截距式温差测量仪的研制

　　1　引言

　　传统的生产过程自动化中,温度、压力、流量、液位4大参数是实现控制的重要变量,对它的控制精度也直接影响着产品质量。围绕湖北双环化工集团制碱工艺中外冷器的温差检测装置的实现原理进行分析。图1为该生产工艺的示意图。

　　由图1可见,物料冷却管道的长度约为6 m,连同外部冷却装置的管道直径大约为3 m.根据制碱工艺要求,当母液流经该物流管道时,其母液下降的最佳温度应为0·5℃左右。如果出入该冷却器的母液温差太大则会导致产量降低;如果温差太小则会导致产品质量降低。因此,控制外冷器的制冷功率大小是提高产品质量和产品数量的重要保证。目前,市场上虽有很多高精度的温度测量仪表或测量装置,不管是模拟式还是数字式[1-2],都有一定的误差范围。例如,测量范围在150℃的0·1级的高精度测温仪表的测量误差为±0·15℃,若外冷器出入口各安装1个测温仪测量温差,则可能产生的最大误差为0·3℃,这还不包括引线所带来的误差;若采用极高精度的温度检测装置,不但使成本剧增,而且还存在维修困难的问题,这是因为一般化工生产行业的生产车间一般都存在大量腐蚀性气体,它对金属材料都具有一定的腐蚀作用,若是进口设备,则维修更为困难。

　　2　截距式温差测量的形成原理

　　截距式温度测量的基本原理如图2所示。它的基本实现思想实质上就是利用减法电路将输入的不变部分减去,以扩大变化部分的放大比例,这样就能保证高精度的温度测量。为了适应不同的应用环境和不同的应用场合,这个反映不变部分的等效电压源应该是个可变值,否则,它的应用就会受到很大限制。图2(a)中,Ui表示在某一温度下热敏电阻所对应的输入电压;Us代表温度不变部分所对应的电压,即为所对应的截距;Uo则表示放大环节的输出电压。图2(b)形象地说明了该电路输入、输出及放大部分的电压幅值之间的关系。图中的ΔU即为减去截距后应放大部分所对应的电压。

　　显然,当温度的波动不是很大时,ΔU占Ui的份额很小,而Us基本上反映的是与环境温度相对应的一个值。减法电路将固定不变部分(即截距Us)减去后,就可对可变部分进行充分放大,从而大大提高测量精度。对不同的应用地区或应用季节而言,Us应是可调的。由于现有的集成元器件很难找到可变电压源,同时由于稳定性的原因,实际电路中采用电流源在电阻上的压降代替电压源,这样通过改变可变电阻值可实现无级截距电压整定。

　　考虑到实际需要,测量装置中采用PT600热敏电阻作为温度传感器。为了保证热敏元件不受流过本身电流所产生的热效应影响,一般该电流不能大于5 mA.测温的原理实质上就是使某一大小的恒定电流流过待测热敏电阻,得到该电阻上电压的大小也就得到该热敏电阻的实际阻值,从而得到对应的温度。因此,恒流源的精度是保证整个测量系统精度的关键。图3(a)所示即为三端恒流源器件LM334,通过调节RSET可方便调节输出电流ISET.只要测得输出电阻R0上的电压U0,就可得到对应的温度值。为了满足不同截距电压整定或电平转换的需要,可将R0用可变电阻代替,以利于实现平滑调整。根据图3(a)电路原理,LM334的输出电流整定值与整定电阻值之间的关系为：