滕士雷，孔喜梅

（1.無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028；2.無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214151）

基于階躍溫度響應(yīng)的熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

滕士雷1，孔喜梅2

（1.無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214028；2.無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214151）

為了更方便地測(cè)試熱電偶時(shí)間常數(shù)，設(shè)計(jì)了一套熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng),包括工控機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、A/D采集、數(shù)據(jù)采集處理軟件和打印機(jī)等。根據(jù)熱電偶對(duì)階躍溫度的響應(yīng)，提出了一種全新的熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試方法，設(shè)計(jì)功能完善的信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)PCL818L數(shù)據(jù)采集卡將采集的數(shù)據(jù)送交上位機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行分析處理，得到所需要的熱電偶參數(shù)，應(yīng)用軟件提供各類報(bào)表輸出及數(shù)據(jù)打印功能。

熱電偶；時(shí)間常數(shù)；數(shù)據(jù)采集；PCL818L數(shù)據(jù)采集卡；測(cè)試系統(tǒng)

1 引 言

溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)是動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量中的一個(gè)重要參數(shù)，也是衡量溫度傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試性能的重要指標(biāo)，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)都有具體的要求。然而由于影響時(shí)間常數(shù)的因素很多且復(fù)雜，難以用理論計(jì)算的方法獲得準(zhǔn)確的數(shù)值，實(shí)際應(yīng)用中都是采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法來(lái)獲得所需的參數(shù)。因此設(shè)計(jì)功能完善的熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，在各領(lǐng)域的應(yīng)用中具有很大意義。

2 系統(tǒng)原理分析

系統(tǒng)由工控機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路，A/D采集、數(shù)據(jù)采集處理軟件和打印機(jī)等部分組成，系統(tǒng)的測(cè)試原理如圖1所示。

信號(hào)調(diào)理電路對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行有關(guān)處理及放大，經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)由A/D采集，再由處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后將處理結(jié)果打印輸出。下面針對(duì)熱電偶時(shí)間常數(shù)的測(cè)量原理加以分析：

圖1 熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)框圖

熱電偶溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)[1]：

式中：W——熱電偶材料的比重；

V——體積；

C——比熱；

h——導(dǎo)熱系數(shù)；

A——周圍流體薄膜的面積。

由此可表明熱點(diǎn)偶的時(shí)間常數(shù)由熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)形式及測(cè)溫環(huán)境等因素決定。

熱電偶對(duì)階躍溫度的響應(yīng)為：

式中：T——熱電偶指示溫度；

T0——熱接點(diǎn)初溫；

Te——階躍溫度；

t——對(duì)階躍溫度的響應(yīng)時(shí)間；

τ——熱電偶時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)t=τ時(shí)，則有：T-T0=（Te-T0）（1-e-1）=0.632（Te-T0），即時(shí)間常數(shù)是熱電偶指示溫度T與初始溫度T0之差達(dá)到溫度階躍（Te-T0）的63.2%所需的時(shí)間[2]。

由以上推論可知：

對(duì)于熱電偶溫度傳感器，時(shí)間常數(shù)是指示溫度Te與初始溫度T0之差達(dá)到溫度階躍（Te-T0）的63.2%所需的時(shí)間。這是時(shí)間常數(shù)τ的定義，同時(shí)也說(shuō)明了測(cè)量τ的方法。

為了便于溫度階躍的實(shí)現(xiàn)，T0可采用室溫，Te可以是一個(gè)可設(shè)定溫度的恒溫槽，測(cè)量時(shí)將熱電偶直接插入恒溫槽即可。

3 系統(tǒng)采集器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是以工控機(jī)為硬件平臺(tái)，測(cè)試數(shù)據(jù)的提取依靠數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)完成，采集器選用研華公司的PCL818L數(shù)據(jù)采集卡，可以直接與工控機(jī)主板上的接口插槽相連，依靠相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序即可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，結(jié)構(gòu)緊湊，開發(fā)工程量小。

PCL818L是一個(gè)多功能高性能通用的數(shù)據(jù)采集卡，它在一個(gè)板上集成了所有數(shù)據(jù)采集的功能如A/D，D/A，D/O 和 D/I[3]。

PCL818L有以下特性：8路單端12位模擬輸入通道；各種輸入電壓范圍（雙極性）有2.5V、1.25V、0.625V和0.312 5V；一個(gè)12位單片模擬輸出通道；轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs；精度為讀數(shù)的0.015%±1 Bit LSB；輸入阻抗為10MΩ；采樣傳輸速率為25kHz（最大）。

PCL818L與其他硬件設(shè)備的交互接口是CN1、CN2和CN3。CN1是數(shù)字輸出接口；CN2是數(shù)字輸入接口；CN3是模擬輸入/輸出接口。因?yàn)闇y(cè)試的是模擬信號(hào)，所以只用到CN3[4]。關(guān)于PCL818L數(shù)據(jù)采集卡的詳細(xì)資料請(qǐng)參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)。

3.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

采集卡的輸入電壓范圍設(shè)置為1.25V?？紤]到電壓邊界特性，把對(duì)應(yīng)的輸入電壓調(diào)理成-1.20～+1.20V[5]。熱電偶輸出信號(hào)分為熱電勢(shì)信號(hào)和電阻信號(hào)，不同的信號(hào)采用不同的信號(hào)調(diào)理電路，下面逐一介紹對(duì)各種信號(hào)的處理方法及原理。

3.1.1 熱電勢(shì)信號(hào)

熱電偶輸出信號(hào)為熱電勢(shì)時(shí)，因信號(hào)值很小，故采用差分放大電路，放大倍數(shù)可通過(guò)電位計(jì)進(jìn)行調(diào)整。另外可在輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，通過(guò)軟件配合對(duì)放大器零點(diǎn)和電路增益進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，保證測(cè)量精度。熱電勢(shì)信號(hào)調(diào)理電路原理如圖2所示。

圖2 熱電勢(shì)信號(hào)調(diào)理電路原理框圖

當(dāng)輸入熱電勢(shì)為0～4.1mV時(shí)，經(jīng)過(guò)放大、電平平移后的電壓為-1.20～+1.20V，送A/D采樣。

“標(biāo)定電路”的作用是由軟件確定放大電路的零點(diǎn)和電路增益。

零點(diǎn)標(biāo)定：在輸入端接入電壓0V（設(shè)為x0），通過(guò)軟件讀取對(duì)應(yīng)的AD值（設(shè)為y0）。

電路增益標(biāo)定：在輸入端接入約4mV的電壓，設(shè)為x1，同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)電壓表測(cè)量具體數(shù)值。通過(guò)軟件讀取對(duì)應(yīng)的AD值（設(shè)為y1），x1的具體數(shù)值由鍵盤輸入到電腦。

通過(guò)二個(gè)點(diǎn)（x0，y0）、（x1，y1）可定出一條輸入電壓和AD值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系直線。

設(shè)某個(gè)電壓值x對(duì)應(yīng)的AD值為y，則：

信號(hào)的接入由調(diào)理板上的切換電路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 電阻信號(hào)

熱電偶輸出信號(hào)為電阻時(shí)，采用分壓電路將其轉(zhuǎn)換為電壓，放大倍數(shù)可通過(guò)改變電位計(jì)RP1的電阻值來(lái)進(jìn)行調(diào)整。另外可在輸入端接入標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過(guò)軟件配合對(duì)放大器零點(diǎn)和電路增益進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，保證測(cè)量精度[6]。

電阻信號(hào)調(diào)理電路原理與熱電信號(hào)基本相同，可參考圖2。當(dāng)輸入電阻為46～150Ω時(shí)，經(jīng)過(guò)放大、電平平移后的電壓為-1.20～+1.20V，送A/D采樣?！皹?biāo)定電路”的作用和方法同熱電勢(shì)信號(hào)所介紹。

3.2 采樣精度與測(cè)量精度分析

采集器PCL818L的采集頻率最大可達(dá)到25kHz，選用100Hz采集頻率，就可以達(dá)到不低于0.05 s的時(shí)間精度要求[3]。

采集器為12位的A/D卡，精度為讀數(shù)的0.015% ±1 Bit LSB。1 Bit LSB對(duì)應(yīng)的精度為（1/4096）×100%=0.024%[6]。因此 A/D 卡總的精度為±（0.015+0.024）%=±0.039%。

在設(shè)計(jì)中，A/D卡的輸入信號(hào)范圍通過(guò)信號(hào)調(diào)理后滿量程使用，使得熱電勢(shì)信號(hào)和電阻信號(hào)的精度分別可以達(dá)到0.48%和0.14%，足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

3.3 可靠性設(shè)計(jì)

為保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性要求，從元器件的選用到整機(jī)的裝配，均嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，均選用可靠性指標(biāo)比較高的元器件，按照EMC電磁抗干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)與制作。另外在電源輸入線路上加裝輸入濾波器以提高設(shè)備的抗干擾能力。

4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件系統(tǒng)組成及程序設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用VC++6.0編寫，由采集卡控制程序、溫度信號(hào)采集程序、信號(hào)分析處理程序、結(jié)果表達(dá)程序、人機(jī)接口程序和存儲(chǔ)/報(bào)表輸出程序6個(gè)部分組成，軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

使用VC++6.0編程時(shí)，程序要包含ADSAPl32．UB和頭文件Driver．h，它是應(yīng)用Adantech DLL的基礎(chǔ)。在程序中添加采集器PCL818L的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，提供了對(duì)PCL818L相關(guān)口地址的讀寫操作函數(shù)[4]。這些函數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)的Windows API，主要用到的動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)包括：

（1）DRV-GetErrorMeSSage

函數(shù)功能：根據(jù)錯(cuò)誤的代碼得到出錯(cuò)的信息，然后將此錯(cuò)誤信息返回到信息緩沖器。

（2）DRV-Deviceopen

函數(shù)功能：從注冊(cè)或配置文件得到適合于設(shè)備工作的參數(shù)，并分配內(nèi)存用來(lái)存儲(chǔ)這些參數(shù)以快速提取。

（3）DRV-DeviceClose

函數(shù)功能：用來(lái)釋放所分配的存儲(chǔ)參數(shù)。

（4）DRV-GetAddress

函數(shù)功能：返回一個(gè)變量的指示器或地址。

（5）DRV-AIConfig

函數(shù)功能：為模擬輸入通道進(jìn)行增益配置。

（6）DRV-AIVoltageIn

函數(shù)功能：讀取一個(gè)模擬輸入通道，然后返回結(jié)果到一個(gè)電壓（單位：V）。

（7）數(shù)據(jù)功能結(jié)構(gòu)函數(shù)，包括：

根據(jù)數(shù)據(jù)采集的要求，在軟件編寫的過(guò)程中，A/D轉(zhuǎn)換功能尤為重要，這里給出實(shí)現(xiàn)對(duì)8路模擬量數(shù)據(jù)采集通道中的電壓測(cè)量的主要代碼：

最后，編譯并運(yùn)行程序，可以從屏幕上看到PCL818L數(shù)據(jù)采集卡各通道輸入模擬量的電壓值。

數(shù)據(jù)采集完成后經(jīng)過(guò)軟件處理得出測(cè)試結(jié)果，PCL818數(shù)據(jù)采集卡支持Matlab應(yīng)用，為了編程更方便、功能更穩(wěn)定，軟件中畫圖和時(shí)間常數(shù)的計(jì)算是通過(guò)VC++6.0調(diào)用Matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)的。程序中用Matlab編寫完畫圖和計(jì)算時(shí)間常數(shù)的函數(shù)后，分別將它們生成兩個(gè)不同的COM組件并進(jìn)行打包，然后將生成的COM組件對(duì)應(yīng)的DLL文件添加到VC++6.0工程的引用中去，這樣就可以在VC++6.0中進(jìn)行使用了。

4.2 系統(tǒng)界面及其功能設(shè)計(jì)

測(cè)試軟件的主界面如圖4所示。測(cè)試結(jié)果在工控機(jī)顯示器上顯示，操作簡(jiǎn)便、直觀。在主界面中，除了菜單命令外，也可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的命令按鈕進(jìn)行操作。

4.2.1 系統(tǒng)管理

圖4 系統(tǒng)主界面示意圖

系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)自檢、退出等命令。系統(tǒng)自檢是在測(cè)試軟件啟動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行檢測(cè)，并依此判斷系統(tǒng)是否可以正常工作。

4.2.2 測(cè)試控制管理

測(cè)試控制完成測(cè)試任務(wù)的組織、調(diào)度和管理，包含型號(hào)選擇、測(cè)試時(shí)間設(shè)置和校準(zhǔn)等信息。各命令菜單的功能說(shuō)明如下：

（1）型號(hào)選擇命令用下拉式菜單實(shí)現(xiàn)，分為熱電偶式和熱電阻式兩個(gè)型號(hào)。

（2）測(cè)試時(shí)間設(shè)置用輸入文本框?qū)崿F(xiàn)，可在出現(xiàn)的文本框中設(shè)置測(cè)試時(shí)間；測(cè)試時(shí)間可以通過(guò)將熱電偶浸入恒溫槽，達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間進(jìn)行估算。

（3）開始測(cè)試表示設(shè)備進(jìn)入就緒狀態(tài)，它自動(dòng)跟蹤被測(cè)量溫度，當(dāng)與T0溫度差超出ΔT時(shí)開始測(cè)量并開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)設(shè)定的測(cè)試時(shí)間后自動(dòng)停止測(cè)試。

（4）熱電阻阻值設(shè)定可以設(shè)定熱電阻阻值；測(cè)試臺(tái)可對(duì)不同類型的熱電阻進(jìn)行時(shí)間常數(shù)的測(cè)量。

（5）標(biāo)定是對(duì)放大電路進(jìn)行零位校準(zhǔn)和比例放大倍數(shù)校準(zhǔn)，使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4.2.3 工具管理

工具菜單命令提供對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理的命令。包括報(bào)表生成、報(bào)表打印和歷史報(bào)表查詢等命令。

4.3 輸出報(bào)表及測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試的過(guò)程中，將待測(cè)傳感器放入設(shè)定的恒溫槽可連續(xù)加熱，當(dāng)被測(cè)熱電偶檢測(cè)溫度達(dá)到橫溫槽設(shè)定溫度的63.2%時(shí)系統(tǒng)顯示出時(shí)間常數(shù)值τ，打印機(jī)輸出的報(bào)表格式如圖5所示。

圖5 應(yīng)用軟件輸出報(bào)表界面設(shè)計(jì)

（1）輸出報(bào)表的縱坐標(biāo)隨被測(cè)熱電偶類型不同而變化。為了符合相關(guān)單位與科研機(jī)構(gòu)對(duì)參數(shù)的獲取需求，更直觀地輸出測(cè)試結(jié)果熱電勢(shì)型為溫度刻度、熱電阻型為電阻刻度。

（2）輸出報(bào)表的橫坐標(biāo)為時(shí)間。T0為按“開始測(cè)試”命令后到熱電偶放入恒溫槽后開始測(cè)試的時(shí)間，由于恒溫槽加熱時(shí)間與實(shí)際溫度T變化的關(guān)系如表1所示。

表1 恒溫槽加熱時(shí)間與實(shí)際溫度T變化的關(guān)系

根據(jù)此表以及大量的實(shí)踐表明，在5倍τ以后階躍溫度趨于平衡，因此將恒溫槽加熱時(shí)間確定為溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的5倍以上，以獲得準(zhǔn)確的時(shí)間常數(shù)值。界面中（Ts-T0）為設(shè)置的測(cè)試時(shí)間，橫坐標(biāo)的刻度根據(jù)設(shè)置時(shí)間的長(zhǎng)短自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）“T”為在測(cè)試過(guò)程中顯示即時(shí)溫度值（若測(cè)試的是熱電阻則顯示電阻值）。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用了全新的設(shè)計(jì)方案，在信號(hào)的處理、采集、軟件功能方面都做了深入的分析，設(shè)計(jì)了較為完善的硬件操作平臺(tái)及上位機(jī)測(cè)量軟件，使得測(cè)量更為科學(xué)、準(zhǔn)確且操作方便，可以滿足相關(guān)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求。因此，系統(tǒng)產(chǎn)品化后取得了很好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，成為熱電偶時(shí)間常數(shù)測(cè)量與分析的有力工具。

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Test system of time constant based on step tem perature response

TENG Shi-lei1，KONG Xi-mei2
（1.Wuxi Machinery and Electron Hicher Professional and Technical School，Wuxi 214028，China；2.Wuxi Institute of Communications Technology，Wuxi 214151，China）

In order to facilitate the test of thermocouple time constant，a thermocouple time constant test system was designed.The system is composed of IPC，signal conditioning circuit，A/D collecting card，data processing software and printer.In addition，a new method for testing the time constant of thermocouple was proposed according to its response to phase step temperature.By the PCL818L card，the data was collected and transferred to application software for analysis，by which the desired parameters of thermocouple can be obtained.The application software provides all types of reporting forms output and data printing.

thermocouple；time constant；data processing；PCL818L；test system

TH811；TP212.11

A

1674-5124（2011）01-0024-04

2010-03-16；

2010-06-05

滕士雷（1982-），男，江蘇連云港市人，高級(jí)技師，主要從事工控系統(tǒng)開發(fā)及機(jī)床改造等方面的研究工作。