PT100温度传感系统加热控制模型的数据融合

装订线长 春 大 学 毕业设计（译文）纸PT100温度传感系统加热控制模型的数据融合Wen-Tsai Sung*, Jui-Ho Chen, Ching-Li Hsiao摘要：本研究考察了一个温度监测和自动加热系统的控制，温度传感模块采用无线ZigBee芯片。RS232传输红外发射模块的终端接口通过红外发射模块向红外接收模块发出控制包，以控制电磁炉。 ZigBee芯片无线传输是必不可少的网络拓扑设计。后续维护优势所采用的终端接口是一个Visual Basic程序设计的系统监控接口。 具体结果如下：（1）用于数据融合计算的自适应加权融合算法。（2）完成PT100温度传感模块。（3）ZigBee无线传输。（4）红外接收器、发射控制模块的开发。（5）该系统界面设计包括监控、自动控制、手动控制功能。关键词：ZigBee；红外线；自动控制；自适应加权融合；PT1001.简介在当今社会中，无论是日常生活，还是工业和商业，甚至学术研究，温度对于我们来说都是非常重要的参数。它是我们日常生活中不可或缺的一部分。在天气炎热时，我们使用空调来控制温度。 温度控制在一定范围内，以达到定的温度，使我们感到舒适。在烹饪时，根据不同的原料需要不同的温度，控制食物的温度在创造美味的食物中起着至关重要的作用。在工业和学术研究中，温度决定了产品质量、公共安全和实验数据的可靠性。自动化程序控制在工业系统中起着重要的作用，自动控制概念从人工控制扩展而来，是人类控制的必要条件。例如，将散热器加热到一定温度用以加热液体。我们希望散热片温度保持在一定水平。只要适当的控制阀打开，就可以保持这个温度。但是，如果水槽温度发生变化或液体的量发生变化，温度也会发生变化。因此，操作员需要经常监控液体温度和控制阀。操作人员是系统可靠性的原因，一直监视过程是否达到目标，如果没有，则反复调整过程控制以达到要求的状态。由于反应物的累积，以及催化材料的使用不当、工艺条件操作不当、冷却系统问题、混合失效或污染，加热的反应器可能发生失控反应。反应温度异常上升导致失控、起火、爆炸或有毒气体泄漏，这可能是由于反应失控造成的。1996年，桃源县一家工厂的反应堆发生爆炸，爆炸和火灾造成10人死亡，47人受伤1。工厂几乎被完全摧毁了，邻近的工厂也遭到了严重破坏。原因是氧化物反应温度控制失败，导致反应失控，发生小爆炸和火灾，从而促使催化剂产生大爆炸2。另一个例子是1992年彰化县工厂反应堆遭受了一次不受控制的热反射爆炸。幸运的是没有工厂伤亡，警察和志愿消防员及时赶到现场救援受伤员工。整个工厂的制造过程被摧毁。在这次事故中，一台15吨的反应堆遭受了剧烈的失控反应，其工作温度和压力急剧上升。反应堆顶部爆炸进入外部冷凝器大气层，吹开未锁定的井盖，将大量反应物溅入装置，导致反应失控。虽然工作人员紧急将大量的冷却水倒入装置中，但沸腾的液体在反应器内膨胀，压力急剧上升，导致反应爆炸。反应堆顶盖被吹走，伴随着压力爆炸，推翻了控制室附近的相邻钢制支架，两个以上的不良温度控制系统设计导致了化学灾难。 因此，温度控制系统的稳定性是一个关键的安全问题2,3。2.文献回顾温度控制系统中的第一个元件是具有精确的温度传感器。 温度传感技术一般可分为与接触式温度传感器接触的直接测量对象; 和非接触式温度传感器，具有两个使用辐射热的温度投影。接触式：电阻温度检测器，称为RTD、热电偶、热敏电阻等。非接触式：如光学高温计、辐射高温计、红外高温计等。RTD是随温度传感装置的温度变化而变化的电阻值。 它具有高精度的优点，常用于测量温度在200至650之间。 它是一种常见的工业温度传感装置。 RTD由铂（Pt）制成，因为与其他金属相比，高铂纯度可以更容易地进行。Plati-num细丝具有非常高的耐热性： 上面的公式表明，电阻值R和阻力数与导体长度L和导线截面积具有一定关系，在L、A为固定量时，由于温度的变化也会产生相应变化，并且在变化中也有一定的比例。因此，铂电阻数值的大小代表了高温和低温变化范围。铂电阻值为Pt作为标准数，例如Pt-50、Pt-100和Pt-200，在0时，Pt-100标准电阻值为100，当输入信号改变时，Pt-100输出信号每摄氏度的体积灵敏度变化0.38514。电阻与温度之间表达关系为： 表示温度系数，T是摄氏温度，R(T0) 当T = T0时的电阻值。在线圈的两端具有一定电压的时，线圈中流过电流，从而产生电磁效应。 电枢将被电磁力吸引，以克服弹簧张力与铁氧体磁芯的冲击。这驱动电枢动态接触与固定触点（常开触点）并拉动。当电磁吸力消失时，电枢将在弹簧反作用力中返回其原始位置。与固定触点（常闭触点）的动态接触拉动。这种拉动释放动作实现了电路中的传导，重新打开常开、常闭触点。静态接触时，继电器线圈在称为“常开触点”的连接状态下不通电；连接到静触点的状态该点被称为“常闭触点”5。ZigBee硬件和软件标准由IEEE 802.15.4集团和ZigBee联盟组织开发。 ZigBee MAC访问控制层使用准备冲突时通话避免机制。当数据传输需要立即传输时，接收方发送的每个数据包都有一个确认接收，以确认消息回复。如果没有确认消息将再次发送，这种方式大大增加了系统信息传输的可靠性。根据ZigBee联盟的官方报告（ZigBee Alli-ance，2005），与其他无线网络相比，ZigBee网络具有功率，网络节点数，传输距离和系统性能的优势6。红外传输、红外光电断路等的起始场为780nm1.5mm范围。近红外传感器通常使用可见光，直到近红外范围具有硅光伏二极管的波长灵敏度。GaAs元素红外发光二极管峰值发射波长为940950nm，人眼不构成这种波长灵敏度范围。3.系统架构系统架构包括传感模块、终端设备以及受控设备，如图3.1（a）所示，架构详细的说明如图3.1（b）所示。通过A/D转换器获取传感器信号PT100，模拟信号转换为数字信号，通过8051，信号通过I/O处理，同时在七段显示管中通过字符串显示该值。温度传感模块包括ZigBee电路、PT100传感器电路、红外接收器电路以及电源模块，如图3.2（a）所示，PT100和TL084的温度传感示意图、OPA设计如图3.2（b）所示。本文采用Visual Basic软件控制RS232串行传输，通过MAX232信号转换为单片机8051判断，相应的程序输出引脚，通过控制晶体管开关，相应的导通PT2248引脚，相应的信号由红外发射器 二极管发送完成动作的启动。8051判断通过MAX232接收到串行传输信号，如图3.3（a）所示。无线红外发射模块包含ZigBee电路、红外发射电路和电源部分，如图3.3（b）所示。当接收器接收到8051判断的发送信号输出时，通过PT2249解码，晶体管开关由8051 SSR导通控制，使加热炉动作。它利用74LS27触发外部中断控制8051以达到省电功能。图3.4（a）显示了红外接受的框架。PT2249确定接收器接收的信号和相应的信号输出引脚，如图3.4（b）所示。8051红外接收器模块判断红外接收信号程序，如图3.4（c）所示。类似的多传感器数据测量可以被认为是以非随机量的大量噪声测量数据来估计的。由于测量数据中存在噪声，测量数据估计误差的估计值得到。然而该估计误差是一个随机数，通常用于评估均方误差测量方法的优点和影响估计值的主要因素，传感器的均方误差来自均匀误差。为了减少单个传感器的估计均方误差，必须增加测量数据的数量，这将不可避免地降低即时性。为了提高测量的时间和精度，需要同时使用多种不同类型的传感器来测量物理量。本研究中的多传感器数据是使用自调整加权融合估计算法获得的，该算法不需要知道任何先前的传感器测量数据，我们只依赖传感器提供的调查数据。本研究表明，估计的均方误差小于仅依靠单个传感器估计均方误差的误差，但也小于平均多传感器的平均误差估计值7。图3.1系统架构图图3.2 （a）温度传感模块设计（b）温度传感电路图图3.3（a）8051波特包接收程序进程（b）无线红外发射器模块设计图3.4 （a）红外接受框架（b）PT2249接受流程图（c）8051解码器输出相应的引脚程序4.自适应加权融合算法在特征层面，采用自适应加权融合算法的特征融合过程，该算法的前提是特征参数序列假设在正常条件下，加热动作受均匀分布影响，基于传感器提供的测量数据可以期望最小均方误差数据融合值。图4.1显示了自适应加权融合算法模型。图4.1 自适应加权融合算法模型图对应于不同传感器的加权数，这种最佳情况下的总最小均方误差，相应的加权可以使数据融合后的结果最佳。设置温度传感器，测量特征参数序列d1、d2dn，它们的方差分别为，每个传感器的加权因子W1、W2Wn，在加权因子的引入下，传感器融合系统精度是： 当时，预期的总均方误差，最小值是，由于，因此，是精确值， 是数据融合值，问题是当 是最小的情况时，找到值为。 将公式（5）带入（4）中， 该公式是一个关于的多元二次方程，而二次侧的大于0，所得的值是最小值，是历史测量的真值。在这项研究的公式1.6中，n = 10。 在条件水平值理论下，对于公式1.7中，一阶偏导数为0， 有效值： 因此，获得的融合输出为： 5.自动逐步加热实验线监控系统采用Visual Basic可视图形视窗的程序设计。该监视器界面显示PT100传感器模块测量的温度，加热炉显示温度的分为加热和停止加热、手动加热部分和操作次数，如图5.1（a）所示。用户直接输入设计用于需要设置温度，按开始加热仅激活发送的数值。当传感器温度高于设定温度时，绿灯亮；感应温度显示为低于设定温度红灯亮。绿灯表示传感温度高于设定温度，感应温度低于设定温度的红色，如图5.1（b）所示。图5.1无线监控接口 (a)停止加热和(b)加热。该实验分为九个部分。加热当前温度28，目标温度为80，从最高段加热开始，接近目标温度，段数将逐渐减少以达到目标温度，然后将跳闸关闭动作。在28的温度之前没有加热，感应加热器显示待机状态，如图所示5.2（a）。启动电磁炉具有最高数量的P9加热段，当温度接近目标温度时，热量逐渐减少。 该图表显示当前的72，下降到P2段数，完成的温度传感模块，如图5.2（b）所示。无线红外发射器模块和接收器模块成品，如图5.3（a和b）所示。图5.4显示当估计时间接近实际值109秒时，测量值与之匹配。该实验比较了优化数据融合方法。 标准测量和通用数据融合方法基于并行数据融合方法。 基于标准测量引用了我们在第9篇参考文献列表中的前人研究的文献。根据训练误差曲线，基于优化数据融合的方法优于其他测量过程方法。图5.2（a）加热实验装置 （b）温度传感模块图5.3 (a)无线红外发射器模块 (b)无线红外接收器模块。图5.4 传统数据融合方法的结果与创新优化数据融合方法相比5.结论这项工作提出了一个自制的温度传感器模块、红外控制模块，使用ZigBee线程传输技术和Visual Basic图形窗口作为接口，自适应加权融合算法用于数据融合计算，各种模块用于构建完整的监控系统。操作感应加热器加热分为九级加热，低温使用最大加热段数随温度升高。随着温度接近目标温度，段数逐渐减少，加热电磁炉可以控制分段数量以满足需求。该监控系统采用模糊自动控制理论和PID控制，实现了更好的加热温度控制和加热过程。自动化和射频识别监控系统通过减少环境变量和人为风险因素，保持所需的加热系统控制，从而实现安全的工作环境，实现高稳定性、高效率和准确性。参考文献1 D. 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