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摘要：

針對現(xiàn)有礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測方法存在溫度測量范圍窄、誤差大的問題，設(shè)計了礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測電路。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算放大電路采集微弱變化的電阻信號，利用非線性和線性計算方法計算出電阻值，從而通過電阻值計算出被測部件的溫度值。實際應(yīng)用表明，該電路運行穩(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；薄膜鉑電阻；最小二乘法；誤差控制

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、物料運輸、大型設(shè)備鏟運及牽引（如液壓支架、重型電氣等設(shè)備的鏟運）。由于礦用防爆無軌膠輪車沒有軌道限制，適應(yīng)性強，機動靈活性好，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)委員會出臺了礦用防爆柴油機無軌膠輪車方面的標(biāo)準(zhǔn)，如MT／T989—2006《礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術(shù)條件》、MT／T990—2006《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》、GB20800．3—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》。在這3項標(biāo)準(zhǔn)中，對防爆無軌膠輪車的溫度參數(shù)監(jiān)測及保護提出了多項要求，如柴油機冷卻液溫度、柴油機表面溫度、機車尾氣排放溫度、空壓機進排氣溫度、機油溫度、液壓回路油溫、變矩器溫度、制動器溫度等10多處溫度監(jiān)測。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保養(yǎng)的重要參數(shù)［2］。如發(fā)動機排氣溫度，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求低于68℃，高于此溫度時，排放的氣體中可能帶有火花，會引燃機車運行環(huán)境中的瓦斯而引起安全事故；發(fā)動機冷卻液是發(fā)動機機體循環(huán)冷卻的重要介質(zhì)，冷卻液溫度過高導(dǎo)致機體熱量無法散發(fā)，發(fā)動機活塞拉缸燒瓦對發(fā)動機本身是致命損害。目前，一般采用熱膨脹保護措施，通過膨脹液或者金屬的熱脹冷縮特性來實現(xiàn)溫度保護，當(dāng)溫度過高時，金屬延展片觸點熱脹導(dǎo)通，接通電磁閥回路，通過斷氣來停止發(fā)動機運轉(zhuǎn)，從而達到熱保護目的。通過金屬延展片的熱脹冷縮特性來監(jiān)測溫度，存在誤差較大的問題，且下降特性非常不好，時間長。針對現(xiàn)有溫度監(jiān)測方法存在的問題，筆者設(shè)計了礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測電路。

1溫度監(jiān)測電路傳感元件選型

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溫方面的現(xiàn)場要求。集成式溫度傳感器一般監(jiān)測范圍為－20～＋125℃，而發(fā)動機表面溫度高達148℃，集成式溫度傳感器無法滿足發(fā)動機表面溫度的監(jiān)測要求。為此，筆者選擇鉑電阻作為礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測電路的溫度傳感元件。鉑電阻的電阻值會隨著溫度變化而改變，通過電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系，可計算出當(dāng)前被測部件的溫度。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，安裝到被測部件上。

2溫度監(jiān)測電路設(shè)計

2．1電路原理鉑電阻的阻值變化范圍為0．37～0．39Ω／℃，屬于弱信號，一般采用差分比較，將微弱差分信號放大處理成單端信號，最后由微處理器采集計算?；谝陨纤悸?，設(shè)計了非線性電橋采集電路和運算放大電路來采集微弱變化的電阻信號值。溫度監(jiān)測電路原理如圖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R7一起保護單片機端口；VD1為單向?qū)ǘO管，在ADC端口出現(xiàn)過壓時VD1導(dǎo)通，使得ADC端口鉗位在VDD＋0．7V，VD1與VD2、R7同時使用，對微處理器端口進行雙重保護。信號傳輸過程：被測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)換為差分電壓信號并輸出至運算放大電路，最后運算放大電路輸出單端電壓信號給微處理器采集計算。

2．2電路關(guān)鍵參數(shù)匹配電路設(shè)計中，運算放大電路采用單電源供電，＋Vs引腳接模擬電源A＋5V，－Vs引腳與模擬地線AGND接在一起。R5，R4，XS1和R3構(gòu)成一個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100．00Ω，各電阻的參數(shù)匹配見表1，各電阻的精度均為0．5％。電橋共模電壓＋Vref可以通過代數(shù)計算消除，其值選定主要參考運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＋2V左右，使得輸出電壓無截止現(xiàn)象出現(xiàn)。

3溫度監(jiān)測電路數(shù)學(xué)建模及誤差評估方法

為了反映被測溫度傳感器電阻值與溫度監(jiān)測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算方法以及由非線性方法提取的線性公式。實際計算中往往采用線性公式，且誤差在可控范圍之內(nèi)。

3．1非線性計算方法圖1中電橋輸出的毫伏級差分信號經(jīng)R1、R2后至運算放大器N1的2、3引腳，理論上N1的2、3引腳的壓差。

3．2線性計算方法在實際應(yīng)用中，由式（4）可演變?yōu)榫€性公式來取論上的非線性計算方法，達到簡便計算的目的，且誤差在可控范圍之內(nèi)。取式（4）曲線上零點和滿量程兩點對應(yīng)的采樣值和電阻值。如果在溫度采集中，不標(biāo)校零點和滿量程溫度點，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。如果需要精確的溫度值，則需要標(biāo)校，程序中根據(jù)兩點重新計算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種計算方法的誤差評估（1）誤差范圍計算。在實際計算中，如果不需要精確測量溫度，允許測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。如果需要精確測量溫度，則需要用標(biāo)準(zhǔn)電阻器對零點和滿量程溫度點進行溫度標(biāo)校，如0，160℃。在軟件程序處理上，記錄零點溫度和滿量程溫度時的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣值，重新計算線性方程的k，b值，并存入掉電保持存儲器，以便后期使用。

4由電阻值計算溫度值的3種方法

可通過如下3種方法實現(xiàn)由鉑電阻值求得被測部件的溫度。（1）公式計算法?！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算公式。通過反函數(shù)（式（8））［3］計算當(dāng)前部件的溫度。以上3種計算方法中，公式計算法涉及數(shù)學(xué)計算開平方函數(shù)，浮點運算量較大，但軟件代碼簡潔；分段線性計算法代碼量較大，但當(dāng)判斷出溫度在某一個區(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存儲空間。綜合考慮3種計算方法的優(yōu)缺點，并結(jié)合溫度監(jiān)測電路的實際情況，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)測的重要性，選用薄膜鉑電阻作為傳感元件，設(shè)計了礦用防爆無軌膠輪車溫度監(jiān)測電路并建立數(shù)學(xué)模型。該電路利用非線性和線性計算方法計算出電阻值，再通過電阻值計算出被測部件的溫度值。該電路已在WC5E、WC10E、WC40Y（D）等多種礦用防爆無軌膠輪車上使用。實際應(yīng)用表明，該電路運行穩(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。

參考文獻：

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作者：程劉勝 單位：中煤科工集團常州研究院有限公司 天地（常州）自動化股份有限公司