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)

摘要: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、AD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)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。
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:
　　熱電偶溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)":
τ=WVC/(hA)(1)
式中:W一熱電偶材料的比重;.
V一體積;
C一比熱;
h一導(dǎo)熱系數(shù);
A一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:
T-T0=(Te-T0)(1-e^-t/τ)(2)
式中:T一熱電偶指示溫度;
T0一熱接點(diǎn)初溫;
Te一階躍溫度;
t一對(duì)階躍溫度的響應(yīng)時(shí)間;
τ一熱電偶時(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To之差達(dá)到溫度階躍(Te-T0)的63.2%所需的時(shí)間。
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T.與初始溫度T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)將熱電偶直接插人恒溫槽即可。
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。
　　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AD,D/A,D/O和D/P。
　　有以下特性:8路單端12位模擬輸人通道;各種輸入電壓范圍(雙極性)有2.5V.1.25V、0.625V和0.3125V;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%+t1BitLSB;輸人阻抗為10MQ;采樣傳輸速率為25kHz(最大)。
　　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)字輸人接口;CN3是模擬輸人/輸出接口。因?yàn)闇y(cè)試的是模擬信號(hào),所以只用到CN3。關(guān)于數(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)
　　采集卡的輸人電壓范圍設(shè)置為1.25V。考慮到電壓邊界特性,把對(duì)應(yīng)的輸人電壓調(diào)理成-1.20+1.20V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。另外可在輸人端接人標(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。
 
當(dāng)輸人熱電勢(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:在輸入端接人電壓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:在輸人端接人約4mV的電壓，設(shè)為x,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)值由鍵盤輸人到電腦。
通過(guò)二個(gè)點(diǎn)(x0,y0)、(x1,y1)可定出一-條輸人電壓和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:
x=x0+y(x1-x0)1(y1-y0)
信號(hào)的接人由調(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。另外可在輸人端接人標(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。
　　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)輸人電阻為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。“標(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0.05s的時(shí)間精度要求”。
　　采集器為12位的AD卡,精度為讀數(shù)的0.015%+1BitLSB。1BitLSB對(duì)應(yīng)的精度為(1/4096)x100%=0.024%。因此AD卡總的精度為+(0.015+0.024)%=+0.039%。
　　在設(shè)計(jì)中,A/D卡的輸人信號(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。另外在電源輸人線路上加裝輸人濾波器以提高設(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。
 
　　使用VC++6.0編程時(shí)，程序要包含ADSAPI32.UB和頭文件Driver.h,它是應(yīng)用AdantechDLL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)相關(guān)口地址的讀寫操作函數(shù)中。這些函數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)的WindowsAPI,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:為模擬輸人通道進(jìn)行增益配置。
(6)DRV-AIVolageIn.
　　兩數(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:
PT-AIConfig:被DRV-AIConfig函數(shù)調(diào)用;
PT-AIVolatgeln:被DRV-AIVolatgeIn兩數(shù)調(diào)用。
　　根據(jù)數(shù)據(jù)采集的要求,在軟件編寫的過(guò)程中,AD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，可以從屏幕上看到數(shù)據(jù)采集卡各通道輸人模擬量的電壓值。
　　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，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
　　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)置用輸人文本框?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)將熱電偶浸人恒溫槽,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)人就緒狀態(tài)，它自動(dòng)跟蹤被測(cè)量溫度，當(dāng)與T。溫度差超出AT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)傳感器放人設(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。
 
(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。
 
　　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(Tt-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人的分析，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。