熱強度試驗中熱電偶調(diào)理模塊的設(shè)計與應(yīng)用

李正榮1，喬 金2，顏思淼2

（1.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621703；2.北京瑞風(fēng)協(xié)同科技股份有限公司，北京 100086）

熱強度試驗中熱電偶調(diào)理模塊的設(shè)計與應(yīng)用

李正榮1，喬 金2，顏思淼2

（1.中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621703；2.北京瑞風(fēng)協(xié)同科技股份有限公司，北京 100086）

熱強度試驗現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，會對熱電偶、熱流等微弱電壓信號產(chǎn)生較大電磁干擾，影響系統(tǒng)測量精度；因此，需要設(shè)計一款熱電偶調(diào)理模塊，對小信號進(jìn)行隔離放大并抑制環(huán)境干擾，有效還原真實信號，提高系統(tǒng)的測量精度；首先，信號通過差分濾波電路，濾除噪聲后進(jìn)入高分辨率ADC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；然后通過CPU進(jìn)行信號處理，得到對應(yīng)的溫度值，再根據(jù)按滿量程線性化計算，將輸出編碼發(fā)送到DAC，按預(yù)先設(shè)置好的信號輸出到數(shù)據(jù)采集儀器；通過實測證明，熱強度試驗中的熱電偶、熱流以及其它微弱信號，均可通過此熱電偶調(diào)理模塊調(diào)理成大電壓或電流信號然后輸出，可以有效的抑制干擾，確保熱強度試驗中系統(tǒng)的測量精度。

熱強度試驗；熱電偶調(diào)理；測量精度

0 引言

熱強度試驗是觀察和研究飛行器結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在熱環(huán)境中的力學(xué)性態(tài)和抵抗破壞能力的試驗。試驗時將結(jié)構(gòu)表面劃分為若干區(qū)域，每個區(qū)域的單位面積加熱率和載荷值各不相同，通過PID閉環(huán)控制實現(xiàn)對各個區(qū)域加熱。各區(qū)域的溫度信號采集精度直接影響控制精度。試驗現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，強電、弱電混合走線，會對熱電偶、熱流等微弱電壓信號產(chǎn)生較大電磁干擾，影響測量精度，進(jìn)一步影響可控硅控制信號精度，基于以上原因，需設(shè)計熱電偶／小電壓調(diào)理模塊，對小信號進(jìn)行隔離放大，提高測量和控制精度。并且模塊還需要具備響應(yīng)速度快，精度高，使用靈活等特點，應(yīng)用該模塊對抑制熱強度試驗存在的干擾有較大作用，可以有效提高系統(tǒng)的測量、控制精度。

1 熱電偶調(diào)理模塊需求分析

結(jié)合熱強度試驗的實際需求，設(shè)計專用的熱電偶調(diào)理模塊需具備以下特點：

1）支持多種偶型B、E、J、K、N、R、S、T，可程控選擇；

2）采用LXI總線，支持遠(yuǎn)程控制；

3）輸出多種輸出：±10 V、±5 V、0～5 V、0～10 V、0～20 m A、4～20 m A、0～24 m A；

4）響應(yīng)時間不大于5 mS級；

5）通道間相互隔離；

6）具備硬件低通濾波功能；

7）支持在線校準(zhǔn)；

2 熱電偶調(diào)理模塊設(shè)計

熱電偶調(diào)理模塊采用板卡式設(shè)計，每塊卡設(shè)計8通道，內(nèi)置于CAS2000六槽主機箱。主機箱采用了高密度的緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有高度的配置靈活性和優(yōu)異的系統(tǒng)擴(kuò)展性，可同時插入多達(dá)6個配置模塊，共48通道，以滿足不同用戶不同規(guī)模的測試測量應(yīng)用需求。主機箱由主控制板、6槽背板組成，機箱的主控制板和背板均嚴(yán)格按照LXI總線A類規(guī)范設(shè)計，采用SMBus通訊控制，其8路模擬輸出線具有各自的模擬地，提供10 MHz晶振，同時具有硬件復(fù)位功能。

根據(jù)需求，模塊總體設(shè)計劃分為以下幾大部分：數(shù)據(jù)采集、信號處理、冷端補償、信號輸出及外部通訊，原理框如圖2所示。

由于熱電偶為微小信號，在測試精度上必須保證，主要體現(xiàn)在濾波設(shè)計、電源噪聲、PCB布線等因素的控制。由于模塊對信號輸入輸出有最大相位差要求，需要在軟件上采用快速計算方法和SPI硬件驅(qū)動以保證性能要求。

圖1 CAS2000機箱

圖2 模塊原理框圖

2.1 模塊硬件設(shè)計

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

熱電偶輸入通過MiniTC端子排轉(zhuǎn)為電信號，使用差分濾波電路濾除噪聲，帶寬200 Hz，通過對輸入信號分壓及放大器放大，使輸入信號可承受120 V瞬態(tài)高壓，防止大電壓擊穿。

模擬量測量電路使用外部ADC轉(zhuǎn)換芯片，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字，通過SPI讀入CPU。ADC分辨率為24bit，數(shù)據(jù)通過率最大為50 KSPS。使用多路開關(guān)切換8個通道。為滿足放大器建立時間，達(dá)到要求的精度，使用雙路放大器。按轉(zhuǎn)換周期30μs計算：每路采集18次：需時540μs，8通道，共需時4.32 ms，則總通過率為231 Hz，采集能夠滿足要求。

2.1.2 信號處理

CPU將AD采集的電壓信號根據(jù)不同偶型進(jìn)行查表轉(zhuǎn)換為熱電偶的溫度值，實現(xiàn)熱電偶溫度采集，同時將冷端測量溫度進(jìn)行補償。根據(jù)不同輸出設(shè)置進(jìn)行輸出滿量程線性化計算，并將輸出編碼發(fā)送給DA芯片。

模塊板載鐵電存儲器，構(gòu)成2×32 KB非易失存儲器，用于分度表和設(shè)定參數(shù)存儲。使用時，按照指令，將分度表裝載到SRAM中，以提高計算速度。

2.1.3 冷端補償

模塊使用2路DS18B20測量端子排處的冷端溫度值。通過單總線讀取冷端溫度值，并對采集到的兩路溫度進(jìn)行平均，提高測量精度。

DS18B20溫度轉(zhuǎn)換延時為750 ms，通過程序設(shè)計每1 S對冷端補償溫度進(jìn)行更新。

2.1.4 信號輸出

模塊使用8路DAC進(jìn)行信號輸出，每路互相隔離，輸出量程由軟件選擇。CPU通過SPI總線給8路DA分別發(fā)送輸出編碼，控制DA輸出。CPU與DAC之間使用光耦進(jìn)行隔離，避免干擾。

圖3 信號輸出框圖

2.2 熱電偶調(diào)理模塊軟件設(shè)計

軟件是整個模塊的核心，使用C語言編制，流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

2.2.1 與主機通訊

與主機通訊包含在解析命令并賦值I2C輸出寄存器，當(dāng)上位機界面已經(jīng)發(fā)送命令，程序中的I2C中斷服務(wù)子程序跳出時會將I2C數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志I2C_Ready置1，主程序判斷該就緒標(biāo)志，即可根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行命令的解析，如果是參數(shù)設(shè)置，或者校準(zhǔn)命令，在命令解析后的下一次循環(huán)即可執(zhí)行相應(yīng)的操作，如果是要求獲取數(shù)據(jù)的命令，則將上位機要求獲取的數(shù)據(jù)裝載進(jìn)I2C數(shù)據(jù)輸出寄存器，在上位機再次調(diào)用數(shù)據(jù)獲取函數(shù)的時候，即可將I2C數(shù)據(jù)輸出寄存器中的數(shù)據(jù)正確的輸出到上位機。

2.2.2 參數(shù)、分度表存取

參數(shù)、分度表的讀取包含在上電初始化中，從FRAM中讀取校準(zhǔn)參數(shù)（斜率和截距）以及對上次操作時對熱電偶類型，是否進(jìn)行冷端校準(zhǔn)，輸出類型，輸入最大值和最小值的設(shè)置；

2.2.3 掃描開關(guān)切換

掃描開關(guān)切換包含在AD采集中，在AD采集的中斷服務(wù)子函數(shù)中，掃描開關(guān)切換，以實現(xiàn)對每個通道的AD采集；2

.2.4 熱電偶數(shù)據(jù)采集

熱電偶數(shù)據(jù)采集即AD采集，將AD采集到的電壓查表轉(zhuǎn)換成溫度值，即完成了熱電偶數(shù)據(jù)的采集；

2.2.5 冷端數(shù)據(jù)采集

使用兩路DS18B20測量設(shè)備對外接口處的溫度值，DS18B20為單總線模式，通過對IO口的操作模擬單總線時序，以實現(xiàn)對溫度的采集，將兩路DS18B20采集到的溫度做平均值以提高采集溫度的精度；

2.2.6 數(shù)據(jù)變換

數(shù)據(jù)變換，包括冷端溫度（℃）查表轉(zhuǎn)換成電壓值（u V）、采集到的熱電偶的電壓（u V）轉(zhuǎn)化為溫度值（℃）以及各通道溫度滿量程線性化。

2.2.7 冷端校準(zhǔn)

程序通過上位機發(fā)送的冷端補償標(biāo)志來決定是否進(jìn)行冷端補償，如果冷端補償標(biāo)志為1，則進(jìn)行冷端補償，否則，保持AD采集平均值的原值，不進(jìn)行補償；

2.2.8 模擬量輸出

將已經(jīng)進(jìn)行過冷端補償?shù)碾妷翰楸磙D(zhuǎn)化為溫度值后，將該溫度在滿量程內(nèi)線性化，以計算出應(yīng)該輸出的電壓值，然后將該電壓值根據(jù)量程轉(zhuǎn)化為DA輸出編碼，進(jìn)行DA輸出；

2.2.9 采集數(shù)據(jù)直接輸出

程序中，設(shè)計每隔1 s進(jìn)行一次溫度的測量，更新溫度值，并進(jìn)行冷端的補償，在這1 s的間隔內(nèi)，只進(jìn)行冷端補償而不進(jìn)行冷端溫度的更新，以提高DA輸出的頻率。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)測試需求，對研制的熱電偶調(diào)理模塊進(jìn)行精度測量，考核精度、響應(yīng)時間等設(shè)計指標(biāo)。

3.1 精度測量

使用標(biāo)準(zhǔn)信號源和數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行測試，測試曲線如下表：

T1曲線為標(biāo)準(zhǔn)源信號直接接數(shù)據(jù)采集設(shè)備采到的數(shù)據(jù)

T2曲線為標(biāo)準(zhǔn)源接熱電偶調(diào)理模塊，模塊輸出接數(shù)采集采設(shè)備采到的數(shù)據(jù)

從圖中可以T1和T2曲線基本擬合，通過計算，調(diào)理精度滿足設(shè)計要求，小于0.1%

圖5 溫度精度測量曲線

3.2 響應(yīng)時間測試

使用信號發(fā)生器輸出50 m V信號，分別直接接示波器和通過調(diào)理輸出后接示波器，考核調(diào)理模塊響應(yīng)速度，調(diào)理放大倍數(shù)100，輸出為5 Vpp。

從下圖可看，黃色波形為信號發(fā)生器原始信號，藍(lán)色波形為信號發(fā)生器輸出信號經(jīng)調(diào)理后波形，從示波器顯示結(jié)果可知，調(diào)理模塊帶寬可達(dá)200 Hz，響應(yīng)時間小于5 ms。

圖6 響應(yīng)時間、帶寬測試

4 現(xiàn)場應(yīng)用

使用熱電偶調(diào)理模塊提高了信號抗干擾能力，尤其電流輸出模式，使溫度信號可進(jìn)行長距離高精度傳輸，保證測量精度。模塊的高響應(yīng)時間，使溫度控制模塊響應(yīng)速度和控制精度均有大幅提高，保證試驗溫控曲線與試驗設(shè)計曲線完全擬合，實現(xiàn)高精度溫控。

下圖為溫度控制曲線，T4為溫度理論曲線，T3為實際控制曲線。左圖為未使用熱電偶調(diào)理模塊試驗曲線，右圖為使用熱電偶調(diào)理模塊的試驗曲線。通過對比，使用熱電偶調(diào)理模塊后，T3曲線和T4曲線擬合得更好，溫度控制精度更高，干擾更小，達(dá)到了設(shè)計目的。

圖7 試驗溫控曲線

5 結(jié)論

通過試驗驗證，熱電偶／小電壓調(diào)理模塊在熱強度試驗中可抑制試驗環(huán)境中強電帶來的電磁干擾，提高系統(tǒng)控制精度及測量精度，達(dá)到了設(shè)計目的。由此可知，在其他類似電磁環(huán)境惡劣的試驗現(xiàn)場，對于熱電偶或微弱電壓信號使用該熱電偶調(diào)理模塊可提高測量精度，具有推廣意義。

［1］王飛躍.熱電偶傳感器信號調(diào)理與數(shù)字采集系統(tǒng)的設(shè)計，中北大學(xué)，2013.

［2］甄國勇，王向玲，侯 卓.基于熱電偶的溫度測量信號調(diào)理電路，核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32（3）：269-171.

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［4］荊海霞，周琳勃，王仁道，等.基于單片機的熱電偶測溫系統(tǒng)的設(shè)計，微計算機信息，2009（23）：88-89.

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Thermocouple Conditioner Module Design and Application in the Thermal Strength Test

Li Zhengrong1，Qiao Jin2，Yan Simiao2

（1.China Gas Turbine Establishment，Mianyang 621703，China；2.Beijing Rainfe Technology CO.LTD，Beijing 100062，China）

Since the thermal strength test environment is complex，there is strong electromagnetic interference in measuring low voltage signals，such as thermocouples and heat flux，thus affect system measurement accuracy.Therefore one thermocouple conditioning module is designed，aiming at isolating and amplifying the low voltage signals as well as jamming interference，recovering signals effectively，then improving the accuracy of the system.At first，real signals go into differential filter circuitry with noise filtered，then are converted into digital signals by passing through high resolution ADC.And then are processed by CPU，we get corresponding temperature values.Finally，do linear calculation in full scale，send output code to DAC，then output signal to DAQ instrument.It was proven by test，all low signals including thermocouples，heat flux and other low voltage signal in thermal strength test，can be converted to high voltage or current signals by using thermocouple conditioning module，thus reduce the interference effectively and ensure the system test accuracy can be achieved.

thermal strength test，thermocouple conditioner，measurement accuracy

1671-4598（2016）08-0212-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.058

：TH811

：A

2016-03-03；

：2016-03-27。

李正榮（1964-），男，四川省大英縣人，大學(xué)，主要從事試驗研究、試驗?zāi)芰ㄔO(shè)的工作。