電路（如中國(guó)專利號(hào)ZL201310422887. 9)，既結(jié)合了普通電橋 電路和恒流源驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的缺陷。以新型比率電橋溫度補(bǔ)償電路作為 PtlOOO的溫度處理電路，對(duì)提高高爐水溫差檢測(cè)精度具有重要的意義。
[0018] 但比率電橋溫度補(bǔ)償電路也存在以下缺陷：
[0019] (1)比率單電橋溫度補(bǔ)償電路為了得到較高測(cè)溫分辨率，橋臂的參考電阻Rref?的 值不能超過5KD，參考電阻阻值降低，必然使進(jìn)入到AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓值只能達(dá)到lv左 右，輸入到AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓越低，其抗干擾能力越弱，比率單電橋電路雖然具有較高 的溫度分辨率，但作為水溫差的采樣電路，其測(cè)溫精度在復(fù)雜的高爐現(xiàn)場(chǎng)，容易受到電磁、 振動(dòng)等噪聲的影響。
[0020] (2)溫漂大，所謂溫漂就是，外界環(huán)境溫度變化rc對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響大小，從比 率電橋的最終數(shù)學(xué)關(guān)系可知，式中含有電阻Rref項(xiàng)，Rref為精密電阻，但不管是普通還是 精密電阻，其阻值受所處環(huán)境溫度的影響。采用比率單電橋溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的電路參數(shù)， 按25ppm溫漂值來(lái)計(jì)算，環(huán)境每變化1°C，將對(duì)測(cè)溫結(jié)果會(huì)造成0. 02°C的偏差。高爐現(xiàn)場(chǎng)在 出鐵時(shí)的溫度比正常情況下高出20°C左右，將使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生0.2°C的偏差，儀表精度達(dá) 不到±0. 1°C，水溫差可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)值或顯示為零，也就失去其監(jiān)測(cè)的意義。
[0021] (3)由于Rref的值設(shè)的比較低，當(dāng)被測(cè)電阻以低阻值變化時(shí)，測(cè)量結(jié)果受導(dǎo)線接 線和接觸電阻的影響較大。
[0022] 通過上述分析可知，單電橋雖然靈敏度較高，但當(dāng)被測(cè)電阻以低阻值變化時(shí)，橋臂 中的接線、接觸電阻和ARt-起參與電橋電壓平衡，測(cè)量結(jié)果是ARt與該橋臂的接線和接 觸電阻的總阻值。因此，測(cè)量結(jié)果誤差較大。雙電橋測(cè)量小電阻的思想是在不平衡單電橋基 礎(chǔ)上改進(jìn)提出的，為提高電路的準(zhǔn)確度，采用改進(jìn)電路連接的方式，來(lái)去除干擾，減小溫漂。 但AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量與PtlOOO阻值還是呈非線性關(guān)系，不利于數(shù)據(jù)的處理及后續(xù)的 線性化校正。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0023] 1.實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題
[0024] 設(shè)計(jì)一套合理的溫度信號(hào)處理電路對(duì)于提高高爐水溫差檢測(cè)精度具有重要的意 義，本實(shí)用新型在綜合考慮傳統(tǒng)PtlOOO溫度信號(hào)處理電路缺陷的基礎(chǔ)上，提供了一種基于 比率雙電橋電路高精度高爐水溫差檢測(cè)電路；本實(shí)用新型在雙電橋的基礎(chǔ)上加入比率環(huán) 節(jié)，即以橋臂的參考電阻Rref兩端的電壓作為AD轉(zhuǎn)換器輸入的參考電壓，可