基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统

摘要:为了更方便地测试热电偶时间常数,设计了一套热电偶时间常数测试系统,包括工控机、信号调理电路、AD采集、数据采集处理软件和打印机等。根据热电偶对阶跃温度的响应,提出了一种全新的热电偶时间常数测试方法.设计功能完善的信号调理电路,通过数据采集卡将采集的数据送交上位机应用软件进行分析处理,得到所需要的热电偶参数,应用软件提供各类报表输出及数据打印功能。
1引言
　　温度传感器的时间常数是动态温度测量中的个重要参数,也是衡量温度传感器动态测试性能的重要指标.各个应用领域,对温度传感器的时间常数都有具体的要求。然而由于影响时间常数的因素很多且复杂,难以用理论计算的方法获得准确的数值，实际应用中都是采用实验测定的方法来获得所需的参数。因此设计功能完善的热电偶时间常数测试系统,在各领域的应用中具有很大意义。
2系统原理分析
　　系统由工控机、信号调理电路,A/D采集、数据采集处理软件和打印机等部分组成,系统的测试原理如图1所示。
 
　　信号调理电路对热电偶信号进行有关处理及放大,经过处理的信号由A/D采集,再由处理软件对数据进行分析处理,最后将处理结果打印输出。下面针对热电偶时间常数的测量原理加以分析:
　　热电偶温度传感器的时间常数":
τ=WVC/(hA)(1)
式中:W一热电偶材料的比重;.
V一体积;
C一比热;
h一导热系数;
A一周围流体薄膜的面积。
　　由此可表明热点偶的时间常数由热电偶的材料、结构形式及测温环境等因素决定。
　　热电偶对阶跃温度的响应为:
T-T0=(Te-T0)(1-e^-t/τ)(2)
式中:T一热电偶指示温度;
T0一热接点初温;
Te一阶跃温度;
t一对阶跃温度的响应时间;
τ一热电偶时间常数。
当t=τ时,则有:T-T0=(Te-T0)(1-e^-1)=0.632(Te-T0),即时间常数是热电偶指示温度T与初始温度To之差达到温度阶跃(Te-T0)的63.2%所需的时间。
由以上推论可知:
　　对于热电偶温度传感器,时间常数是指示温度T.与初始温度T之差达到温度阶跃(Te-T0)的63.2%所需的时间。这是时间常数τ的定义，同时也说明了测量τ的方法。
　　为了便于温度阶跃的实现,T0可采用室温,Te可以是一个可设定温度的恒温槽,测量时将热电偶直接插人恒温槽即可。
3系统采集器设计
　　系统是以工控机为硬件平台,测试数据的提取依靠数据采集设备来完成，采集器选用数据采集卡，可以直接与工控机主板上的接口插槽相连,依靠相应的硬件驱动程序即可实现测试数据的采集,结构紧凑,开发工程量小。
　　多功能高性能通用的数据采集卡,它在一个板上集成了所有数据采集的功能如AD,D/A,D/O和D/P。
　　有以下特性:8路单端12位模拟输人通道;各种输入电压范围(双极性)有2.5V.1.25V、0.625V和0.3125V;一个12位单片模拟输出通道;转换时间为25μs;精度为读数的0.015%+t1BitLSB;输人阻抗为10MQ;采样传输速率为25kHz(最大)。
　　与其他硬件设备的交互接口是CN1、CN2和CN3.CN1是数字输出接口;CN2是数字输人接口;CN3是模拟输人/输出接口。因为测试的是模拟信号,所以只用到CN3。关于数据采集卡的详细资料请参考其数据手册。
3.1信号调理电路设计
　　采集卡的输人电压范围设置为1.25V。考虑到电压边界特性,把对应的输人电压调理成-1.20+1.20V热电偶输出信号分为热电势信号和电阻信号，不同的信号采用不同的信号调理电路，下面逐一介绍对各种信号的处理方法及原理。
3.1.1热电势信号
　　热电偶输出信号为热电势时,因信号值很小，故采用差分放大电路,放大倍数可通过电位计进行调整。另外可在输人端接人标准电压信号,通过软件配合对放大器零点和电路增益进行标定和校准,保证测量精度。热电势信号调理电路原理如图2所示。
 
当输人热电势为0~4.1mV时,经过放大、电平平移后的电压为-1.20~+1.20V,送A/D采样。
“标定电路”的作用是由软件确定放大电路的零点和电路增益。
零点标定:在输入端接人电压0V(设为x0),通
过软件读取对应的AD值(设为y0)。
　电路增益标定:在输人端接人约4mV的电压，设为x,同时用标准电压表测量具体数值。通过软件读取对应的AD值(设为y1),x1的具体数值由键盘输人到电脑。
通过二个点(x0,y0)、(x1,y1)可定出一-条输人电压和AD值之间的对应关系直线。
设某个电压值x对应的AD值为y,则:
x=x0+y(x1-x0)1(y1-y0)
信号的接人由调理板上的切换电路自动实现。
3.1.2电阻信号
　　热电偶输出信号为电阻时,采用分压电路将其.转换为电压,放大倍数可通过改变电位计RP1的电阻值来进行调整。另外可在输人端接人标准电阻,通过软件配合对放大器零点和电路增益进行标定和校准,保证测量精度。
　　电阻信号调理电路原理与热电信号基本相同,.可参考图2。当输人电阻为46~150Ω时,经过放大、电平平移后的电压为-1.20~+1.20V,送A/D采样。“标定电路”的作用和方法同热电势信号所介绍。
3.2采样精度与测量精度分析
　　采集器PCL818L的采集频率最大可达到25kHz,选用100Hz采集频率，就可以达到不低于0.05s的时间精度要求”。
　　采集器为12位的AD卡,精度为读数的0.015%+1BitLSB。1BitLSB对应的精度为(1/4096)x100%=0.024%。因此AD卡总的精度为+(0.015+0.024)%=+0.039%。
　　在设计中,A/D卡的输人信号范围通过信号调理后满量程使用,使得热电势信号和电阻信号的精度分别可以达到0.48%和0.14%,足以满足系统设计需要。
3.3可靠性设计
　　为保证测试系统的可靠性要求,从元器件的选用到整机的装配，均严格按照有关规定执行,均选用可靠性指标比较高的元器件，按照EMC电磁抗干扰测试标准进行电路板设计与制作。另外在电源输人线路上加装输人滤波器以提高设备的抗干扰能力。
4应用软件设计
4.1软件系统组成及程序设计
　　测试系统应用软件采用VC++6.0编写,由采集卡控制程序、温度信号采集程序、信号分析处理程序、结果表达程序、人机接口程序和存储/报表输出程序6个部分组成，软件结构如图3所示。
 
　　使用VC++6.0编程时，程序要包含ADSAPI32.UB和头文件Driver.h,它是应用AdantechDLL的基础。在程序中添加采集器PCL818L的DLL动态链接库,提供了对相关口地址的读写操作函数中。这些函数都是标准的WindowsAPI,主要用到的动态链接函数包括:
(1)DRV-GetErrorMeSSage
　　函数功能:根据错误的代码得到出错的信息,然后将此错误信息返回到信息缓冲器。
(2)DRV-Deviceopen
　　函数功能:从注册或配置文件得到适合于设备工作的参数,并分配内存用来存储这些参数以快速提取。
(3)DRV-DeviceClose
　　函数功能:用来释放所分配的存储参数。
(4)DRV-GetAddress
　　函数功能:返回一个变量的指示器或地址。
(5.)DRV-AIConfig
　　函数功能:为模拟输人通道进行增益配置。
(6)DRV-AIVolageIn.
　　兩数功能:读取一个模拟输入通道,然后返回结果到一个电压(单位:V)。
(7)数据功能结构函数，包括:
PT-AIConfig:被DRV-AIConfig函数调用;
PT-AIVolatgeln:被DRV-AIVolatgeIn兩数调用。
　　根据数据采集的要求,在软件编写的过程中,AD转换功能尤为重要,这里给出实现对8路模拟量数据采集通道中的电压测量的主要代码:
 
　　最后，编译并运行程序，可以从屏幕上看到数据采集卡各通道输人模拟量的电压值。
　　数据采集完成后经过软件处理得出测试结果，数据采集卡支持Matlab应用，为了编程更方便、功能更稳定,软件中画图和时间常数的计算是通过VC++6.0调用Matlab来实现的。程序中用Matlab编写完画图和计算时间常数的函数后，分别将它们生成两个不同的COM组件并进行打包,然后将生成的COM组件对应的DLL文件添加到VC++6.0工程的引用中去,这样就可以在VC++6.0中进行使用了。
4.2系统界面及其功能设计
　　测试软件的主界面如图4所示。测试结果在工控机显示器.上显示,操作简便、直观。在主界面中,除了菜单命令外,也可以通过对应的命令按钮进行操作。
 
4.2.1系统管理
　　系统管理包括系统自检、退出等命令。系统自检是在测试软件启动时对系统硬件进行检测,并依此判断系统是否可以正常工作。
4.2.2测试控制管理
　　测试控制完成测试任务的组织、调度和管理,包含型号选择、测试时间设置和校准等信息。各命令菜单的功能说明如下:
(1)型号选择命令用下拉式菜单实现,分为热电偶式和热电阻式两个型号。
(2)测试时间设置用输人文本框实现，可在出现的文本框中设置测试时间;测试时间可以通过将热电偶浸人恒温槽,达到热平衡所需的时间进行估算。
(3)开始测试表示设备进人就绪状态，它自动跟踪被测量温度，当与T。温度差超出AT时开始测量并开始计时，经过设定的测试时间后自动停止测试。
(4)热电阻阻值设定可以设定热电阻阻值;测试台可对不同类型的热电阻进行时间常数的测量。
(5)标定是对放大电路进行零位校准和比例放大倍数校准,使得测量结果更加准确。
4.2.3工具管理
　　工具菜单命令提供对测试数据进行相关处理的命令。包括报表生成报表打印和历史报表查询等命令。
4.3输出报表及测试结果
　　在测试的过程中，将待测传感器放人设定的恒温槽可连续加热,当被测热电偶检测温度达到横温槽设定温度的63.2%时系统显示出时间常数值τ,打印机输出的报表格式如图5所示。
 
(1)输出报表的纵坐标随被测热电偶类型不同而变化。为了符合相关单位与科研机构对参数的获取需求,更直观地输出测试结果热电势型为温度刻度、热电阻型为电阻刻度。
(2)输出报表的横坐标为时间。T0为按“开始测试"命令后到热电偶放入恒温槽后开始测试的时间，由于恒温槽加热时间与实际温度T变化的关系如表1所示。
 
　　根据此表以及大量的实践表明,在5倍τ以后阶跃温度趋于平衡,因此将恒温槽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。界面中(Tt-T0)为设置的测试时间,横坐标的刻度根据设置时间的长短自动进行调节。
(3)“T"为在测试过程中显示即时温度值(若测试的是热电阻则显示电阻值)。
5结束语
　　系统采用了全新的设计方案,在信号的处理、采集、软件功能方面都做了深人的分析，设计了较为完善的硬件操作平台及上位机测量软件,使得测量更为科学、准确且操作方便,可以满足相关企业及科研机构的应用需求。因此，系统产品化后取得了很好的应用效果和经济效益,成为热电偶时间常数测量与分析的有力工具。