高炉冷却水温差高精度检测系统的研究与应用

贾 佳杨 进方 挺

（1安徽工业大学电气信息学院，安徽 马鞍山 243000）

（2马钢第三炼铁总厂设备保障部，安徽 马鞍山 243000）

高炉冷却水温差高精度检测系统的研究与应用

贾 佳1杨 进2方 挺1

（1安徽工业大学电气信息学院，安徽 马鞍山 243000）

（2马钢第三炼铁总厂设备保障部，安徽 马鞍山 243000）

针对国内高炉冷却水温差检测系统测温精度不高的弊端，设计并开发了高炉冷却水温差高精度检测系统。检测系统由测温节点、温度采集终端与上位机构成，之间通讯采用RS-485，基于三线制Pt1000设计了比率电桥温度补偿电路，并结合A/D转换器AD7799，构成信号处理电路，提高了水温采集精度。

高炉冷却水；Pt1000；高精度

1 引言

高炉长寿化是当今世界高炉炼铁技术的主要发展趋势，也是高炉生产降低成本，提高生产率的关键，高炉冷却系统水温差的测量可以监测高炉冷却壁的热交换过程和判断高炉炉体侵蚀情况，对保证高炉安全生产、延长高炉寿命有着重要的指导意义，并为热流强度和智能决策的研究创造了条件［1-2］。为了更好的指导高炉生产，对高炉冷却水温检测的精度提出了较高的要求。

目前国内的水温差检测系统绝大多数采用数字式温度传感器DS18B20，精度只有±0.5℃，无法满足高炉冷却水温检测的要求［3-4］。部分先进的水温差检测系统采用铂热电阻Pt1000作为温度传感器，其温度信号采集电路采用恒流源供电［5］，然而恒流源易收到环境干扰，势必会影响高炉冷却水温采集精度。本文针对上述问题，设计了高炉冷却水温差高精度检测系统。

2 高炉冷却水温差高精度检测系统

高炉冷却水温差高精度检测系统由上位机、温度采集终端、测温节点构成。上位机位于高炉控制室，由组态软件编写，负责监控高炉冷却水温差及测温节点状态等信息；温度采集终端位于高炉生产现场，通过RS-485与上位机进行通讯，对若干个测温节点数据进行汇聚并集中发送；测温节点采集冷却水温数据，并利用RS-485将水温数据上传至温度数据终端。测温节点的数量和位置由现场情况确定，并就近接入温度数据终端。检测系统如图1所示。

图1 检测系统结构图

3 测温节点

测温节点采用Freescale 8位单片机MC9S08AW60为主控芯片，并包括Pt1000温度传感器、温度信号处理电路、电源模块，采用三线制Pt1000作为温度传感器检测高炉冷却壁进水、排水温度，由AD7799与比率电桥温度补偿电路构成的信号处理电路采集Pt1000模拟量并转换为数字量，再利用单片机进行换算、线性补偿后得出温度值，通过RS-485发送给温度采集终端。测温节点结构框图如图2。

图2 测温节点结构框图

图3 电桥温度补偿电路图

3.1 温度信号处理电路

传统的Pt1000温度信号处理电路一般采用恒流源驱动电路，恒流源驱动电路通过恒流源使得流过Pt1000的电流恒定，并利用三线制Pt1000抵消导线电阻的影响，为了提高分辨率只能提高流过Pt1000的电流值，从而导致Pt1000自发热变大，从而影响Pt1000测量精度，另外高精度参考电压源易受环境温度的影响较大，所以恒流源驱动电路不利于在恶劣的现场环境下使用。

本系统采用新型比率电桥温度补偿电路作为Pt1000温度处理电路，工作电压为5V，对提高高炉冷却水温差检测的精度具有重要意义，比率电桥温度补偿电路的电路如图3所示。

图中R1、R2为桥臂电阻，Rc为桥臂参考电阻，Rt为Pt1000铂电阻阻值，rd1、rd2、rd3为三线制Pt1000导线等效电阻，Rx限流电阻，U0为Pt1000引线电阻rd3两端的电压，I为流过Pt1000的电流。Ri用于防止流过Pt1000的电流过大，引起Pt1000自发热，导致测量结果出现较大误差。为了尽量减少Pt1000自发热对测量结果的影响，同时又兼顾AD7799参考电压的输入范围，其阻值取值范围为：15K～20K。由图3可得：

式（1）和式（2）相减后可将U0消去得：

由Vc=Vc+-Vc-=I×Rc，可得，AD7799的输出ADout：

式中：N为AD7799的位数。

又设计电路时，存在如下关系：

式中：R0为Pt1000在0℃时的阻值，R0=1000Ω，ΔRt为Pt1000铂电阻阻值与R0之差。将式（5）代入式（4），可得：

由于导线电阻r处于分母位置，且r＜1Ω，即rd≪R0，rd≪Rc，可忽略不计，传统的电桥电路中导线电阻r处于分子位置，测量低温时会引起较大的测量误差。式（6）可进一步化简为：

由式（7）可得：

高炉冷却水的测温范围：0～70℃，由Pt1000分度表可知70℃条件下，Pt1000的阻值为：1270.751Ω，则ΔRtmax=1270.751-1000=270.751Ω，取ΔRtmax/（Rc+R0）≤1/16，可得：Rc≥ΔRtmax×16-R0=270.751*16-1000=3332.016Ω，取Rc=3.6K，Pt1000的温度系数为TCR=3.85Ω/℃，则Pt1000的温度变化值ΔT为：

令式（8）中ADout=1，代入式（9）可得新型比率电桥温度补偿电路的测温分辨率：

4 温度采集终端

温度采集终端采用Freescale16位单片机MC9S12XS128为主控芯片，并包括液晶显示模块、RS-485通讯模块。终端可放置与高炉工况环境较好的位置，采用外部12V电源供电。一个终端最多可挂接16个测温节点，终端具备实时显示所挂接的测温节点温度数据的功能，且当测温节点水温异常或发生故障时，可现场实时报警，并可以通过RS-485将测温节点信息上传至上位机。

温度采集终端的作用是将多个测温节点采集的水温数据及节点状态进行汇总、处理和显示，并和上位机进行数据通讯。温度采集终端程序流程图如图4所示。终端之间互不影响，不会产生串扰，即检测系统中若干个终端出现故障时，其他终端仍然可正常工作，从而确保系统在复杂的高炉工作现场稳定运行。

图4 温度采集终端程序流程图

5 上位机

上位机采用组态王Kingview6.55开发系统监控软件编写，不同的数据终端具有不同的通讯地址，上位机周期的发送命令，从而获取不同温度采集终端的数据。上位机具备显示测温节点水温及工作状态、自动对异常测温点进行报警、故障诊断、定时输出状态报表等功能。通过上位机可管理了解整个检测系统的工作状态，实时监控冷却水温差数据和测温节点的状态。上位机工作界面图如图5所示。

图5 上位机工作界面图

6 应用情况

本文介绍的高炉水温差高精度检测系统，已投产于马鞍山钢铁股份有限公司第三炼铁总厂A、B两座高炉，该系统检测精度高、施工简单、工作稳定，满足高炉冷却水温差的现场检测要求，并可适用于其他多点、高精度水温检测场合。

［1］张福明，程素森.现代高炉长寿技术［M］.北京：冶金工业出版社，2012：9、27-28.

［2］李福进，孙丽英，陈至坤.高炉冷却壁水温差检测系统的研究［J］.仪表技术与传感器，2005，（4）：22-24.

［3］孙丽英，李福进，陈至坤，等.一种数字化高炉冷却不水温差监测系统［J］.河北冶金，2006，（3）：79-81.

［4］江杰，李计川.基于DS18B20的高精度温度测量系统在高炉上的应用［J］.传感器与微系统，2012，（11）：144-146、152.

［5］崔大福，杨友松，江杰，等.一种高炉冷却系统水温差及热流强度在线监测技术［J］.冶金自动化，2004，（1）：55-57、65.

RESEARCH AND APPLICATION OF HIGH PRECISION DETECTION SYSTEM OF BLAST FURNACE COOLING WATER TEMPERATURE DIFFERENCES

JIA Jia1YANG Jin2FANG Ting1
（1 School of Electrical&Information Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 243000）
（2 Equipment Security Department of Ma’anshan Third Iron Making Plant，Ma’anshan Anhui 243000）

In response to the defects of the low accuracy of domestic blast furnace cooling water temperature difference detection system，this paper is aimed at designing and developing a blast furnace cooling water temperature difference detection system with high precision.The detection system consists of the temperature measurement node，the temperature data collection terminal and PC components，and RS-485 is adopted for communications between them.Based on the three wire system Pt1000，this paper designs the circuit of ratio bridge temperature compensation and with the combination of A/D converter AD7799 the signal processing circuit is composed，improving water temperature collection accuracy.

cooling water of blast furnace；Pt1000；high precision

陈小举

TP273

A

1672-2868（2015）03-0090-05

2015-01-22

贾佳（1989-），男，安徽巢湖人。安徽工业大学，硕士研究生。研究方向：嵌入式测控系统。