無引線溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

徐正紅

(安徽省長(zhǎng)江計(jì)量所，安徽合肥230088)

0 引言

目前，更多的真空模擬設(shè)備、熱壓罐、真空罐、大空間試驗(yàn)裝置被用于各種產(chǎn)品部件、整機(jī)的試驗(yàn)和加工處理過程中，這些設(shè)備的溫度場(chǎng)分布均勻性對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)和試驗(yàn)質(zhì)量有很大影響，需要定期開展測(cè)試校準(zhǔn)。但是這些設(shè)備具有較強(qiáng)的密封性，或者工作空間較大，傳統(tǒng)的有引線溫場(chǎng)測(cè)量裝置無法滿足其溫度均勻性測(cè)試，因此設(shè)計(jì)無引線溫度測(cè)量模塊是非常有必要的。

無引線溫度測(cè)量模塊包括高精度溫度傳感器、精密測(cè)量存儲(chǔ)電路，以及真空隔熱、蓄熱保護(hù)套，可直接放置在被測(cè)設(shè)備中，在測(cè)量溫度條件下實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，在測(cè)量完畢后通過上位機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、測(cè)量結(jié)果輸出等功能，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的測(cè)量。

1 無引線溫度測(cè)量模塊的硬件組成

無引線溫度測(cè)量模塊主要包括高精度溫度傳感器、溫度測(cè)量單元、隔熱蓄熱外套(真空隔熱層和蓄熱隔熱層)，如圖1所示。其中溫度傳感器采用高精度Pt100 鉑電阻，頭部設(shè)計(jì)成錐形，可提高其動(dòng)態(tài)特性，并減小測(cè)量誤差。溫度測(cè)量單元處于隔熱蓄熱外套中，利用電池供電，采集溫度傳感器信號(hào)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片中。

隔熱蓄熱外套包括真空隔熱層和蓄熱隔熱層。真空隔熱層處于整個(gè)模塊的最外層，可有效阻止熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和部分熱輻射，減小環(huán)境向內(nèi)部的漏熱量。蓄熱隔熱層利用蓄熱材料的相變吸熱，進(jìn)一步延緩熱量向溫度測(cè)量單元傳遞，使其工作區(qū)域溫度在-40 ～80℃范圍內(nèi)，保證測(cè)量電路能夠正常工作。

2 溫度測(cè)量單元設(shè)計(jì)

為了達(dá)到高準(zhǔn)確度溫度測(cè)量，溫度傳感器采用4線制高精密鉑熱電阻溫度計(jì)，測(cè)溫范圍-65 ～200 ℃，對(duì)應(yīng)電阻范圍74.33 ～175.86 Ω，測(cè)量誤差(0.15±0.002t)℃。

圖1 無引線溫度測(cè)量模塊硬件組成示意圖

溫度測(cè)量單元設(shè)計(jì)示意圖見圖2。測(cè)量電路中采用5V 精密電壓芯片提供1 mA 的測(cè)量電流，紋波系數(shù)小，穩(wěn)定度高，測(cè)量芯片選用16 位A/D 轉(zhuǎn)換器，理論上可分辨出4 mK 的溫度變化。為了減小采樣電路的波動(dòng)影響，提高測(cè)量電路的重復(fù)性，滿足測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量電阻值時(shí)采用參考電阻比例測(cè)量技術(shù)，用于比較的標(biāo)準(zhǔn)電阻選用100 Ω，可大大提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

測(cè)量電路中放大電路、存儲(chǔ)器、通訊模塊等數(shù)字電路部分采用5V 數(shù)字電壓芯片供電，輸入為5.2 ～6.5V，輸出5V，自身功耗小，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。為了滿足存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)介質(zhì)選用大容量Flash 存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)容量1M，當(dāng)采樣間隔為1s 時(shí)，可連續(xù)存儲(chǔ)48 h的數(shù)據(jù)。

3 隔熱蓄熱外套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 溫度測(cè)量單元設(shè)計(jì)示意圖

隔熱結(jié)構(gòu)分為真空隔熱層和蓄熱隔熱層。隔熱結(jié)構(gòu)主要功能是減小傳熱的速度，保證采集器有足夠的測(cè)試時(shí)間，從而達(dá)到測(cè)試目的。隔熱結(jié)構(gòu)從導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三個(gè)方面設(shè)計(jì)來減小熱量，保證溫度測(cè)量單元工作在正常溫度范圍內(nèi)，保護(hù)溫度測(cè)量單元不受損壞。

真空隔熱層采用真空設(shè)計(jì)如圖3所示。真空隔熱裝置真空度抽至5×10-3Pa 以下，導(dǎo)熱和對(duì)流產(chǎn)生的熱傳遞基本可以消除。為了保證整個(gè)裝置不受機(jī)械破壞，真空隔熱層采用不銹鋼加工，外壁厚度1 mm，內(nèi)壁厚度0.2 mm，夾層空間8 mm。真空隔熱層外側(cè)殼體內(nèi)部拋光，減小材料的熱輻射能力，隔熱層內(nèi)側(cè)殼體厚度0.2 mm，通過拋光處理增加熱反射能力。

圖3 真空隔熱層示意圖

雖然采用了低漏熱設(shè)計(jì)，但由于漏熱總是存在，隨著時(shí)間的增加，內(nèi)部溫度會(huì)緩慢上升。為避免隨著時(shí)間增加內(nèi)部溫度太高，還需要在內(nèi)部增設(shè)蓄熱層，吸收漏入的熱量。蓄熱層采用比熱容較大的蓄熱材料，通過蓄熱材料的相變吸收熱量，來減緩蓄熱層內(nèi)部空間溫度上升。根據(jù)測(cè)量的要求，估算需要的蓄熱材料，保證測(cè)量蓄熱材料相變時(shí)間約在200 min 左右。

為確定蓄熱材料的用量，首先需要估算漏入的熱量，然后根據(jù)該熱量和蓄熱材料的熱溶和潛熱進(jìn)行計(jì)算。設(shè)外側(cè)溫度為T2，半徑為r2，熱發(fā)射系數(shù)為ε2，內(nèi)層初始溫度為T1，半徑為r1，熱吸收系數(shù)為ε1。由熱輻射公式可得內(nèi)層吸收熱輻射的熱流密度為

其中，F(xiàn) 為角系數(shù)，計(jì)算公式為

其中，A1為內(nèi)層的面積(上式假設(shè)隔熱層高遠(yuǎn)大于直徑)。

內(nèi)層吸收熱輻射能量功率

根據(jù)以上吸收的熱輻射量可以計(jì)算蓄熱材料用量。

4 上位機(jī)軟件和溫度場(chǎng)測(cè)量工作過程

無引線溫度測(cè)量模塊的工作模式設(shè)置是通過上位機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的，通過USB 端口連入到計(jì)算中，用程序進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置參數(shù)包括傳感器的記錄間隔(從10 s 到1 h)、開始記錄選項(xiàng)(立即開始記錄、特定時(shí)間開始記錄或特定溫度開始記錄)、報(bào)警溫度等。

設(shè)置好的無引線溫度測(cè)量模塊放置在被測(cè)設(shè)備的測(cè)量位置上進(jìn)行測(cè)試。需要注意的是需要根據(jù)設(shè)備的升降溫速率估計(jì)測(cè)量時(shí)間，避免測(cè)量模塊損壞。完成預(yù)期的測(cè)量后，從被測(cè)設(shè)備中取出測(cè)量模塊，通過數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)中。

多支無引線溫度測(cè)量模塊組成溫場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)記錄被測(cè)設(shè)備工作區(qū)的溫度，軟件讀取數(shù)據(jù)后，將以曲線圖、列表等形式顯示，并按照現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)測(cè)試規(guī)范進(jìn)行數(shù)處理，生成溫度均勻性測(cè)量報(bào)表。

5 溫場(chǎng)均勻性測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證

用9 支無引線溫度測(cè)量模塊組成一套溫度均勻性測(cè)量系統(tǒng)，在200 ℃下測(cè)量某真空罐。在測(cè)量前，對(duì)9支模塊在不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無引線溫度測(cè)量模塊校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

測(cè)量前設(shè)置模塊采集間隔2 min，為了保證9 支模塊同步進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置定時(shí)開始采集，采集總時(shí)間設(shè)定2 h10 min。如圖4所示，9 支模塊采集數(shù)據(jù)起始時(shí)間均為8 ∶40，停止時(shí)間均為10 ∶50，在高溫下工作超過2 h。

溫度均勻性數(shù)據(jù)選取采集數(shù)據(jù)的最后20 min 數(shù)據(jù)，并且利用表1 的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，如表2所示。

由表1 可見，該真空罐在200℃時(shí)的溫度均勻性上偏差4℃，下偏差4.2℃，與其測(cè)試報(bào)告(由其他測(cè)量手段提供)中的測(cè)試結(jié)果(上偏差3.8℃，下偏差4.0℃)一致。試驗(yàn)表明該無引線溫度測(cè)量模塊滿足計(jì)量測(cè)試要求。

圖4 溫度均勻性測(cè)量曲線圖

表2 某真空罐溫度均勻性測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的無引線溫度測(cè)量模塊選用高精度傳感器，采用參考電阻比例法測(cè)量技術(shù)，滿足溫度測(cè)量準(zhǔn)確度要求;采用真空隔熱、蓄熱技術(shù)，滿足在高溫下正常工作。依據(jù)現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，滿足溫度均勻性測(cè)量要求。無引線溫度測(cè)量模塊準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，軟硬件操作簡(jiǎn)單，滿足真空試驗(yàn)罐、熱壓罐，或其他密閉試驗(yàn)裝置、大空間實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)量測(cè)試要求。

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