基于红外技术的超速离心机测温系统研究与设计.pdf

2 0 1 2年 第 3 1卷 第3期 传感器与微系统 T r a n s d u ce r a n d M icr o s y s t e m T e ch n o l o g i e s 1 1 9 基 于红外技术 的超速 离心机测温 系统研 究与设计 向 阳 刘波峰 张俊 韩延结 卓思成 林卉 1 湖南大学 电气与信息工程学院 湖南 长沙 4 1 0 0 8 2 2 长沙易达仪器有 限公司 湖南 长沙 4 1 0 2 0 5 摘要 超速离心机转子需要在高真空环境下高速运行 传统的接触式测温会产生较大的误差 根据红 外测温的原理 采用红外热电堆传感器测量转子的温度 介绍了红外测温系统的总体设计和测量电路硬件 设计 并重点研究了环境温度与转子材料发射率对测量精度的影响 采用了相应的补偿算法来提高精度 经仿真实验和实际测试表明 该系统能满足超速离心机的温控要求 关键词 超速离心机 红外测温 放大调理电路设计 环境温度与发射率补偿 中图分类号 T H8 1 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 2 0 3 0 1 1 9 0 3 Re s e a r ch a n d d e s ig n o f u lt r a ce n t r if u g e t e mpe r a t u r e me a s ur in g s y s t e m ba s e d o n in f r a r e d t e ch no lo g y XI ANG Ya n g L I U Bo f e n g Z HANG J u n HAN Ya h z h e Z HUO S i ch e n g L I N Hu i 1 S ch o o l o f E l e t r i ca l a n d I n f o r ma t io n E n g i n e e r i n g Un iv e r s it y o f Hu n a n C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 C h i n a 2 C h a n g s h a Yi d a I n s t r u me n t C o L t d C h a n g s h a 4 1 0 2 0 5 C h i n a Ab s t r a ct U lt r a ce n t ri f u g e r o t o r n e e d s h ig h s p e e d o p e r a t io n in a v a cu u m e n v ir o n me n t t h e t r a d it io n a l co n t a ct t y p e t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t p r o d u ce s la r g e e r r o r s Ba s e d o n t h e p r in cip le o f in f r a r e d t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t u s in g inf r a r e d t he r mo pile t e mpe r a t u r e s e n s o r t o d ir e ct me a s ur e t he r o t o r t e mp e r a t u r e Th e o v e r a ll d e s ig n a nd me a s ur e me n t cir cuit S ha r d wa r e d e s ig n a r e d e s cr ibe d I mp a ct o f e n v ir o n me n t a l t e mp e r a t ur e a n d r o t o r ma t e r ia l e mis s iv it y o n me a s ur e men t p r e cis io n is f o cus e d o n a nd a co r r e s p o n din g co mp e ns a t io n a lg o r it hm is u s e d t o imp r o v e t h e p r e cis io n T h e s imu la t io n e x p e ri me n t s a n d p r a ct ica l t e s t s s h o w t h a t t h e s y s t e m ca n me e t t h e t e mp e r a t u r e co n t r o l r e q u ir e me n t s o f u lt r a ce n t r if u g e Ke y wo r ds ult r a ce nt r if u g e in fra r e d t e mp e r a t u r e me a s u r e me nt z o o m co n dit io n in g cir cu it d e s ig n a mb ie n t t e mp e r a t u r e a n d e mis s iv it y co mp e n s a t io n 0 引 言 转速在 3 0 0 0 0 r ra in以上的离心机被称为超速离心机 当转子高速旋转时 与空气摩擦生热 转子中被分离的样品 温度也会随之升高 将会造成样品变质 因此 需要正确地 测量转子的实际温度 以保证分离完成后样品的品质 直接测量旋转中的转子的实际温度比较困难 普通离 心机通常是在离心室底部离转子较近的地方安装接触式温 度传感器来测量离心 室温度 从 而间接测 出转子 温度 而 超速离心机离心室则是处在高真空度环境中 传统的接触 式测温方法会造成较大的测量误差 本文采用非接触式的 红外传感器来直接测量转子的温度 1 红外测温 工作原理 一 切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围发出 红外辐射能量 根据普朗克原理 物体辐射能量的大小直 接与该物体的温度有关 用公式可以表达为 P 6 s 6 1 式中P为黑体辐射的能量 为史蒂芬一 玻耳兹曼常数 为物体的辐射率 为被测物体的绝对温度 本系统采用热电堆红外传感器 其工作原理是温差电 势效应 即同一物体的两端如果有温差 这二端将存在电势 差 在热电堆的实际使用中需考虑环境温度对输出的影 响 传感 器的输出电压可表示为 U h e 一 2 式中 为传感器输出电压 K为传感器特性 因子 s为 物体的辐射率 为被测物体绝对温度 为环境绝对温 度 收稿 日期 2 0 1 l 0 7 5 基金项 目 长沙市产学研合作专项重点基金资助项 目 K 0 9 2 0 1 8 1 1 科技部科技 中小企业技术创新基金资助项 目 0 8 C 2 6 2 1 4 3 0 2 1 7 4 1 2 0 传 感 器 与 微 系 统 第 3 l 卷 2 离心机红外测温 系统原理 超速离 心机 红外测温 系统 的系统框 图如 图 1 所示 主 要包括 1 光学系统 通过光阑 滤光片等一系列的光学元 件 保证 目标最大辐射能量传送到红外传感器 并用以减小 传感器的视场角度 增加红外传感器测量的距离系数 2 红 外传感器 接收红外热辐射能量并产生一个微弱的电压信 号来测出目标温度 同时通过热敏电阻器阻值的变化测出 环境温度 3 放大滤波电路 将热电堆电压信号和热敏电阻 器信号分别经过放大滤波处理 以便后续采样处理 4 主控 制器模块 负责 A D采样 数据处理 与触摸屏的通信 5 触摸显示屏 用于参数设置与温度实时显示 圈 图 1 超速离心机红外测温系统框 图 Fig 1 Blo ck dia g r a m o f in f r a r e d t e mp e r a t ur e m e a s u r e me nt s y s t e m o f t he u lt r a ce n t r if ug e 3 硬件 设计 3 1 红外传感器 离心机红外测温系统采用 T S l1 8 3热电堆传感器作为 温度采集器件 这种传感器具有响应速度快 高灵敏度的特 点 测量范围为 2 0 8 5 它是由热电堆和热敏电阻 器两部分组成 采用4管脚T O 一 1 8封装 3 2 放大测量电路设计 如图2所示 信号检测部分采集两路信号 一路热敏电 阻器信号 一路热电堆信号 热敏电阻器随着环境温度的变 化改变阻值 通过电桥放大电路可以将变化的电阻值转换成 电压的变化并进行放大输 出 并且在放大过程中进行线性 化 用来对红外传感器的测量结果进行实时的补偿和修正 红外传感器信号放大电路的主要作用就是将该微弱电 压信号进行无失真的放大和调理 并消除高频噪声的干扰 热电堆电压信号非常微弱 其输出为一1 2 m V 因此 使用 斩波稳零式高精度放大器I C L 7 6 5 0 构成前置放大器 将热 图 2放 大 电路 Fig 2 Amp lif ica t io n cir cu it 电堆信号放大 l 0 0 0倍 由于放大倍数较大 为了防止 自激 资源和超低功耗和强大的数据处理能力 振荡 采用两级运放进行信号放大 并在每个反馈电阻器上4 环境温度补偿算法研究与实现 并联一只电容器来进行相位补偿 当离心机转子的温度低 由红外测温的原理可知 热电堆输出电压将随着 目标 于离心室环境温度时 由热电堆的测温原理可知 其输出的 物体与环境温度之间的差值的变化而变化 因此 必须要进 电压信号为负 设计中采用了参考电压芯片 R e f 3 0 1 2 它可 行环境温度 的补偿才能得到较精确 的测量结果 本文通过 以产生 1 2 5 V的参考电压 通过低漂移运放 O P 0 7将传感 软件的方法来实现补偿 实现了传感器与微处理器结合的 器的输出信号提升 满足 A D采样的要求 为防止信号变 智能传感器系统 从而达到较高的精度 满足超速离心机对 换过程中的干扰信号 在接入 A i D前加入了一个二阶低通 温度测量精度的要求 滤波器 其截止频率为 1 5 9 1 5 H z 4 1 环境温度 的测量 3 3主控 制 器芯 片 主控 芯片作为整个超 速离心 机电控 系统的核 心 在 离 心机工作时要完成繁多的任务 有较高的要求 本文选用 了 MS P 4 3 0系列微控制器 MS P 4 3 0 F 2 4 9 用来完成 A D数据 采集处理 数据存储 串 口通信 控制系统运行等任务 M S P 4 3 0 F 2 4 9拥有精简的 指令 集 R I S C 结 构 丰 富的片 内 环境温度的测量由T S l1 8 3内集成了一只热敏电阻器 来 完成 其输出的电压信号 经过相应 电桥放 大凋理后 与环 境温度变化对应呈线性对应关系 4 2 一维环境温度补偿算法 一 维环境温度补偿算法是在多项式拟合的时候先暂时 不考虑环境温度的影响 把不同环境温度下的输出曲线在 第 3期 向 阳 等 基于红外技术的超速离心机测温系统研究与设计 1 2 1 某 一环 境温度做多项式拟 合 拟 合得 到的各 阶系数适用 于 整个环 境温 度范围 只是常数项有不 同 然后 再根据 环境温 度的变化来计算出常数项的值 j 以环境温度为 2 O 时 物体输出特性的拟合公式f U 2 0 作为标准 二次项和 一 次项系数不变 只改变常数项 的值 这样就还需要一个 函数g 2 0 来计算不同环境温度下测量的物体温度与 2 0 下测量的物体温度之间的差值 用公式可以表达为 T o U 2 0 g 2 O 3 式中 为物体实际温度 为热电堆输出电压 为 环境温度 使用 Ma t l a b拟合出的特性公式为 U 2 0 3 4 b 3 5 lU o 1 9 4 g 2 0 1 2 6 2 4 5 则将式 4 式 5 代人式 3 可得 蜥 3 4 3 5 U 1 2 T o b 4 3 6 拟 合的特性曲线 如图 4所示 5 0 4 0 3 0 2 0 lO O lO 热电堆输 电压 v 图 3 不同环境温度下的目标温度拟合 曲线圈 Fig 3 Te mpe r a t u r e fi t t ing cu r v e o f t a r ge t u nd e r d iffe r e n t t e mpe r a t u r e 由图3所见 在离心机工作温度范围下的温度拟合效 果并不好 最大误差达到了2 左右 不能符合超速离心机 温度测量误差最大为 1 q c 的要求 因此 需要使用更加 精确的补偿算法 4 3 二维回归分析补偿算法 4 3 1 二维回归分析数学模型 多维 回归分析法是 数据处理 方法之 一 由多维 回归方 程来建立被测 目标参量与传感器输出量之间的对应关系 按照最小二乘法用实验中的校准数据计算出均方误差最小 条件下的回归方程系数 这样 当测得传感器的输出值 时 就可以利用多维 回归方程来计算出相应的 目标参数 因此可以使用多维回归分析法建立一个二元函数如下 T o U U 7 式中 为目标温度 为热敏电阻器输 出信号 为 热 电堆 输出信号 使用热敏电阻器输出信号 u 和热电堆输出信号 来共 同计算 目标 的实际温度 利用二维 回归方程描述为 T rz 1 6 2 6 Uo 4 6 a 5 s 8 式中 a a a a a 5为 常数项 F为高 阶无穷小 如 果能把式 中的各 常数项 系数 推导 出来 那 么 目标 温度 就可 以计算 出来 了 4 3 2 各常数项系数的确定 在离心机转子工作温度的范围内确定 n 个 目标温度标 定点 在环境温度范围内确定 m个环境温度标定点 于是 由目标温度与环境温度构成的标准发生器在各个标定点的 标准输入值为 咖 Ta T a Ta 6 对应于上述各个标定点可以得到相应的输出电压值 神 与 这样 相当于在 m个不同环境温度状态下进 行 i l 次检测标定 经标定获得了 m条热电堆输入输出特性 曲线 为确定二次曲面拟合方程式中的常数项 可以根据最 小二乘法原理 使求得的系数值满足均方误差最小 即二次 曲面拟合方程得到的 U o 与标定点 之间存在 误差 其方差 为 T o f U U舢 9 式 中k l 2 m n 总共有 m n个标定点 其均方误 差 R应为最小 R m x n 一 lU n 2 U o a 3 U k 挑 0 4 5 a 0 a l a 2 a 3 a 4 a 5 ra in 1 0 由式 1 0 可见 均方误差 R是 常系数 a a 的函数 根据多元 函数求极值 的条件 令下列各偏导为 0 即 丛 O a o o 筹 0 篆 o 筹 o 筹 o 蓑 o 由上述方程组可以求出各常数项系数 如此二次曲面 拟合方程式就完全确定了 利用上述公式可推得曲面的拟 合公式 为 2 7 1 4 1 4 57 m 一2 9 4 4 1 4 43 U m 6 0 0 4 8 7 6 0 8 5 2 2 1 1 使用 Ma t l a b拟合所 得特性曲面如 图 4所示 赠 皿 图 4不同环境温度下 目标温度拟合 曲面图 Fig 4 F it t ing s ur f a c e t e mp e r a t ur e m a p o f tar g e t u n d e r d iffe r e n t t e mp e r a t ur e 下转第 1 2 5页 赠蠖 皿 第 3期 施艳艳 等 基于弧状电极传感器的气 水两相流参数测量系统设计 1 2 5 4结论 为研究水平气 水两相流中的相含率参数 同时考虑测 量过程中对数据采集系统高精度和实时性的需求 设计 了 基于 P X I 的弧状电极电导传感器测量系统 系统主要包括 方波激励恒流源 信号处理电路以及数据采集模块 并采用 图形化编程语言 L a b V I E W 8 5进行波形输出 采集以及信 号处理电路的控制等程序的编写 对气 水两相流层状流 环状流和泡状流3种典型流型进行静态模拟 标定结果表 明 层状流和环状流的液相含率可以用测量电极所得的无 量纲电压表征 而泡状流的液相含率与无量纲电压的关系 则通过 Ma x w e l l方程描述 具有较高的线性度 通过对测量 的两相流相含率信号进行分析处理并结合两相流流速估 计 流型识别和测量模型的建立 可以为两相流各分相流量 和混合流量 的最终测量奠定基础 该测量 系统具有测 量精 度高 实时性强及运行稳定等优点 能够满足两相流测量中 对采集系统的需求 参考文献 1 He w i t t G F Me a s u r e m e n t o f t w o p h a s e flo w p a r a me t e r s M L an d o n Aca d e mic P r e s s 1 9 7 8 2 C o n e y M W E T h e t h e o r y a n d a p p l ica t i o n o f co n d u ct a n ce p r o b e s f 0 r t h e me a s u r e m e n t o f l i q u i d f i l m t h i ck n e s s i n t w o p h a s e flo w J J o u r n a l o f P h y s ics E S cie n t ific I n s t r u me n t s 1 9 7 3 6 9 0 3 9 1 0 3 P a n a g i o t o p o u l o s N L u ca s G P S im u l a t i o n o f a l o ca l f o u r s e n s o r co n d u ct a n ce p r o b e u s i n g a r o t a t i n g d u a l s e n s o r p r o b e J Me a s u r e m e n t S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y 2 0 0 7 1 8 8 2 5 6 3 2 5 6 9 4 D o n g F J ia n g z x Q i a o x T e t a 1 Ap p l i ca t i o n o f e l e ct r i ca l r e s t s t a n c e t o mo g r a p h y t o t wo p h a s e p ip e fl o w p a r a me t e r s me a s u r e m e n t J F l o w Me a s u r e me n t a n d I n s t r u m e n t a t i o n 2 0 0 3 1 4 4 5 1 8 3 1 9 2 5 F o s s a M I n t e r m it t e n t f l o w p a r a me t e r s f r o m v o i d fr a ct i o n a n a l y s i s J F lo w M e a s u r e m e n t a n d I n s t r u m e n t a t i o n 2 0 0 3 1 4 4 5 1 6 1 1 6 8 6 C o s t i g a n G Wh a ll e y P B S l u g flo w r e g i m e i d e n t i fica t i o n fr o m d y u a r n ic v o id fr a ct io n r a e a s u r e n le n t in v e r t ica l a ir w a t e r flo w s J in t e r n a t i o n a l J o u rna l o f Mu h i p h a s e F l o w 1 9 9 7 2 3 2 2 6 3 2 8 2 7 张重雄 虚拟仪器技术分析与设 计 M 北京 电子工业 出版 社 2 0 0 7 3 3 3 9 8 A n d r e u s s i P D o n f r a n e e s co A D Me s s i a M An i mp e d a n ce me t h o d f o r t h e me a s u r e m e n t o f l i q u i d h o ld u p i n t w o p h a s e flo w J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mu h i p h a s e F l o w 1 9 8 8 1 4 6 7 7 7 7 8 5 作者简介 施艳艳 1 9 8 2一 女 山东莱芜人 博士研究 生 主要从事 两相 流测试 测技术 的研究 t 它 0 0 0 上接第 1 2 1页 图 5显示了各个标定点与拟合曲面之间的关系 从中 可以看出各标定数据与拟