用于滚筒流道温度测量的热敏电阻的实验研究

杨建红， 房怀英， 蒋少茵

（华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021）

用于滚筒流道温度测量的热敏电阻的实验研究

杨建红， 房怀英， 蒋少茵

（华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021）

滚筒流道温度的准确计量是沥青拌和站自动控制的关键技术，以热敏电阻为检测元件，基于嵌入式控制核心开发了滚筒流道温度实时测量系统。构建了热敏电阻非线性温度补偿模型，基于粒子群算法对热敏电阻的温度特性进行了非线性补偿，消除了测量温度的非线性误差。分别针对红外、热电阻和热敏电阻对滚筒流道温度进行了对比实验研究。现场实验结果表明，基于热敏电阻的温度测量系统能减小粉尘和热惯性的影响，满足滚筒流道温度实时智能控制的需求，提高沥青拌和料的性能。

计量学；流道温度；热敏电阻；热电阻；红外测温仪；热惯性

1 引 言

大型沥青搅拌站的主要生产工艺为：骨料仓的沙子和石子通过皮带运输机输送到干燥滚筒中，干燥滚筒旋转带动混合料，通过另一端的燃烧器对混合料进行加热和干燥，干燥后的粉尘通过除尘袋回收，加热干燥后的混合料由提升机进入搅拌主机同改性沥青混合搅拌。由于各种等级公路的施工工艺和施工环境变化对滚筒流道混合料温度有严格地要求，一般要求混合料出料温度为170～180℃之间。如果流道中混合料温度过低或过高，则自动调整燃烧器油门和出风口风速，从而自适应补偿流道混合料温度。

滚筒流道温度测量常用的方法有热电偶、热电阻及红外测温。现场发现，热电偶和热电阻测量滚筒流道混合料温度受到干扰因素较小，但因为混合料对测温头磨损较大，所以在实际测量时，热电偶和热电阻需要加装耐磨铠装材料，同时热电阻和热电偶的热惯性较强，当混合料温度发生较大变化时，两者温度测量滞后时间可以达80～120 s，温度测量滞后时间较长导致燃烧器难以实现实时控制。当混合料温度从下降到上升时，热电阻的测量温度仍然继续下降，燃烧器继续加大燃烧量，从而导致混合料温度过高。红外线测量温度具有较好的实时性，但流道在干燥的过程中，浮起大量的粉尘，粉尘里含有油污，含有油污的粉尘较易粘结在红外测温仪的镜头上，造成测量误差较大，在长时间测量的情况下，油污容易腐蚀镜头，从而损害红外测温仪。红外线穿透粉尘的能力是有限的，即使红外镜头没有粉尘粘结，红外线射到粉尘上，测量的也是粉尘的温度，从而影响测量精度。进口设备中在红外测温仪中加气体除尘装置，但除尘气体在潮湿的环境下容易凝结在镜头上。因此，红外测温仪无法较好地测量滚筒流道混合料的温度。

热敏电阻具有体积小、热惯性小、灵敏度高等优点［1～3］。通过自行研制耐磨测量头，嵌入热敏电阻，对滚筒流道混合料温度进行测量，可较好地解决测量过程中的粉尘干扰和热惯性问题，从而实现流道混合料温度的快速准确测量。

2 基于热敏电阻的温度测量系统

采用深圳敏杰电子的AMJ967负温度系数热敏电阻，该热敏电阻主要特性：温度灵敏度系数B＝3 899，在常温25℃时阻值为200 kΩ，阻值较大可以减小导线等内阻对测量结果的影响，温度测量范围－50～280℃。以导热性较好的耐磨金属为测量探头，在金属测量探头的一端埋入热敏电阻，热敏电阻和金属探头的粘结方式是非常重要的，热敏电阻和金属头之间要充分接触，而且要有一定的粘结强度。由深圳敏杰电子自行研制的导热胶能较好满足使用要求。和滚筒联接固定部分采用工程塑料，可以避免温度测量头和外界空气之间热传导，从而保证滚筒流道温度测量的准确性。

整个测量系统主要由温度测量头、测量电桥、信号放大滤波和嵌入式微处理系统组成。测量系统见图1。图中测量系统采用ARM11内核的Ok6410开发板，基于Windows CE操作系统开发的。

图1 温度测量系统

3 测量系统大量程温度补偿计算

3.1 温度非线性误差分析

由于热敏电阻的温度特性具有较强的非线性，因此，在进行温度测量时需要进行非线性补偿［4，5］。NTC热敏电阻的非线性经验公式为

式中，B为表征热敏电阻对温度的灵敏度，通常用零功率电阻对时间的变化来表示［6，7］，其计算式为

在AMJ967热敏电阻的B值计算中，RT0＝200 kΩ，这个电阻所对应的温度T0＝298.12 K。由式（2）可知，B值不是一个常数，不同电阻值所对应的B值是不同的，如果按照B为常数通过式（1）计算温度将造成较大的测量误差。B值随热敏电阻阻值变化见图2。由图2可知随着热敏电阻阻值的变化，B常数最大相差可达224.7左右，这将对温度的测量结果影响较大。为了得到准确的测量温度，需要得到B值和热敏电阻阻值之间的最优解析式，将解析式代入温度计算公式，从而对温度进行补偿计算［8］。

图2B常数-电阻变化曲线

3.2 基于粒子群算法的非线性拟合温度补偿计算

粒子群优化（Partical Swarm Optimization，PSO）算法是近年来发展起来的一种新的进化算法，其最早是由Kennedy等学者提出的。PSO算法属于进化算法的一种，它和遗传算法相似，也是从随机解出发，迭代寻找最优解，通过适应度来评价解的品质，但它比遗传算法规则更为简单［9］。PSO算法初始化为一组随机粒子，然后通过迭代寻找最优解。

粒子追随两个当前最优值来更新自己，一个是个体极值pi；另一个是全局极值pg；粒子按照式（2）和式（3）更新自己［10］。

式中，Vi为当前代的粒子移动速度；Vi－1为前一代的粒子移动速度；r1、r2为随机数，范围0～1；c1、c2为学习因子，一般取c1＝c2＝2；Si为当前粒子位置；Si－1为前一代粒子位置；其中第i个粒子表示为1个D维的向量xi＝（xi1，xi2，…，xiD），i＝1，2，…，m。ω为惯性权重，ω较大算法具有较强的全局搜索能力，ω较小则算法倾向于局部搜索，因此，一般将ω初始值设为0.9。

由AMJ967热敏电阻特性可知，阻值和对应的B值数值较大，直接拟合误差较大，因此分别取阻值和B值的对数作为变量进行拟合，拟合阶数为4阶，从而可得到B值和阻值之间的解析关系式为

式中，a1、a2、a3、a4、a5为待求系数。将B值代入式（1）即可得到热敏电阻温度补偿计算的粒子群拟合模型为

式中，n＝281为热敏电阻温度分度数，每隔1℃分度，温度测量范围0～280℃；RT为不同温度下热敏电阻值；TR为阻值为RT所对应的理想温度。由式（3）、（4）对式（6）的补偿计算模型进行迭代计算，向量［a1，a2，a3，a4，a5］的初始值由最小二乘拟合算法得到。通过粒子群算法非线性拟合后得到向量［－0.000015，0.0007，－0.0113，0.0727，8.1384］，代入式（5）可得B值和热敏电阻的解析表达式。拟合的解析表达式B值计算误差见图3，由图可知通过粒子群算法拟合的B值解析式能满足热敏电阻温度补偿计算的精度要求。

图3B值拟合误差

将上述拟合得到的B值计算式代入式（1），得到每个分度阻值对应的温度，为了B值补偿后的温度计算精度，B值补偿前后由式（1）计算得到的温度和对应的理论温度差见图4。由图4可知，B值补偿后热敏电阻的计算温度误差非常小，基本接近理想温度值。B值补偿前的计算温度误差较大，在0～100℃范围内温度误差较小，但当测量范围到100～280℃温度计算误差可达到18℃，根本无法满足测量要求。

图4B值补偿前后温度计算误差

4 实验结果与分析

对所开发的热敏电阻滚筒流道温度测量系统在施工现场进行实验测试，并与红外、热电阻测量性能进行对比实验研究。实验中红外测温仪采用美国雷泰的TX系列，自带空气清扫器，测量范围为－18～2000℃。热电阻采用带铠装的PT100铂电阻，测量范围：－200～600℃。测量对象为LP4000型沥青搅拌站，将带铠装的热敏电阻测量探头、热电阻、红外测温仪同时安装于滚筒流道底部，为避免骨料划伤红外测温镜头，红外测量只能装在贴近底部的侧壁上。当滚筒内骨料温度趋于稳定时，开始同时记录3种测温系统读数，记录时间间隔为30 s，测量结果见图5。由图5可知，3种测温系统测量温度的波动基本一致，红外测温仪测量的是实时温度，反应最快，但比接触式测量温度要低，测量过程中发现，滚筒流道粉尘浓度非常大，导致红外线直接入射到粉尘上，粉尘的温度比实际热骨料的温度要低。热敏电阻比红外测温仪测量温度滞后的时间Δt1＝30 s，而热电阻比热敏电阻测量温度滞后时间为Δt＝120 s，这个滞后时间较大，导致燃烧器始终无法达到最优的燃烧效果，尤其是温度波动较大时影响更大。

图5 实际测量温度对比

图6 实际测量温度差

对于燃烧器的智能控制，温度测量系统的热惯性将引起较大的测量误差。3种测量系统实时温度测量误差见图6。红外测温仪和热敏电阻之间的热惯性较小，其测量误差主要来自于粉尘的影响。热敏电阻和热电阻均为直接接触式测量，受粉尘影响较小，其测量实时性误差主要为热惯性引起的。减小测温系统的热惯性是智能燃烧器优化控制的关键技术，基于非线性拟合算法的热敏电阻温度测量系统能满足干燥滚筒流道温度的实时测量。但热敏电阻测量探头的使用寿命需要在生产现场做进一步验证。

5 结 论

以热敏电阻为测量敏感元件，开发了干燥滚筒流道的温度实时测量系统，并进行了对比实验研究，得到如下结论：

（1）基于粒子群非线性拟合算法得到B值数学模型，实现了热敏电阻非线性温度补偿。

（2）通过对比实现发现，红外测温仪测量流道温度容易受到粉尘影响；热电阻的热惯性较大，测量温度的实时性误差较大；热敏电阻的热惯性小，测量温度实时性能满足燃烧器智能控制要求。

（3）基于热敏电阻的温度测量系统能克服热惯性和粉尘带来的测量误差，保证骨料出料温度的稳定性。

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Experimental Research on the Therm istor for
Tem perature Measurement for Drying Drum Channel

YANG Jian-hong， FANG Huai-ying， JIANG Shao-yin
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，Fujian 361021，China）

The accurate temperaturemeasurementof drying drum channel for asphaltmixing plant is a key technology of automation control.A novel on-line temperaturemeasuring system of flow channelwas developed based on thermistor and control centre of embedded system.The nonlinear compensationmodule of temperature had been established.The nonlinear relationships between resistance and temperature was compensated based on particle swarm optimize algorithm.Some comparison of thermistor，thermal resistance and infrared radiation had been finished.The application experiments proved that influence on thermal inertia and dusts can be decreased obviously by temperaturemeasuring system of thermistor.The temperaturemeasurement of thermistor can meet the intelligent control requirement of the flow channel.The mixing performance of asphaltmix plantwas improved.

Metrology；Temperature of flow channel；Thermistor；Thermal resistance；Infrared radiation thermometers；Thermal inertia

TB942

A

1000-1158（2014）02-0125-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．06

2011-09-02；

2013-09-01

华侨大学国家自然科学基金培育计划资助项目（JB-ZR1102）；福建省产学合作重大项目（2012H6014）

杨建红（1974－），安徽霍邱人，华侨大学副教授，博士后，主要从事传感技术研究。yjhong＠hqu.edu.cn