基于階躍溫度響應的熱電偶時間常數測試系統

摘要:為了更方便地測試熱電偶時間常數,設計了一套熱電偶時間常數測試系統,包括工控機、信號調理電路、AD采集、數據采集處理軟件和打印機等。根據熱電偶對階躍溫度的響應,提出了一種全新的熱電偶時間常數測試方法.設計功能完善的信號調理電路,通過數據采集卡將采集的數據送交上位機應用軟件進行分析處理,得到所需要的熱電偶參數,應用軟件提供各類報表輸出及數據打印功能。
1引言
　　溫度傳感器的時間常數是動態溫度測量中的個重要參數,也是衡量溫度傳感器動態測試性能的重要指標.各個應用領域,對溫度傳感器的時間常數都有具體的要求。然而由于影響時間常數的因素很多且復雜,難以用理論計算的方法獲得準確的數值，實際應用中都是采用實驗測定的方法來獲得所需的參數。因此設計功能完善的熱電偶時間常數測試系統,在各領域的應用中具有很大意義。
2系統原理分析
　　系統由工控機、信號調理電路,A/D采集、數據采集處理軟件和打印機等部分組成,系統的測試原理如圖1所示。
 
　　信號調理電路對熱電偶信號進行有關處理及放大,經過處理的信號由A/D采集,再由處理軟件對數據進行分析處理,最后將處理結果打印輸出。下面針對熱電偶時間常數的測量原理加以分析:
　　熱電偶溫度傳感器的時間常數":
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一導熱系數;
A一周圍流體薄膜的面積。
　　由此可表明熱點偶的時間常數由熱電偶的材料、結構形式及測溫環境等因素決定。
　　熱電偶對階躍溫度的響應為:
T-T0=(Te-T0)(1-e^-t/τ)(2)
式中:T一熱電偶指示溫度;
T0一熱接點初溫;
Te一階躍溫度;
t一對階躍溫度的響應時間;
τ一熱電偶時間常數。
當t=τ時,則有:T-T0=(Te-T0)(1-e^-1)=0.632(Te-T0),即時間常數是熱電偶指示溫度T與初始溫度To之差達到溫度階躍(Te-T0)的63.2%所需的時間。
由以上推論可知:
　　對于熱電偶溫度傳感器,時間常數是指示溫度T.與初始溫度T之差達到溫度階躍(Te-T0)的63.2%所需的時間。這是時間常數τ的定義，同時也說明了測量τ的方法。
　　為了便于溫度階躍的實現,T0可采用室溫,Te可以是一個可設定溫度的恒溫槽,測量時將熱電偶直接插人恒溫槽即可。
3系統采集器設計
　　系統是以工控機為硬件平臺,測試數據的提取依靠數據采集設備來完成，采集器選用數據采集卡，可以直接與工控機主板上的接口插槽相連,依靠相應的硬件驅動程序即可實現測試數據的采集,結構緊湊,開發工程量小。
　　多功能高性能通用的數據采集卡,它在一個板上集成了所有數據采集的功能如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12位單片模擬輸出通道;轉換時間為25μs;精度為讀數的0.015%+t1BitLSB;輸人阻抗為10MQ;采樣傳輸速率為25kHz(最大)。
　　與其他硬件設備的交互接口是CN1、CN2和CN3.CN1是數字輸出接口;CN2是數字輸人接口;CN3是模擬輸人/輸出接口。因為測試的是模擬信號,所以只用到CN3。關于數據采集卡的詳細資料請參考其數據手冊。
3.1信號調理電路設計
　　采集卡的輸人電壓范圍設置為1.25V。考慮到電壓邊界特性,把對應的輸人電壓調理成-1.20+1.20V熱電偶輸出信號分為熱電勢信號和電阻信號，不同的信號采用不同的信號調理電路，下面逐一介紹對各種信號的處理方法及原理。
3.1.1熱電勢信號
　　熱電偶輸出信號為熱電勢時,因信號值很小，故采用差分放大電路,放大倍數可通過電位計進行調整。另外可在輸人端接人標準電壓信號,通過軟件配合對放大器零點和電路增益進行標定和校準,保證測量精度。熱電勢信號調理電路原理如圖2所示。
 
當輸人熱電勢為0~4.1mV時,經過放大、電平平移后的電壓為-1.20~+1.20V,送A/D采樣。
“標定電路”的作用是由軟件確定放大電路的零點和電路增益。
零點標定:在輸入端接人電壓0V(設為x0),通
過軟件讀取對應的AD值(設為y0)。
　電路增益標定:在輸人端接人約4mV的電壓，設為x,同時用標準電壓表測量具體數值。通過軟件讀取對應的AD值(設為y1),x1的具體數值由鍵盤輸人到電腦。
通過二個點(x0,y0)、(x1,y1)可定出一-條輸人電壓和AD值之間的對應關系直線。
設某個電壓值x對應的AD值為y,則:
x=x0+y(x1-x0)1(y1-y0)
信號的接人由調理板上的切換電路自動實現。
3.1.2電阻信號
　　熱電偶輸出信號為電阻時,采用分壓電路將其.轉換為電壓,放大倍數可通過改變電位計RP1的電阻值來進行調整。另外可在輸人端接人標準電阻,通過軟件配合對放大器零點和電路增益進行標定和校準,保證測量精度。
　　電阻信號調理電路原理與熱電信號基本相同,.可參考圖2。當輸人電阻為46~150Ω時,經過放大、電平平移后的電壓為-1.20~+1.20V,送A/D采樣。“標定電路”的作用和方法同熱電勢信號所介紹。
3.2采樣精度與測量精度分析
　　采集器PCL818L的采集頻率最大可達到25kHz,選用100Hz采集頻率，就可以達到不低于0.05s的時間精度要求”。
　　采集器為12位的AD卡,精度為讀數的0.015%+1BitLSB。1BitLSB對應的精度為(1/4096)x100%=0.024%。因此AD卡總的精度為+(0.015+0.024)%=+0.039%。
　　在設計中,A/D卡的輸人信號范圍通過信號調理后滿量程使用,使得熱電勢信號和電阻信號的精度分別可以達到0.48%和0.14%,足以滿足系統設計需要。
3.3可靠性設計
　　為保證測試系統的可靠性要求,從元器件的選用到整機的裝配，均嚴格按照有關規定執行,均選用可靠性指標比較高的元器件，按照EMC電磁抗干擾測試標準進行電路板設計與制作。另外在電源輸人線路上加裝輸人濾波器以提高設備的抗干擾能力。
4應用軟件設計
4.1軟件系統組成及程序設計
　　測試系統應用軟件采用VC++6.0編寫,由采集卡控制程序、溫度信號采集程序、信號分析處理程序、結果表達程序、人機接口程序和存儲/報表輸出程序6個部分組成，軟件結構如圖3所示。
 
　　使用VC++6.0編程時，程序要包含ADSAPI32.UB和頭文件Driver.h,它是應用AdantechDLL的基礎。在程序中添加采集器PCL818L的DLL動態鏈接庫,提供了對相關口地址的讀寫操作函數中。這些函數都是標準的WindowsAPI,主要用到的動態鏈接函數包括:
(1)DRV-GetErrorMeSSage
　　函數功能:根據錯誤的代碼得到出錯的信息,然后將此錯誤信息返回到信息緩沖器。
(2)DRV-Deviceopen
　　函數功能:從注冊或配置文件得到適合于設備工作的參數,并分配內存用來存儲這些參數以快速提取。
(3)DRV-DeviceClose
　　函數功能:用來釋放所分配的存儲參數。
(4)DRV-GetAddress
　　函數功能:返回一個變量的指示器或地址。
(5.)DRV-AIConfig
　　函數功能:為模擬輸人通道進行增益配置。
(6)DRV-AIVolageIn.
　　兩數功能:讀取一個模擬輸入通道,然后返回結果到一個電壓(單位:V)。
(7)數據功能結構函數，包括:
PT-AIConfig:被DRV-AIConfig函數調用;
PT-AIVolatgeln:被DRV-AIVolatgeIn兩數調用。
　　根據數據采集的要求,在軟件編寫的過程中,AD轉換功能尤為重要,這里給出實現對8路模擬量數據采集通道中的電壓測量的主要代碼:
 
　　最后，編譯并運行程序，可以從屏幕上看到數據采集卡各通道輸人模擬量的電壓值。
　　數據采集完成后經過軟件處理得出測試結果，數據采集卡支持Matlab應用，為了編程更方便、功能更穩定,軟件中畫圖和時間常數的計算是通過VC++6.0調用Matlab來實現的。程序中用Matlab編寫完畫圖和計算時間常數的函數后，分別將它們生成兩個不同的COM組件并進行打包,然后將生成的COM組件對應的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中進行使用了。
4.2系統界面及其功能設計
　　測試軟件的主界面如圖4所示。測試結果在工控機顯示器.上顯示,操作簡便、直觀。在主界面中,除了菜單命令外,也可以通過對應的命令按鈕進行操作。
 
4.2.1系統管理
　　系統管理包括系統自檢、退出等命令。系統自檢是在測試軟件啟動時對系統硬件進行檢測,并依此判斷系統是否可以正常工作。
4.2.2測試控制管理
　　測試控制完成測試任務的組織、調度和管理,包含型號選擇、測試時間設置和校準等信息。各命令菜單的功能說明如下:
(1)型號選擇命令用下拉式菜單實現,分為熱電偶式和熱電阻式兩個型號。
(2)測試時間設置用輸人文本框實現，可在出現的文本框中設置測試時間;測試時間可以通過將熱電偶浸人恒溫槽,達到熱平衡所需的時間進行估算。
(3)開始測試表示設備進人就緒狀態，它自動跟蹤被測量溫度，當與T。溫度差超出AT時開始測量并開始計時，經過設定的測試時間后自動停止測試。
(4)熱電阻阻值設定可以設定熱電阻阻值;測試臺可對不同類型的熱電阻進行時間常數的測量。
(5)標定是對放大電路進行零位校準和比例放大倍數校準,使得測量結果更加準確。
4.2.3工具管理
　　工具菜單命令提供對測試數據進行相關處理的命令。包括報表生成報表打印和歷史報表查詢等命令。
4.3輸出報表及測試結果
　　在測試的過程中，將待測傳感器放人設定的恒溫槽可連續加熱,當被測熱電偶檢測溫度達到橫溫槽設定溫度的63.2%時系統顯示出時間常數值τ,打印機輸出的報表格式如圖5所示。
 
(1)輸出報表的縱坐標隨被測熱電偶類型不同而變化。為了符合相關單位與科研機構對參數的獲取需求,更直觀地輸出測試結果熱電勢型為溫度刻度、熱電阻型為電阻刻度。
(2)輸出報表的橫坐標為時間。T0為按“開始測試"命令后到熱電偶放入恒溫槽后開始測試的時間，由于恒溫槽加熱時間與實際溫度T變化的關系如表1所示。
 
　　根據此表以及大量的實踐表明,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。界面中(Tt-T0)為設置的測試時間,橫坐標的刻度根據設置時間的長短自動進行調節。
(3)“T"為在測試過程中顯示即時溫度值(若測試的是熱電阻則顯示電阻值)。
5結束語
　　系統采用了全新的設計方案,在信號的處理、采集、軟件功能方面都做了深人的分析，設計了較為完善的硬件操作平臺及上位機測量軟件,使得測量更為科學、準確且操作方便,可以滿足相關企業及科研機構的應用需求。因此，系統產品化后取得了很好的應用效果和經濟效益,成為熱電偶時間常數測量與分析的有力工具。