基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究

吕鹏飞,裴东兴,沈大伟

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)



基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究

吕鹏飞,裴东兴*,沈大伟

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

针对导弹环境瞬态温度测试系统的特定要求及现有存储测试系统存在的测试精度低、可靠性差、成本高等问题,本文论证并设计了基于K型热电偶的动态存储测试系统。文章介绍了系统组成,并对测试系统的可行性进行了论证,提出了热电偶动静态校准的关键技术。该技术为环境温度的测量提供了重要的保障,用实测的数据对系统进行动静态校准,分析得出相关结论。研究表明:该测试系统具有实际工程使用价值,可为分析导弹环境温度提供一种快速的、有效的、精确的测试手段。

动态存储测试;瞬态测温;动静态校准;可行性;K型热电偶

环境温度对导弹的射击精度、射程等参数的评估有着非常重要的意义。这样,及时的、准确的获得导弹各部段的温度就显得至关重要。目前对导弹温度的测量,大多使用国外进口的专用温度传感器,利用普通热电偶对导弹温度测量的相关研究甚少。普通的热电偶是否同样可以满足测试的需求在当下显得尤为重要。本文选取K型热电偶作为温度传感器,通过合适方案组建最宜测试系统[1-2]。目前,国内外常利用软件和专用集成电路芯片的方法来实现冷端温度补偿,但他们存在可靠性较差、精度不高,价格昂贵等问题[3-6],针对上述问题,本文提出一种基于AD8497的冷端温度补偿的测试系统,AD8497能够根据环境温度的变化自动实现热电偶的冷端补偿,该系统具有“低功耗、可靠性高、精度高、价格低”的优点,对测试系统中使用的K型热电偶进行动静态校准,分析该存储测试系统的实用价值。

1 系统设计

1.1 K型热电偶及冷端补偿方案

本温度测试系统中我们选择使用K型(镍鉻-镍硅)热电偶。

热电偶是利用导体或者半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电动势变化的元件,2种不同材质的导体连接时会产生接触电动势;同一材质的导体在两端温度不同时会产生温差电动势,这两部分之和组成了热电偶的总热电动势。

①根据测试要求,温度的测试范围在-10 ℃～500 ℃,K型热电偶的测试范围都很大,一般在-200 ℃～1 300 ℃之间,完全满足测试信号范围要求。

②K型热电偶具有很好的线性度,热电动势较大,灵敏度高,热电性能稳定,抗氧化性能强。

根据对热电偶的基本定律的分析,在测试温度时,必须保证冷端温度不变。在实际应用中冷端温度容易波动,所以需要对其进行补偿。依照“微体积、高可靠性、微功耗”的原则,该系统中选用集成温度传感器补偿法。大多数的集成温度传感器输出的电信号与温度的变化之间都有很好的线性关系,是理想的冷端补偿元件。

AD8497热电偶放大器为热电偶温度测量提供了一种简单的低成本解决方案。这些放大器解决了热电偶测量的许多困难。AD8497为集成热电偶冷结补偿器的精密仪表放大器。冰点基准与预校准放大器的结合,使其能直接从热电偶信号产生高电平(5 mV/℃)输出。宽的电源电压范围,能够用单端电压供电,可以覆盖近1 000 ℃的热电偶温度范围。

利用AD8497组成了冷端补偿电路,补偿电路可实现环境温度的自动补偿,为保证系统测试数据更精准,系统在使用前需要对使用的热电偶进行静态校准。

1.2 系统构成

测试系统[7]主要由传感器、模拟信号调理模块、模数转换模块、存储模块、电源管理模块、与计算机连接的接口电路、电池、机械外壳[8]和缓冲材料组成。如图1所示。

图1 测试系统结构示意图

将K型热电偶放置于测温点,K型热电偶产生的信号传递给信号调理电路进行处理,电路控制模块的核心选用MSP430系列单片机[9],该模块负责对信号进行A/D转换以及存储。上位机与单片机之间通过USB通信,将测得温度值显示在PC软件上。测试系统中采用分时/分区的电源管理技术,对电路的模拟部分和数字部分分别供电,这是在存储测试系统[10-11]中普遍通用的降低系统功耗[12-14]的办法,采用的方法主要是依靠类似“开关”的电源管理芯片,对电路的数字和模拟部分按需上电,分开供电。

1.3 测试系统可靠性研究

测试系统可靠性[15]分析的方法是基于电子元器件的失效机理分析,通过失效机理分析,便可以建立测试系统的可靠性模型,从而对测试系统进行可靠性预计与分析。

根据相关公式经过对系统中各部分可靠性的计算,得出系统设备的可靠度为99.16%,完全满足测试系统要求。

2 热电偶的动静态校准

热电偶的校准分为两部分,一是静态校准部分,二是动态校准部分。

热电偶的静态特性是指热电偶在输入量恒定或缓慢变化时输出也相对稳定的工作状态下所表现出的特性。静态校准的目的就是借助实验的方法确定热电偶的静态特性指标。

动态校准实验是探究热电偶的动态特性,目的是为了弄清楚热电偶能否及时准确的响应变化的被测信号。表征热电偶动态特性的最重要的指标是热电偶的时间常数。热电偶的时间常数是影响测温速度的主要因素,也是衡量温度热电偶动态特性的重要指标。

热电偶校准实验分为三步:第一步是要完成对非标准热电偶输入温度与输出热电势对应关系的重新标定;第二步是要完成对动态校准中所用红外探测器的静态标定;第三步是在是在完成前两步实验后进行的,利用阶跃信号对热电偶进行动态校准实验,目的是得出热电偶的动态响应的时间常数和存在的误差并对其进行分析,最终得出热电偶动态测温的误差修正值。其中,第一步和第二步是静态校准实验,是第三步动态校准实验的基础[16-19]。

2.1 热电偶的静态校准

热电偶的静态校准实验,就是将热电偶置于若干温度下测量其热电势,并用表格法、公式法或曲线法表示出热电势与温度的对应关系。热电偶的静态校准方法是利用高一级的标准热电偶和被检热电偶直接比较来对热电偶进行校准,这也是目前比较常用的一种方法。

对于每一个热电偶,必须要得出热电偶的输出热电势与输入温度之间的一一对应关系。标准热电偶可以使用说明书里给出的分度表,非标准热电偶的输出热电势与输入温度之间的对应关系会与标准热电偶分度表存在一定的差异,而且分度表的冷端参考电压为0 ℃。为保证系统测试数据更精准,对热电偶校准时依旧使用AD8497组成的冷端补偿电路做热电偶的冷端自动补偿。

热电偶的静态校准具体办法是将被校热电偶放在干体校验炉中,不断地调节干体校验炉使之达到需要的恒定温度,记录下热电偶在不同温度下的稳定后输出热电势的大小。基本过程如下:①将热电偶的全部量程分为若干个等间隔点。②输入量按等间隔点分成的标准量值从小到大依次输入,记录下与之对应的输出量。③再将输入量按等间隔点分成的标准量值从大到小依次输入,记录下与之对应的输出量。④重复步骤②、步骤③,反复测试记录,用表格或曲线表示出输入量与输出量的关系。

按以上的实验过程对热电偶进行校准,表1是对热电偶进行静态校准的校准数据。

表1 热电偶静态校准数据

图2 热电偶静态校准热电势-温度曲线

静态校准曲线比较明显的反映出K型热电偶有很好的线性度,静态校准数据与标准热电偶分度表相差不大,从这两点上看所选用的热电偶性能是十分可靠的。

2.2 热电偶的动态校准

热电偶的动态校准是对其动态特性的研究,动态特性反映的是热电偶对于输入变化信号的快速反应能力。热电偶只有能及时准确的响应被测信号的变化才能获取准确的测试结果。导弹表面温度的变化快慢程度无法确定,只能保证我们的测试系统具有很好的动态特性,可以适应不同测试情况的需要。

2.2.1 热电偶动态校准实验原理及分析

对热电偶的动态校准是建立在热电偶静态校准和红外探测器的静态校准基础上的,在完成上述两步静态校准工作后即可对热电偶进行动态校准,动态校准的过程原理图如图3所示。

图3 动态校准的过程原理图

热电偶动态校准系统组成结构如图4所示。此系统采用大功率半导体激光器作为动态激励源发生装置,其产生的脉冲激光光束经聚焦透镜汇聚后通过屏蔽箱内不小于3 sr的输入窗口,加热处于球面反射镜一个共轭焦点上的被校准热电偶,被校准热电偶产生动态响应,数字示波器会记录下热电偶的响应波形,同时热电偶表面产生红外热辐射,热辐射信号经过球面反射镜聚焦到位于反射镜另一个共轭焦点的红外探测器上,随之数字示波器会记录下红外探测器的响应波形。隔热块是为了隔离两者之间直接的热辐射传递。考虑到红外探测器受长时间热辐射会被损坏,因此在探测器前面安装了快门,它通常处于关闭状态,以保护碲镉汞红外探测器。

图4 动态校准系统组成结构图

系统中,为保证有很好的测试结果,激励信号的阶跃上升时间应远远小于被校热电偶的时间常数。采用了德国DILAS半导体激光有限公司生产的500 μm/400 μm半导体激光器,最大输出功率可达500 W,单波长976 nm,采用光纤芯径400 μm,可连续加热,是测量亚毫秒至毫秒级的热电偶时间常数的理想激励源。红外探测器采光电导型碲镉汞器件其响应波长为1 μm～5 μm,灵敏波长为3 μm～5 μm,响应时间仅为1 μs。由于红外探测器的频响特性远远优于热电偶的频率响应特性,因此以前者来校准后者的动态响应特性。

2.2.2 红外探测器的静态校准

校准实验中,红外探测器的热源是被校热电偶,对于不同的热电偶,红外探测器的输出电压与热电偶温度的关系是不同的,所以在进行热电偶的动态校准前需要对红外探测器进行静态标定,得出红外探测器电压幅值与对应热电偶温度的U-T关系。

静态校准红外探测器的具体方法是将已完成静态校准的被校热电偶和红外探测器放入动态校准系统箱中的椭球面反射镜二共轭焦点处,用半导体激光器作为光源,发出一定时间长度的连续激光通过小孔而照射到被校热电偶表面上,表面吸收热量后温度上升,且向内传热,其温度变化情况在示波器上显示出电压值(通过这个电压值即可知其对应的温度值,因为被校热电偶已静标),同时,被校表面温度传感器表面产生的红外热辐射经球面反射镜聚焦于碲镉汞红外探测器上。当达到热平衡时,迅速打开和关闭快门,使红外探测器在快门打开瞬间接收辐射聚焦的信号,可得出被校热电偶表面温度与红外探测器输出电压的对应关系;这样就完成了对红外探测器的静态校准。

表2是以热电偶为标准,对红外探测器进行静态校准的静态校准数据。

利用MATLAB软件对以上数据进行最小二乘法拟合,红外探测器静态标定数据进行四次拟合时的拟合效果是最好。最佳拟合曲线如图5所示。

图5 热电偶红外静标数据最佳拟合效果图

最终得到的红外探测器输出电压幅值U与输入温度T数据进行四次拟合后的关系公式为:

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

(1)

表2 红外探测器的静态校准数据

2.2.3 热电偶动态响应时间常数获取

为了获得热电偶的时间常数,采用半导体激光器激励法对热电偶时间常数进行研究,通过热电偶的升温过程测试其时间常数,对热电偶输入一个阶跃信号,从输出曲线上可以直接获取热电偶的时间常数[20]。大量的实践均表明,在5倍时间常数以后阶跃温度趋于平衡,因此将激光器加热时间确定为温度传感器时间常数的5倍以上,以获得准确的时间常数值。图6是利用半导体激光器对热电偶输入阶跃温度信号得到的响应曲线,激光器照射时间为10 ms。

由图7中读出热电偶输出热电势的阶跃幅值为29.37 mV(放大1.8倍后),实际值为16.32 mV,由时间常数定义可知当响应电压上升到阶跃幅值的63.2%即10.31 mV时经历的时间就是时间常数,由曲线中读得为1.3 ms。对其进行5次时间常数测试,取平均值得到热电偶在激光器照射10 ms时的时间常数为1.2 ms。

在对热电偶完成上述热电偶静态校准、红外探测器静态校准实验后,就可以对其进行动态校准了。图7是在半导体激光器出光时间为10 ms时的动态校准结果显示,图中CH1为红外探测器的输出曲线,CH2为热电偶输出热电势(放大1.8倍后)曲线。

图6 热电偶响应曲线

图7 热电偶动态响应曲线

读出红外探测器的幅值为48.13 mV,将48.13 mV代入红外探测器静标数据四次拟合式(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对应的温度值为411.815 ℃。

读出热电偶输出热电势值为16.32 mV,根据热电偶静标结果,查得16.32 mV对应的温度值为416.6 ℃。从而得出热电偶在半导体激光器出光时间为10 ms时,动态测量误差为4.8 ℃,可以利用得到动态误差值对热电偶动态测温结果进行修正,以便得到更真实的测量值。

3 结论

该研究论证了该存储测试系统对导弹环境温度的测量的可行性,经验证,亚毫秒级的响应时间,不足2%的温度测量误差,足以应付相对较复杂的温度环境的测量。该测试系统具有实际工程使用价值。可为分析导弹环境温度提供一种快速的、有效的、精确的测试手段。

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吕鹏飞(1989-),男,山西静乐,硕士研究生,主要研究方向动态测试与智能仪器研究,lvzhongda2008@yeah.net;

裴东兴(1970-),男,山西太原,教授,研究方向为智能仪器、动态测试与校准、数据压缩及信息处理、自动控制,近五年主持纵横向项目30余项,获省部级一等奖1项、二等奖3项,国家发明专利8项,peidongxing@nuc.edu.cn;

沈大伟(1979-),男,山西太原,博士研究生,主要研究方向动态测试与智能仪器设计,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