航空電瓶溫度傳感器校驗(yàn)儀的研制

胡志偉，任仁良

（中國(guó)民航大學(xué) a.航空自動(dòng)化學(xué)院；b.執(zhí)照考試管理中心，天津 300300）

由于航空電瓶的充放電特性與溫度有關(guān)，因此多數(shù)航空電瓶安裝溫度控制元件，以防止電瓶超溫充放電而損壞電瓶或低溫放電時(shí)造成電瓶輸出容量不足；超溫時(shí)停止給電瓶充電，低溫時(shí)為電瓶加熱，以提高充電效率和放電容量。溫度傳感器主要有兩種：一種是熱敏開(kāi)關(guān)（超溫和低溫），另一種是熱敏電阻。溫度傳感器需要定期校驗(yàn)。

以SAFT40176-7電瓶上的傳感器為例，它是由超溫開(kāi)關(guān)和低溫開(kāi)關(guān)組成。目前，國(guó)內(nèi)各航空公司檢測(cè)該溫度傳感器的方法是利用歐姆表檢測(cè)其通斷。根據(jù)CMM手冊(cè)規(guī)定，檢測(cè)過(guò)程中有4個(gè)溫度點(diǎn)需恒定5 min，分別是60℃（超溫開(kāi)關(guān)閉合值）、51.6℃（超溫開(kāi)關(guān)打開(kāi)值），-1.1℃（低溫開(kāi)關(guān)閉合值）、10℃（低溫開(kāi)關(guān)打開(kāi)值）[1]。而調(diào)節(jié)這4個(gè)恒溫點(diǎn)的方法是人工兌入冷、熱水并不斷目測(cè)溫度計(jì)來(lái)達(dá)到，其中-1.1℃這個(gè)溫度點(diǎn)需要加入干冰來(lái)調(diào)整。

從上述測(cè)試過(guò)程可以看出，傳統(tǒng)方法不但十分繁瑣，而且難以達(dá)到準(zhǔn)確度，人為因素不可避免。為此，需要研制一臺(tái)航空電瓶溫度傳感器校驗(yàn)儀，以滿足溫度傳感器精確校驗(yàn)需要。

實(shí)際使用表明，該溫度傳感器校驗(yàn)儀可以全自動(dòng)地校驗(yàn)出CMM手冊(cè)中要求的各溫度點(diǎn)傳感器的動(dòng)作情況，并且具有很高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

1 校驗(yàn)儀整體設(shè)計(jì)方案

該校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)主要分兩個(gè)部分。一部分是半導(dǎo)體制冷制熱阱的設(shè)計(jì)，它將半導(dǎo)體制冷制熱片安裝在阱的周圍。制冷時(shí)，冷端吸熱使阱內(nèi)部溫度降低，熱端通過(guò)散熱片和直流風(fēng)扇將吸收的熱量散出；制熱時(shí)，冷端發(fā)熱以達(dá)到加熱的目的。另一部分是溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它以STC89C58單片機(jī)為控制核心，輔以溫度采樣電路、溫度傳感器檢測(cè)電路和電流輸出電路對(duì)半導(dǎo)體制冷制熱器件進(jìn)行控制。溫度控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制形式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。具體工作過(guò)程為：將溫度設(shè)定值與溫度反饋值送入控制電路，然后經(jīng)過(guò)軟件控制算法得到輸出控制量，輸出控制量通過(guò)PWM方式驅(qū)動(dòng)DC－SSR對(duì)電流進(jìn)行控制，電流的大小和方向決定制冷量或制熱量，從而控制被控對(duì)象的溫度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of system structure

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 半導(dǎo)體制冷制熱器模型

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷，其利用“賽貝克效應(yīng)”的逆效應(yīng)“珀耳帖效應(yīng)”達(dá)到制冷目的。其基本原理如圖2所示，它是由金屬板和1對(duì)電偶臂（由1塊P型半導(dǎo)體和1塊N型半導(dǎo)體構(gòu)成）組成的熱電偶。通上直流電后，電場(chǎng)使N中的電子和P中的空穴反向流動(dòng)，它們產(chǎn)生的能量來(lái)自晶格的熱能，使得冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低、熱端溫度升高。同理，若顛倒直流電源正負(fù)極，則冷、熱端顛倒，從而實(shí)現(xiàn)制熱功能[2－3]。

圖2 半導(dǎo)體制冷制熱原理示意圖Fig.2 Diagram of semiconductor refrigeration and heating theory

若流入（流出）半導(dǎo)體制冷制熱器件的熱量為Q，其向周圍散發(fā)（吸收）的熱量為Q0，則根據(jù)熱力學(xué)定律可得如下關(guān)系

式中：C是熱容量。

半導(dǎo)體制冷制熱器件溫度T的大小取決于電流流過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的電功率，并且與電流i有非線性關(guān)系，若只考慮工作點(diǎn)附近的變化，可將其線性化處理。最終推出溫度T和電流i的傳遞函數(shù)形式為[4]

本系統(tǒng)中半導(dǎo)體制冷制熱器允許通過(guò)的最大電流Imax=25.0 A，最大電壓Vmax=5.0 V，最大制冷制熱量Qmax=125 W。受環(huán)境及熱損耗的影響，實(shí)際應(yīng)用中可調(diào)節(jié)的溫度范圍在－10～70℃之間。

2.2 溫度采集單元

本系統(tǒng)溫度采集單元所用的溫度傳感器為鉑電阻Pt100，它精度高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣，是中低溫（－200～600℃）最常用的一種溫度傳感器。如圖3所示，本系統(tǒng)中的鉑電阻（Rt）采用三線制接法接入電橋，可有效消除引線電阻和接觸電阻（r1、r2、r3）對(duì)溫度測(cè)量的影響。信號(hào)放大部分采用的是ANALOG DEVICES AD620。它由3個(gè)放大器構(gòu)成，比一般差分放大器精確度更高、抑制溫飄效果更好，放大器的放大倍數(shù)由R4確定。這樣的放大電路可抑制測(cè)量誤差，從而準(zhǔn)確測(cè)出鉑電阻上的電壓。放大后的電路經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波后輸入到A/D采樣電路。

2.3 電流輸出和顯示單元

本系統(tǒng)采用PWM控制方式控制直流固態(tài)繼電器（DC－SSR）以控制電流的輸出。由于DC－SSR的輸入控制電流小，用TTL、COMS等集成電路可以直接驅(qū)動(dòng)，而且與普通電磁繼電器相比無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳，因此特別適用于在本單片機(jī)控制系統(tǒng)中作為輸出通道的控制原件。本系統(tǒng)中單片機(jī)I/O輸出的PWM信號(hào)經(jīng)同相器SN7407N后直接驅(qū)動(dòng)DC－SSR，以控制輸出電流的大小，其原理如圖4所示。顯示單元采用的是FYD12864液晶顯示，選用這種顯示方式，一方面節(jié)省單片機(jī)I/O口，更主要是它集成了驅(qū)動(dòng)和自帶字庫(kù)，不僅簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，更達(dá)到了人機(jī)交互的效果。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器校驗(yàn)流程

本溫度控制系統(tǒng)校驗(yàn)航空電瓶溫度傳感器的流程完全遵循CMM手冊(cè)要求，整個(gè)升溫、降溫及恒溫控制完全由軟件實(shí)現(xiàn)，其中恒溫5 min定時(shí)，采用的是單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器。其具體過(guò)程如圖5所示。

圖5 傳感器校驗(yàn)流程圖Fig.5 Flowchart of sensor inspection

3.2 模糊-PID控制算法

由圖5可以看出，本系統(tǒng)溫控分兩個(gè)部分：一個(gè)是持續(xù)的升溫、降溫部分，不需要對(duì)其進(jìn)行控制；另一個(gè)是恒溫5 min的部分，這時(shí)需要用控制算法對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)的溫度控制存在大慣性、大滯后環(huán)節(jié)，受外界環(huán)境等諸多因素的影響，這些因素的變化雖然不大，但它們是不確定的。所以很難給出一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型，用常規(guī)的PID控制技術(shù)加以控制?？紤]到控制對(duì)象的模糊不確定性，本系統(tǒng)采用了模糊－PID控制。

模糊－PID控制由可控式PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示[5－6]。

圖6 模糊-PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig6.Diagram of fuzzy-PID controller

采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的PID控制算法，其離散PID控制規(guī)律為

1）輸入輸出量的模糊語(yǔ)言描述

在升溫、降溫過(guò)程中，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定恒溫值之差的絕對(duì)值，開(kāi)始進(jìn)行模糊－PID控制。設(shè)定輸入變化E和EC語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，0，正小，正大 }，并記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，將誤差E和誤差變化率EC量化到（－3，3）區(qū)域內(nèi)。同樣，設(shè)計(jì)輸出量 KP、KI、KD的模糊子集為{ZO，PS，PM，PB}，并將其量化到（0，3）內(nèi)。為了計(jì)算處理和實(shí)現(xiàn)的方便，輸入偏差E、輸入偏差變化率EC和輸出隸屬函數(shù)均采用線性函數(shù)。輸入輸出變量的隸屬函數(shù)曲線如圖 7～圖 9所示[7－8]。

圖7 輸入變化量EFig.7 Input variable E

圖8 輸入變化量ECFig.8 Input variable EC

圖9 輸出變量 Km（m=P，I，D）Fig.9 Output variable Km（m=P，I，D）

2）模糊控制規(guī)則表

根據(jù)PID參數(shù)整定規(guī)則和大量實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，可列出 KP、KI、KD控制規(guī)則如表 1 所示[9]。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在單片機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)模糊自整定算法[10-11]，控制設(shè)計(jì)核心部分流程如圖10所示，最后確定的控制輸出量Ui即為PWM的脈寬。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述方法已經(jīng)研制成功了1臺(tái)航空電瓶溫度傳感器校驗(yàn)儀。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該校驗(yàn)儀操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，可以校驗(yàn)所有航空電瓶上熱敏開(kāi)關(guān)和熱敏電阻類傳感器（如SAFT4579、SAFT40176-7電瓶上用的溫度傳感器）。

模糊-PID控制算法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了校驗(yàn)過(guò)程中的恒溫控制，4個(gè)恒溫點(diǎn)的控制精度分別是±0.2℃、±0.4℃、±0.5℃、±0.5℃。因此，與傳統(tǒng)校驗(yàn)方法相比（傳統(tǒng)方法精度很難穩(wěn)定在1℃以內(nèi)），整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程精度可以有效地穩(wěn)定在0.5℃的范圍之內(nèi)。

圖10 控制程序流程圖Fig.10 Flowchart of control process

半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)的應(yīng)用保證了傳感器校驗(yàn)過(guò)程中所需的高、低溫環(huán)境，解決了人工測(cè)試繁瑣的問(wèn)題。

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