呂鵬飛,裴東興,沈大偉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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基于K型熱電偶的瞬態(tài)測溫技術的研究

呂鵬飛,裴東興*,沈大偉

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

針對導彈環(huán)境瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)的特定要求及現有存儲測試系統(tǒng)存在的測試精度低、可靠性差、成本高等問題,本文論證并設計了基于K型熱電偶的動態(tài)存儲測試系統(tǒng)。文章介紹了系統(tǒng)組成,并對測試系統(tǒng)的可行性進行了論證,提出了熱電偶動靜態(tài)校準的關鍵技術。該技術為環(huán)境溫度的測量提供了重要的保障,用實測的數據對系統(tǒng)進行動靜態(tài)校準,分析得出相關結論。研究表明:該測試系統(tǒng)具有實際工程使用價值,可為分析導彈環(huán)境溫度提供一種快速的、有效的、精確的測試手段。

動態(tài)存儲測試;瞬態(tài)測溫;動靜態(tài)校準;可行性;K型熱電偶

環(huán)境溫度對導彈的射擊精度、射程等參數的評估有著非常重要的意義。這樣,及時的、準確的獲得導彈各部段的溫度就顯得至關重要。目前對導彈溫度的測量,大多使用國外進口的專用溫度傳感器,利用普通熱電偶對導彈溫度測量的相關研究甚少。普通的熱電偶是否同樣可以滿足測試的需求在當下顯得尤為重要。本文選取K型熱電偶作為溫度傳感器,通過合適方案組建最宜測試系統(tǒng)[1-2]。目前,國內外常利用軟件和專用集成電路芯片的方法來實現冷端溫度補償,但他們存在可靠性較差、精度不高,價格昂貴等問題[3-6],針對上述問題,本文提出一種基于AD8497的冷端溫度補償的測試系統(tǒng),AD8497能夠根據環(huán)境溫度的變化自動實現熱電偶的冷端補償,該系統(tǒng)具有“低功耗、可靠性高、精度高、價格低”的優(yōu)點,對測試系統(tǒng)中使用的K型熱電偶進行動靜態(tài)校準,分析該存儲測試系統(tǒng)的實用價值。

1 系統(tǒng)設計

1.1 K型熱電偶及冷端補償方案

本溫度測試系統(tǒng)中我們選擇使用K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶。

熱電偶是利用導體或者半導體材料的熱電效應將溫度的變化轉換為電動勢變化的元件,2種不同材質的導體連接時會產生接觸電動勢;同一材質的導體在兩端溫度不同時會產生溫差電動勢,這兩部分之和組成了熱電偶的總熱電動勢。

①根據測試要求,溫度的測試范圍在-10 ℃～500 ℃,K型熱電偶的測試范圍都很大,一般在-200 ℃～1 300 ℃之間,完全滿足測試信號范圍要求。

②K型熱電偶具有很好的線性度,熱電動勢較大,靈敏度高,熱電性能穩(wěn)定,抗氧化性能強。

根據對熱電偶的基本定律的分析,在測試溫度時,必須保證冷端溫度不變。在實際應用中冷端溫度容易波動,所以需要對其進行補償。依照“微體積、高可靠性、微功耗”的原則,該系統(tǒng)中選用集成溫度傳感器補償法。大多數的集成溫度傳感器輸出的電信號與溫度的變化之間都有很好的線性關系,是理想的冷端補償元件。

AD8497熱電偶放大器為熱電偶溫度測量提供了一種簡單的低成本解決方案。這些放大器解決了熱電偶測量的許多困難。AD8497為集成熱電偶冷結補償器的精密儀表放大器。冰點基準與預校準放大器的結合,使其能直接從熱電偶信號產生高電平(5 mV/℃)輸出。寬的電源電壓范圍,能夠用單端電壓供電,可以覆蓋近1 000 ℃的熱電偶溫度范圍。

利用AD8497組成了冷端補償電路,補償電路可實現環(huán)境溫度的自動補償,為保證系統(tǒng)測試數據更精準,系統(tǒng)在使用前需要對使用的熱電偶進行靜態(tài)校準。

1.2 系統(tǒng)構成

測試系統(tǒng)[7]主要由傳感器、模擬信號調理模塊、模數轉換模塊、存儲模塊、電源管理模塊、與計算機連接的接口電路、電池、機械外殼[8]和緩沖材料組成。如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結構示意圖

將K型熱電偶放置于測溫點,K型熱電偶產生的信號傳遞給信號調理電路進行處理,電路控制模塊的核心選用MSP430系列單片機[9],該模塊負責對信號進行A/D轉換以及存儲。上位機與單片機之間通過USB通信,將測得溫度值顯示在PC軟件上。測試系統(tǒng)中采用分時/分區(qū)的電源管理技術,對電路的模擬部分和數字部分分別供電,這是在存儲測試系統(tǒng)[10-11]中普遍通用的降低系統(tǒng)功耗[12-14]的辦法,采用的方法主要是依靠類似“開關”的電源管理芯片,對電路的數字和模擬部分按需上電,分開供電。

1.3 測試系統(tǒng)可靠性研究

測試系統(tǒng)可靠性[15]分析的方法是基于電子元器件的失效機理分析,通過失效機理分析,便可以建立測試系統(tǒng)的可靠性模型,從而對測試系統(tǒng)進行可靠性預計與分析。

根據相關公式經過對系統(tǒng)中各部分可靠性的計算,得出系統(tǒng)設備的可靠度為99.16%,完全滿足測試系統(tǒng)要求。

2 熱電偶的動靜態(tài)校準

熱電偶的校準分為兩部分,一是靜態(tài)校準部分,二是動態(tài)校準部分。

熱電偶的靜態(tài)特性是指熱電偶在輸入量恒定或緩慢變化時輸出也相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)下所表現出的特性。靜態(tài)校準的目的就是借助實驗的方法確定熱電偶的靜態(tài)特性指標。

動態(tài)校準實驗是探究熱電偶的動態(tài)特性,目的是為了弄清楚熱電偶能否及時準確的響應變化的被測信號。表征熱電偶動態(tài)特性的最重要的指標是熱電偶的時間常數。熱電偶的時間常數是影響測溫速度的主要因素,也是衡量溫度熱電偶動態(tài)特性的重要指標。

熱電偶校準實驗分為三步:第一步是要完成對非標準熱電偶輸入溫度與輸出熱電勢對應關系的重新標定;第二步是要完成對動態(tài)校準中所用紅外探測器的靜態(tài)標定;第三步是在是在完成前兩步實驗后進行的,利用階躍信號對熱電偶進行動態(tài)校準實驗,目的是得出熱電偶的動態(tài)響應的時間常數和存在的誤差并對其進行分析,最終得出熱電偶動態(tài)測溫的誤差修正值。其中,第一步和第二步是靜態(tài)校準實驗,是第三步動態(tài)校準實驗的基礎[16-19]。

2.1 熱電偶的靜態(tài)校準

熱電偶的靜態(tài)校準實驗,就是將熱電偶置于若干溫度下測量其熱電勢,并用表格法、公式法或曲線法表示出熱電勢與溫度的對應關系。熱電偶的靜態(tài)校準方法是利用高一級的標準熱電偶和被檢熱電偶直接比較來對熱電偶進行校準,這也是目前比較常用的一種方法。

對于每一個熱電偶,必須要得出熱電偶的輸出熱電勢與輸入溫度之間的一一對應關系。標準熱電偶可以使用說明書里給出的分度表,非標準熱電偶的輸出熱電勢與輸入溫度之間的對應關系會與標準熱電偶分度表存在一定的差異,而且分度表的冷端參考電壓為0 ℃。為保證系統(tǒng)測試數據更精準,對熱電偶校準時依舊使用AD8497組成的冷端補償電路做熱電偶的冷端自動補償。

熱電偶的靜態(tài)校準具體辦法是將被校熱電偶放在干體校驗爐中,不斷地調節(jié)干體校驗爐使之達到需要的恒定溫度,記錄下熱電偶在不同溫度下的穩(wěn)定后輸出熱電勢的大小?；具^程如下:①將熱電偶的全部量程分為若干個等間隔點。②輸入量按等間隔點分成的標準量值從小到大依次輸入,記錄下與之對應的輸出量。③再將輸入量按等間隔點分成的標準量值從大到小依次輸入,記錄下與之對應的輸出量。④重復步驟②、步驟③,反復測試記錄,用表格或曲線表示出輸入量與輸出量的關系。

按以上的實驗過程對熱電偶進行校準,表1是對熱電偶進行靜態(tài)校準的校準數據。

表1 熱電偶靜態(tài)校準數據

圖2 熱電偶靜態(tài)校準熱電勢-溫度曲線

靜態(tài)校準曲線比較明顯的反映出K型熱電偶有很好的線性度,靜態(tài)校準數據與標準熱電偶分度表相差不大,從這兩點上看所選用的熱電偶性能是十分可靠的。

2.2 熱電偶的動態(tài)校準

熱電偶的動態(tài)校準是對其動態(tài)特性的研究,動態(tài)特性反映的是熱電偶對于輸入變化信號的快速反應能力。熱電偶只有能及時準確的響應被測信號的變化才能獲取準確的測試結果。導彈表面溫度的變化快慢程度無法確定,只能保證我們的測試系統(tǒng)具有很好的動態(tài)特性,可以適應不同測試情況的需要。

2.2.1 熱電偶動態(tài)校準實驗原理及分析

對熱電偶的動態(tài)校準是建立在熱電偶靜態(tài)校準和紅外探測器的靜態(tài)校準基礎上的,在完成上述兩步靜態(tài)校準工作后即可對熱電偶進行動態(tài)校準,動態(tài)校準的過程原理圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)校準的過程原理圖

熱電偶動態(tài)校準系統(tǒng)組成結構如圖4所示。此系統(tǒng)采用大功率半導體激光器作為動態(tài)激勵源發(fā)生裝置,其產生的脈沖激光光束經聚焦透鏡匯聚后通過屏蔽箱內不小于3 sr的輸入窗口,加熱處于球面反射鏡一個共軛焦點上的被校準熱電偶,被校準熱電偶產生動態(tài)響應,數字示波器會記錄下熱電偶的響應波形,同時熱電偶表面產生紅外熱輻射,熱輻射信號經過球面反射鏡聚焦到位于反射鏡另一個共軛焦點的紅外探測器上,隨之數字示波器會記錄下紅外探測器的響應波形。隔熱塊是為了隔離兩者之間直接的熱輻射傳遞?？紤]到紅外探測器受長時間熱輻射會被損壞,因此在探測器前面安裝了快門,它通常處于關閉狀態(tài),以保護碲鎘汞紅外探測器。

圖4 動態(tài)校準系統(tǒng)組成結構圖

系統(tǒng)中,為保證有很好的測試結果,激勵信號的階躍上升時間應遠遠小于被校熱電偶的時間常數。采用了德國DILAS半導體激光有限公司生產的500 μm/400 μm半導體激光器,最大輸出功率可達500 W,單波長976 nm,采用光纖芯徑400 μm,可連續(xù)加熱,是測量亞毫秒至毫秒級的熱電偶時間常數的理想激勵源。紅外探測器采光電導型碲鎘汞器件其響應波長為1 μm～5 μm,靈敏波長為3 μm～5 μm,響應時間僅為1 μs。由于紅外探測器的頻響特性遠遠優(yōu)于熱電偶的頻率響應特性,因此以前者來校準后者的動態(tài)響應特性。

2.2.2 紅外探測器的靜態(tài)校準

校準實驗中,紅外探測器的熱源是被校熱電偶,對于不同的熱電偶,紅外探測器的輸出電壓與熱電偶溫度的關系是不同的,所以在進行熱電偶的動態(tài)校準前需要對紅外探測器進行靜態(tài)標定,得出紅外探測器電壓幅值與對應熱電偶溫度的U-T關系。

靜態(tài)校準紅外探測器的具體方法是將已完成靜態(tài)校準的被校熱電偶和紅外探測器放入動態(tài)校準系統(tǒng)箱中的橢球面反射鏡二共軛焦點處,用半導體激光器作為光源,發(fā)出一定時間長度的連續(xù)激光通過小孔而照射到被校熱電偶表面上,表面吸收熱量后溫度上升,且向內傳熱,其溫度變化情況在示波器上顯示出電壓值(通過這個電壓值即可知其對應的溫度值,因為被校熱電偶已靜標),同時,被校表面溫度傳感器表面產生的紅外熱輻射經球面反射鏡聚焦于碲鎘汞紅外探測器上。當達到熱平衡時,迅速打開和關閉快門,使紅外探測器在快門打開瞬間接收輻射聚焦的信號,可得出被校熱電偶表面溫度與紅外探測器輸出電壓的對應關系;這樣就完成了對紅外探測器的靜態(tài)校準。

表2是以熱電偶為標準,對紅外探測器進行靜態(tài)校準的靜態(tài)校準數據。

利用MATLAB軟件對以上數據進行最小二乘法擬合,紅外探測器靜態(tài)標定數據進行四次擬合時的擬合效果是最好。最佳擬合曲線如圖5所示。

圖5 熱電偶紅外靜標數據最佳擬合效果圖

最終得到的紅外探測器輸出電壓幅值U與輸入溫度T數據進行四次擬合后的關系公式為:

T(U)=-5.11×10-6U4+0.001758U3-0.2233U2+
13.58U+106.9

(1)

表2 紅外探測器的靜態(tài)校準數據

2.2.3 熱電偶動態(tài)響應時間常數獲取

為了獲得熱電偶的時間常數,采用半導體激光器激勵法對熱電偶時間常數進行研究,通過熱電偶的升溫過程測試其時間常數,對熱電偶輸入一個階躍信號,從輸出曲線上可以直接獲取熱電偶的時間常數[20]。大量的實踐均表明,在5倍時間常數以后階躍溫度趨于平衡,因此將激光器加熱時間確定為溫度傳感器時間常數的5倍以上,以獲得準確的時間常數值。圖6是利用半導體激光器對熱電偶輸入階躍溫度信號得到的響應曲線,激光器照射時間為10 ms。

由圖7中讀出熱電偶輸出熱電勢的階躍幅值為29.37 mV(放大1.8倍后),實際值為16.32 mV,由時間常數定義可知當響應電壓上升到階躍幅值的63.2%即10.31 mV時經歷的時間就是時間常數,由曲線中讀得為1.3 ms。對其進行5次時間常數測試,取平均值得到熱電偶在激光器照射10 ms時的時間常數為1.2 ms。

在對熱電偶完成上述熱電偶靜態(tài)校準、紅外探測器靜態(tài)校準實驗后,就可以對其進行動態(tài)校準了。圖7是在半導體激光器出光時間為10 ms時的動態(tài)校準結果顯示,圖中CH1為紅外探測器的輸出曲線,CH2為熱電偶輸出熱電勢(放大1.8倍后)曲線。

圖6 熱電偶響應曲線

圖7 熱電偶動態(tài)響應曲線

讀出紅外探測器的幅值為48.13 mV,將48.13 mV代入紅外探測器靜標數據四次擬合式(1)中:

T(48.13)=-5.11×10-6×48.134+0.001758×48.133-
0.2233×48.132+13.58×48.13+106.9=411.815

(2)

即438.11 mV對應的溫度值為411.815 ℃。

讀出熱電偶輸出熱電勢值為16.32 mV,根據熱電偶靜標結果,查得16.32 mV對應的溫度值為416.6 ℃。從而得出熱電偶在半導體激光器出光時間為10 ms時,動態(tài)測量誤差為4.8 ℃,可以利用得到動態(tài)誤差值對熱電偶動態(tài)測溫結果進行修正,以便得到更真實的測量值。

3 結論

該研究論證了該存儲測試系統(tǒng)對導彈環(huán)境溫度的測量的可行性,經驗證,亞毫秒級的響應時間,不足2%的溫度測量誤差,足以應付相對較復雜的溫度環(huán)境的測量。該測試系統(tǒng)具有實際工程使用價值?？蔀榉治鰧棴h(huán)境溫度提供一種快速的、有效的、精確的測試手段。

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呂鵬飛(1989-),男,山西靜樂,碩士研究生,主要研究方向動態(tài)測試與智能儀器研究,lvzhongda2008@yeah.net;

裴東興(1970-),男,山西太原,教授,研究方向為智能儀器、動態(tài)測試與校準、數據壓縮及信息處理、自動控制,近五年主持縱橫向項目30余項,獲省部級一等獎1項、二等獎3項,國家發(fā)明專利8項,peidongxing@nuc.edu.cn;

沈大偉(1979-),男,山西太原,博士研究生,主要研究方向動態(tài)測試與智能儀器設計,bensdw@sina.com。

TheResearchofTransientThermometryTechnologyBasedonK-StyleThermocouple

LVPengfei,PEIDongxing*,SHENDawei

(National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement in Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

According to the specific requirements for the transit temperature test system of the missile environment and the existing problem such as low test precision,poor reliability and high cost of the present storage test system,this article demonstrates and designs dynamic memory test system based on the K-style thermocouple.It introduces the system composition,demonstrates practicability of the test system and provides the key technologies of dynamic and static calibration for the thermocouple.These key technologies provide guarantee for the environmental temperature measurements,make the dynamic and static calibration of system with the actual tested data,analyze and come to relative conclusions.The research shows that the test system possess the practical engineering value,and gives a quick,effective and precise test means for analyzing missile environment temperature.

dynamic storage test;transient thermometry;dynamic and static calibration;practicability;K-style thermocouple;

2014-03-19修改日期:2014-05-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.06.013

TP212.1

:A

:1004-1699(2014)06-0775-06