高精度高炉冷却壁水温测量系统设计

张修成，方挺，董冲，韩家明，徐亭

高精度高炉冷却壁水温测量系统设计

张修成，方挺，董冲，韩家明，徐亭

（安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243002）

为了满足对高炉冷却壁水温的测量要求，设计了一种高精度的高炉冷却壁水温测量系统。温度数据采集上，以铂电阻PT1000作为温度传感器，采用四线制的接法消除导引线的影响，使用高精度的模数转换芯片MAX31865读取初始温度数据。温度数据的处理上，通过中位值平均滤波算法和卡尔曼滤波算法对初始温度数据进行滤波处理，对滤波后的温度数据分段拟合，得到精确地温度值。测试结果表明，该系统在20～50℃范围内，测量精度能达到0.01℃，具有较好的工程使用价值。

高炉冷却壁；水温测量；PT1000；中位值平均滤波；卡尔曼滤波

高炉冷却壁是安装在高炉的炉身、炉腰、炉腹等的一种重要水冷件，有着冷却高炉炉缸内衬的作用[1-2]，通过对冷却壁中水温的测量可以判断出高炉内部是否发生异常。传统的高炉冷却壁水温测量系统存在测量精度低、电路设计复杂等缺点，设计了一种高精度的高炉冷却壁水温测量系统，该系统以STM32微控制器为主控核心，以PT1000铂电阻作为温度传感器，具有精度高、性能稳定、耐腐蚀、使用方便等的优点。

1 系统总体结构

高精度的高炉冷却壁水温测量系统主要由MCU最小系统、温度采集电路、恒压源电路和人机交互电路这四个部分组成，系统的总体框图如图1所示。其中，MCU最小系统作为整个系统的主控单元，用于统筹各个部分的协调工作；温度采集电路负责对温度的读取；恒压源电路给整个系统提供恒定的电压源和对锂电池的充放电管理；人机交互电路包括按键和显示屏，主要负责仪表的操作和温度值的显示。

图1 系统的总体框图

2 温度数据的采集

金属热电阻如镍、铜和铂电阻，其阻值随着温度的变化是正相关的，以铂的物化性质最稳定，被广泛的应用[3]，本文使用的是高精度铂电阻PT1000。影响水温测量精度的因素有很多，其中最主要的因素是铂电阻引线电阻，通常采用电阻补偿的多线制接法尽量减小误差，常用的是四线制接法，如图2所示。四线制接法也称Kelvin法测电阻，用一对导引线接恒定电流源，另一对导引线上测量被测电阻的电压降。为引线Rw1、Rw2、Rw3和Rw4的电阻，通过四线制接法在Rw2和Rw3上的压降可以忽略，测量的电阻值也更接近实际值。

图2 四线制接法图

四线制接法测量精度高但需要提供稳定的电流源，为降低测量电路的复杂性，选用了MAX31865作为铂电阻模数转换器。MAX31865是一款高精度的集成芯片，温度分辨率为0.03125℃，支持四线传感器连接，其电路连接图如图3所示。在测量铂电阻阻值时需要接入参考电阻REF，该电阻与串联，偏置电压作用在REF上端。参考电阻的电阻两端的电压为MAX31865基准电压，电压连接至MAX31865差分输入，则MAX31865产生的数据输出等于电阻与参考电阻REF的比值，其模拟信号和数据信号的转化满足如下公式为

图3 MAX31865接线图

式中，为需要测量的铂电阻；code为MAX31865数据寄存器的15位ADC转换值；REF为参考阻值。

3 温度数据的处理

合理的温度数据处理方法可以最大限度地提高系统的精度。本系统通过中位值平均滤波算法、卡尔曼滤波算法对初始温度数据进行处理，得到准确、稳定的温度数据，再对温度数据进行分段拟合，得到最终的温度值，其数据处理流程图如图4所示。

图4 数据处理流程图

3.1 中位值平均滤波

最大值和最小值是初始数据中的明显干扰值，通过设置的“门槛”将其滤掉即除去，使其不参与累计求和，实际求得的平均值也更加准确[6]。

3.2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波是一种基于均方差误差准则对系统状态变量进行预测的递归式算法[7]。本文所设计的测温系统使用卡尔曼滤波算法对温度测量值进行滤波处理。在一定条件下，温度变化是一个离散性系统，通过状态更新和测量更新，使滤波收敛，预测当前时刻的最优值[8]，其系统模型可用一个线性随机微分方程表示：

测温系统测量值：

（1）预测系统的下一个状态：

静态滤波效果如图5所示，滤波前整个系统的误差较大，误差在0.01～0.04℃之间，最大误差达到了0.07℃。经过卡尔曼滤波后，系统精度有明显的提升，系统误差在0.01℃左右，达到预期静态滤波效果。动态响应效果如图6所示，在测量值趋于稳定时，卡尔曼滤波值也将趋于稳定，以20ms为一个采样周期，整个系统的动态响应时间在10s左右，达到预期动态响应速度，满足对高炉冷却壁水温测量的要求。

图5 Kalman静态滤波效果图

图6 Kalman动态响应效果图

3.3 温度值的分段拟合

表1 温度分段拟合表

4 测验与系统精度分析

测温系统检测试验选用上海正阳仪表厂的恒温箱模拟0.01℃的温度变化，用来检测搭建的水温检测系统在20℃到50℃内温度检测的环境。在相同的条件下，设置一个不做中位值平均滤波、卡尔曼滤波和温度分段拟合处理的对照组，用来验证整个系统的精度。随机采集10次数据，与参考温度作比较，计算出两组的温度差，其结果如表2和表3所示。

表2 对照组测量结果

表3 实验组测量结果

通过分析表2的数据可以看出，直接采集的数据不做数据处理，误差较大，最大的温度误差达到了0.04℃，符合MAX31865的0.03125℃温度分辨率。表3的数据是经过中位值平均滤波、卡尔曼滤波和温度的分段拟合这三步的数据处理，在20℃到50℃的范围内，在0.01℃的误差，但随着恒温箱的温度上升，误差并没有增大，符合预期的效果。

5 结束语

针对高炉冷却壁水温的测量要求，设计了一种高精度的高炉冷却壁水温测量系统。通过对铂电阻测温误差来源分析，在温度数据的采集和处理两个方面提出了优化方案，试验结果表明，系统的整体误差得到有效控制，测量误差为0.01℃，满足对高炉冷却壁水温测量的要求。该系统测量精度高，结构简单，不仅适用于冷却壁水温检测，也适用于其他水温测量系统，具有良好的应用前景。

[1] 徐迅，吴俐俊，陆祖安. 火积理论在高炉冷却壁性能评价中的应用[J]. 同济大学学报（自然科学版），2015, 43(12): 1873-1876.

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[3] 路傲轩，刘品宽. 基于Pt1000的量程可控高分辨率测温系统[J]. 自动化与仪表，2018, 33(06): 64-68, 91.

[4] 王安敏，孟海彦，李锋，等. 基于ADS1248的铂电阻高精度测温装置[J]. 仪表技术与传感器，2017(09): 52-54, 58.

[5] 郝少帅，杨玉华，王淑琴. 基于FPGA的高精度采集系统的研究与实现[J]. 电子测量技术，2020, 43(19): 154-158.

[6] 黄晓英，傅士冀，陈俊，等. 去极值平均滤波技术在智能微欧电阻校准仪中的应用[J]. 电测与仪表，2011, 48(09): 47-48.

[7] 袁闯，赵学亮，魏光华. 基于卡尔曼滤波的铂电阻高精度水温测量系统设计[J]. 自动化仪表，2020, 41(09): 85-88.

[8] 李贤，张辰，潘华锋. 基于铂电阻测温精度拟合算法仿真研究[J]. 软件导刊，2016, 15(01): 71-72.

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Design of high precision blast furnace cooling wall water temperature measurement system

ZHANG Xiu-cheng，FANG Ting，DONG Chong，HAN Jia-ming，XU Ting

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002, China)

In order to meet the requirement of temperature measurement of blast furnace cooling wall, a high precision temperature measurement system of blast furnace cooling wall is designed. For temperature data acquisition, platinum resistance PT1000 is used as the temperature sensor, its resistance is compensated by four-wire connection method, and the high-precision analog to digital conversion chip MAX3186 is used to read the initial temperature data. In the process of temperature data, the initial temperature data is filtered by median average filtering algorithm and Kalman filtering algorithm, and the filtered temperature data is piecewise fitted to get accurate temperature value. The test results show that the measurement accuracy of the system can reach 0.01℃ in the range of 20～50℃, which has good engineering application value.

blast furnace cooling wall；water temperature measurement；PT1000；median filtering；Kalman filter

2021-09-14

安徽工业大学校青年基金“基于人工智能的舰船目标识别技术研究”（QZ202109）；安徽工业大学校青年基金“电力设备外观缺陷的数据合成与图像检测方法研究”（QZ202109）

张修成（1997-），男，安徽六安人，硕士，主要从事工业物联网研究，zhangxiucheng1997@163.com。

TF573.1;TH811

A

1007-984X(2022)03-0007-04