火焰溫度場測試中的傳感器動態(tài)特性補償

趙學(xué)敏,王文廉,李巖峰,楊文杰

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051; 2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

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火焰溫度場測試中的傳感器動態(tài)特性補償

趙學(xué)敏,王文廉*,李巖峰,楊文杰

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051; 2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

在進(jìn)行爆溫測試時,爆炸伴隨的高溫火焰具有變化快、溫度高、測試環(huán)境惡劣等特點。針對這種特定的測溫場合,運用火焰溫度源法研究了熱電偶傳感器在火焰溫度場中的動態(tài)響應(yīng)特性。為了減小熱電偶的動態(tài)測量誤差,通過粒子群優(yōu)化算法(TPO)建立了測試系統(tǒng)的動態(tài)補償濾波器模型。實驗表明,這種研究方法有效地改善了熱電偶的動態(tài)測量誤差,對通過爆溫測試進(jìn)行彈丸熱毀傷評價有一定的參考價值。

爆溫測試;動態(tài)響應(yīng)特性;火焰溫度源法;TPO算法;動態(tài)測量誤差

在軍事科技跟蹤世界先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展的今天,爆溫測試仍然是國內(nèi)外科研人員致力研究的課題。由于爆炸產(chǎn)生的溫度場變化快、溫度高、易造成測試設(shè)備的破損,所以,目前也很難找到有效的測試方法和精確的測量裝置獲得可靠的爆心溫度值及爆炸場真實的溫度分布規(guī)律。爆溫測試面臨困難,這就更加需要我們加快對新方法探索的步伐[1-2]。總體來說,爆溫測試的方法有兩大類:非接觸式測溫和接觸式測溫。非接觸式測溫主要以輻射式測溫為主,但由于在實際應(yīng)用中,很難獲得爆炸產(chǎn)物實際的發(fā)射率,測溫誤差很大[3-4],因此,在爆溫測試領(lǐng)域中,以熱電偶測溫為主的接觸式測溫法仍然占有重要地位[5]。用熱電偶進(jìn)行溫度測試時,測溫偶結(jié)需與所在介質(zhì)達(dá)到熱平衡,這就使其在進(jìn)行爆炸這樣的瞬態(tài)溫度測試時也存在一定的局限性[6],但我們可以對改善其動態(tài)特性的方法進(jìn)行深入研究來減小其動態(tài)測量誤差。從本質(zhì)上來講,改善熱電偶動態(tài)性能的措施主要有兩種,一是改進(jìn)熱電偶的結(jié)構(gòu)以減小偶結(jié)的熱容量,另一種就是建立動態(tài)補償濾波器來拓展熱電偶的工作頻帶[7-8],后者應(yīng)用廣泛。為此,本文首先基于自制的快速滑動型階躍信號發(fā)生器,獲得了美國OMEGA公司生產(chǎn)的型號為CHAL-020-BW的K型熱電偶在火焰溫度場中的時間常數(shù),然后利用TPO算法對其進(jìn)行了動態(tài)特性補償及模型驗證,這對實際進(jìn)行現(xiàn)場爆溫測試有重要意義。

1 熱電偶動態(tài)特性指標(biāo)分析

對溫度傳感器來說,一般常用其對階躍溫度的響應(yīng)來描述自身的動態(tài)特性,而時間常數(shù)常被用作衡量熱電偶溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的重要指標(biāo)。由于熱電偶的時間常數(shù)值不僅與其本身的特性有關(guān),還受測溫介質(zhì)的影響,所以在用熱電偶進(jìn)行爆溫測試時,首先有必要對所用熱電偶在火焰溫度場中的動態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究。

一個典型的溫度傳感器時間常數(shù)測試系統(tǒng)主要包括溫度階躍信號發(fā)生器、溫度傳感器、采集存儲裝置、記錄顯示儀、數(shù)據(jù)處理設(shè)備五大部分,如圖1所示。

圖1 時間常數(shù)測試系統(tǒng)組成框圖

圖2 火焰溫度源法時間常數(shù)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

以此為依據(jù)創(chuàng)建了火焰溫度源法[9]來獲取熱電偶在火焰溫度場中的時間常數(shù)。

1.1 快速滑動型階躍信號發(fā)生器的設(shè)計

在熱電偶溫度傳感器時間常數(shù)測試系統(tǒng)中,構(gòu)建合適的動態(tài)激勵信號發(fā)生器以產(chǎn)生較為理想的溫度階躍信號是至關(guān)重要的。因此,本測試系統(tǒng)在溫度源的選擇上,用丁烷焰作為激勵源,這樣設(shè)計符合我們所要研究的火焰溫度場環(huán)境;其次,對于階躍信號發(fā)生裝置,借助直線導(dǎo)軌進(jìn)行快速滑動,這樣設(shè)計保證可以產(chǎn)生近似理想的溫度階躍信號。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.2 火焰溫度場中熱電偶時間常數(shù)的獲取

測試系統(tǒng)設(shè)計好后,實驗步驟如下:①將直線導(dǎo)軌固定在某一水平面上,同時將固定有滑輪、小擋板和熱電偶的滑塊置于導(dǎo)軌上的某一位置;②調(diào)整丁烷槍位置,使丁烷槍的開關(guān)打開后,熱電偶隨滑塊快速滑動并與大擋板碰撞立即停止的瞬間,熱電偶的偶結(jié)能恰好浸沒在丁烷焰中;③將其它部分搭建起來,給測試系統(tǒng)上電,然后在計算機(jī)界面(數(shù)據(jù)顯示及信號處理裝置)通過LabVIEW進(jìn)行參數(shù)(數(shù)據(jù)長度、采樣頻率、負(fù)延時、觸發(fā)電平和放大倍數(shù)等)設(shè)置,使當(dāng)前系統(tǒng)處于待觸發(fā)狀態(tài);④打開丁烷槍開關(guān),待火焰穩(wěn)定后,啟動快速彈射裝置,使熱電偶隨同滑塊快速滑動,直到熱電偶的偶結(jié)恰好浸沒在火焰中,此時熱電偶便獲得一個比較理想的溫度階躍信號;⑤此信號經(jīng)采集存儲裝置采集、調(diào)理、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲,其響應(yīng)曲線便可在LabVIEW界面得到顯示,且顯示的溫度值是減去冷端補償值(冷端補償值為環(huán)境溫度,約20 ℃,這樣處理是為了方便數(shù)據(jù)處理)后跟據(jù)標(biāo)準(zhǔn)K型熱電偶分度表轉(zhuǎn)化而來的;⑥由響應(yīng)曲線讀出被測熱電偶的時間常數(shù)值。

重復(fù)進(jìn)行多次實驗,某次獲得的熱電偶響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 火焰溫度源法熱電偶階躍響應(yīng)曲線

當(dāng)熱電偶的輸入為階躍溫度信號時,其動態(tài)響應(yīng)誤差會隨時間的增加而減小;且當(dāng)t>3τ時,熱電偶的測量值基本接近真實值。所以在本實驗中,可以認(rèn)為熱電偶的響應(yīng)隨時間不再有顯著變化時,所測溫度與環(huán)境溫度之和即為丁烷焰的真實溫度。

圖3中,“游標(biāo)1”所在位置為溫度階躍信號發(fā)生瞬間初始溫度為0的時刻(1 868.207 ms),“游標(biāo)0”所在位置為熱電偶指示溫度(1 347.570 ℃)與熱結(jié)點初始溫度之差達(dá)到溫度階躍值的63.2%(851.664 ℃)時所對應(yīng)的時刻(2 719.867 ms),則所用熱電偶的時間常數(shù)為兩游標(biāo)對應(yīng)的時間差,即851.660 ms。

在相同實驗條件下進(jìn)行的多次重復(fù)實驗中,將其中5組的實驗數(shù)據(jù)列于表1中。

表1 火焰溫度源法測得的熱電偶時間常數(shù)值

由表1可以看出,本實驗所用丁烷槍產(chǎn)生的丁烷焰溫度約為(1 331.313+20)℃,即1 351.313 ℃;所研究熱電偶在丁烷焰這樣的火焰溫度場中的時間常數(shù)約為846.992 ms。

1.3 火焰溫度場中熱電偶時間常數(shù)分析

當(dāng)熱電偶溫度傳感器在火焰溫度場中的時間常數(shù)為846.992 ms時,是很難滿足進(jìn)行爆溫測試時對傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的要求的。如果直接由此熱電偶的爆溫測試結(jié)果得到火焰真實溫度,測量誤差會很大。所以,很有必要建立熱電偶溫度傳感器的補償濾波器模型來改善其動態(tài)特性、減小測量誤差。

2 動態(tài)補償濾波器的設(shè)計

選擇合適的建模方法來建立熱電偶溫度傳感器的動態(tài)補償濾波器模型,可以有效地改善其動態(tài)響應(yīng)特性。在建立熱電偶的動態(tài)補償濾波器模型時,目前常用的方法有兩種:系統(tǒng)正建模法及系統(tǒng)逆建模法。由于采用系統(tǒng)逆建模時,無需建立熱電偶的動態(tài)模型,從而有效避免了由傳感器建模帶來的誤差,所以,本文基于系統(tǒng)逆建模的思路通過粒子群優(yōu)化算法(TPO)來建立熱電偶溫度傳感器的動態(tài)補償濾波器模型。

2.1 設(shè)計依據(jù)

溫度階躍信號發(fā)生系統(tǒng)是為了給被校傳感器提供一個定量的溫度突變。按照校準(zhǔn)工況所規(guī)定的對溫度階躍量的要求,在給溫度傳感器加溫度階躍信號時,產(chǎn)生溫度階躍所需的時間應(yīng)小于被校準(zhǔn)傳感器時間常數(shù)的10%,校準(zhǔn)結(jié)果才有效[10]。在火焰溫度場中,熱電偶的時間常數(shù)約為846.992 ms,所以在建立動態(tài)補償濾波器模型時,可以構(gòu)建如圖4所示的上升時間為80 ms的斜坡信號來代替理想的溫度階躍信號作為濾波器的輸出,以火焰溫度源法得到的熱電偶的階躍響應(yīng)作為補償濾波器的輸入。

圖4 上升時間為80 ms的斜坡信號

2.2 粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法(TPO)是一種在隨機(jī)初始化一群粒子后,每個粒子通過迭代法不斷調(diào)整自己的速度并更新自己的位置從而找到最優(yōu)位置的算法[11-12]。由于粒子群優(yōu)化算法具有算法簡單、搜索速度快、收斂性好、全局搜索能力強(qiáng)等優(yōu)點[13-15],所以,在建立熱電偶的動態(tài)補償濾波器時,仍采用該算法。

在建立熱電偶傳感器的動態(tài)補償濾波器模型時,粒子群優(yōu)化算法中的粒子由模型系數(shù)矩陣構(gòu)成。在D維目標(biāo)空間中,設(shè)有m個粒子,將第i個粒子的速度表示為Vi,且Vi=(vi1,vi2,…,viD);而將其位置表示為Xi,且Xi=(xi1,xi2,…,xiD)。其中每個粒子都有自己獨立的速度和位置,且都在不斷的更新來尋找最優(yōu)位置。將第i個粒子所搜索到的最優(yōu)位置(pbest)表示為Pi=(pi1,pi2,…,piD)。每更新一次位置,就用計算所得各粒子的適應(yīng)度值與各自當(dāng)前最優(yōu)位置的適應(yīng)度值相比較,如果當(dāng)前適應(yīng)度值更好,則將其更新為個體最優(yōu)值,且將粒子現(xiàn)在的位置設(shè)為個體最佳位置。同樣地,與個體相對應(yīng)的所有粒子也需比較這兩個值,如果當(dāng)前適應(yīng)值更好,就將其作為當(dāng)前粒子群的最佳位置,并將整個粒子群所搜索到的最優(yōu)位置(gbest)表示為Pg=(pg1,pg2,…,pgD)。

每個粒子的速度按照式(1)來更新。

vid(n+1)=wvid(n)+c1r1d(n)(pid-xid(n))+c2r2d(n)[pgd-xid(n)]

(1)

式中:i=(1,2,…,m);d=(1,2,…,D);n為當(dāng)前的計算次數(shù);w為慣性因子,一般令w=0.8;非負(fù)常數(shù)c1、c2為學(xué)習(xí)因子,通常情況下使c1=c2=2;r1d、r2d為(0,1)區(qū)間內(nèi)的任意數(shù)。

式(2)為粒子進(jìn)行位置更新所遵循的規(guī)律。

xid(n+1)=xid(n)+vid(n+1)

(2)

具體優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5 粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化流程圖

2.3 熱電偶的動態(tài)特性補償

設(shè)實驗中熱電偶溫度傳感器的階躍溫度輸入信號為x(t),輸出響應(yīng)為y(t),y(t)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后為y(k)。n(k)為理想的階躍溫度響應(yīng),z(k)為經(jīng)動態(tài)補償濾波器補償后傳感器的修正值序列信號,e(k)為擬合殘差。進(jìn)行熱電偶測溫系統(tǒng)動態(tài)補償?shù)哪康木褪鞘箊(k)最大限度地逼近n(k),即使e(k)盡可能地小。補償原理如圖6所示。

圖6 粒子群優(yōu)化算法補償原理圖

由圖6可以看出,只要通過TPO算法求得模型系數(shù),便可得到z(k):

z(k)=(a0+a1z-1+…+anz-n)y(k)-(b1z-1+…+bmz-m)z(k)+e(k)

(3)

式中:a0,a1,…,an和b1,…,bn為動態(tài)補償濾波器模型的系數(shù),n和m為動態(tài)補償濾波器模型的階次。

在TPO算法中,為了評價每個粒子在尋優(yōu)過程中自身位置的優(yōu)劣,定義了e(k)的最小均方誤差J為粒子的適應(yīng)度值,即

(4)

式中:N為采樣點數(shù)。

具體地,在建立熱電偶溫度傳感器的動態(tài)補償濾波器模型時,以火焰溫度源法得到的熱電偶的階躍響應(yīng)作為模型輸入,以構(gòu)建的上升時間為80 ms的斜坡信號作為模型輸出。在TPO算法中,設(shè)粒子數(shù)為60,迭代次數(shù)為3 000,在14維空間搜索最優(yōu)值,補償結(jié)果如圖7所示。

圖7 粒子群優(yōu)化算法動態(tài)補償結(jié)果

由圖7可以看出,將點數(shù)換算為對應(yīng)的時間后,經(jīng)過補償后熱電偶溫度傳感器的時間常數(shù)得到了明顯的改善,為94.110 ms。

3 模型驗證及補償結(jié)果分析

建立了動態(tài)補償濾波器的模型后,在實驗室條件下對此模型進(jìn)行了驗證和分析。

3.1 模型驗證

在1.2節(jié)中,獲得火焰溫度場中熱電偶的時間常數(shù)后,保持火焰大小、火焰位置不變,僅將帶有魔術(shù)貼的大檔板移去,讓熱電偶隨滑塊以不同的速度經(jīng)過丁烷焰,重復(fù)進(jìn)行多次實驗并記錄實驗數(shù)據(jù),然后分別對實驗結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的補償。

首先,使熱電偶以較慢的速度經(jīng)過丁烷焰,進(jìn)行多次重復(fù)實驗,某次的實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 較慢速度下熱電偶響應(yīng)曲線

圖8中,“游標(biāo)0”所在位置對應(yīng)的時間為1 235.571 ms,溫度為0;“游標(biāo)1”所在位置對應(yīng)的時間為1 409.296 ms,溫度為176 ℃。對本次實驗數(shù)據(jù)歸一化,再對其進(jìn)行采樣、補償,結(jié)果如圖9所示。

圖9中,熱電偶隨滑塊以較慢的速度經(jīng)過丁烷焰時,歸一化幅值“1”所對應(yīng)的溫度為176 ℃,在加上動態(tài)補償濾波器環(huán)節(jié)之后,在誤差允許的范圍內(nèi)其測量值被修正到8.17,根據(jù)歸一化幅值的比例關(guān)系,對應(yīng)溫度值為1 437.9 ℃,比較接近1 331.313 ℃,即前文在1.2節(jié)中所測得的火焰溫度。

保持實驗條件不變,讓熱電偶以較快的速度經(jīng)過丁烷焰,進(jìn)行多次重復(fù)實驗,某次實驗結(jié)果如圖10所示。

圖9 較慢速度下的補償結(jié)果

圖11 較快速度下的補償結(jié)果

圖10 較快速度下熱電偶響應(yīng)曲線

圖10中,“游標(biāo)0”所在位置對應(yīng)的時間為1 245.811 ms,溫度為0 ℃;“游標(biāo)1”所在位置對應(yīng)的時間為1 404.087 ms,溫度為135 ℃。同理,對本次實驗數(shù)據(jù)歸一化,再對其進(jìn)行采樣、補償,結(jié)果如圖11所示。

圖11中,熱電偶隨滑塊以較快的速度經(jīng)過丁烷焰時,歸一化幅值“1”所對應(yīng)的溫度為135 ℃,在加上動態(tài)補償濾波器環(huán)節(jié)之后,在誤差允許的范圍內(nèi)其測量值被修正到8.90,根據(jù)歸一化幅值的比例關(guān)系,對應(yīng)溫度值為1201.5 ℃,也比較接近1 331.313 ℃。

3.2 熱電偶動態(tài)特性補償結(jié)果分析

圖9和圖11表明,經(jīng)過補償,熱電偶的瞬態(tài)測量值得到明顯的改善,很大程度地接近了真實溫度值,縮小了動態(tài)測量誤差。然而,存在的問題是補償后曲線的下降部分呈現(xiàn)先下降到0以下、然后再上升到0以上、最后再緩慢下降趨于0的趨勢。關(guān)于這一點,目前還沒有統(tǒng)一的說法,比較合理的解釋是在用熱電偶進(jìn)行溫度測試時,上升過程和下降過程,即熱電偶的吸熱和散熱并非完全按照同一規(guī)律進(jìn)行,所以會導(dǎo)致利用上升過程建立的動態(tài)補償濾波器模型不完全適合下降過程。但這里并不影響我們對熱電偶測溫曲線上峰值溫度的研究。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

用此熱電偶進(jìn)行現(xiàn)場爆炸實驗,所得測試結(jié)果如

圖12所示。

圖12 熱電偶爆溫響應(yīng)曲線

圖12中,熱電偶指示的爆炸過程的最高溫度為545 ℃。對本次實驗數(shù)據(jù)歸一化,再對其進(jìn)行采樣、補償,結(jié)果如圖13所示。

圖13中,歸一化幅值“1”所對應(yīng)的溫度為545 ℃,加上動態(tài)補償濾波器環(huán)節(jié)之后,熱電偶在誤差允許的范圍內(nèi)其測量值可達(dá)4.45,根據(jù)歸一化幅值的比例關(guān)系,對應(yīng)溫度值為2425.3 ℃。

圖13 現(xiàn)場試驗的補償結(jié)果

5 結(jié)論

以熱電偶溫度傳感器為核心的接觸式測溫依然是進(jìn)行爆溫測試的主流。本文利用火焰溫度源法獲得了熱電偶溫度傳感器在火焰溫度場中的時間常數(shù),在熱電偶動態(tài)響應(yīng)特性不滿足爆溫測試要求的情況下,利用粒子群優(yōu)化算法(TPO)進(jìn)行了逆建模,建立了測溫系統(tǒng)的動態(tài)補償濾波器模型。實驗表明,通過補償環(huán)節(jié),改善了熱電偶的動態(tài)響應(yīng)特性,減小了熱電偶在火焰溫度場中的動態(tài)測量誤差。將補償模型應(yīng)用到現(xiàn)場爆溫測試中,補償結(jié)果對爆炸熱毀傷研究有重要意義。

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Temperature Sensor’s Dynamic Characteristic Compensation during the Test of Flame Temperature Flied

ZHAO Xuemin,WANG Wenlian*,LI Yanfeng,YANG Wenjie

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)(2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

During the temperature test of explosion,which accompanied with fast-changing and high-temperature flame temperature field,the test environment is very poor. For this specific temperature measurement occasion,the dynamic response characteristics of thermocouple sensor have been studied with Flame Temperature Source Method. In order to reduce the dynamic measurement error of the thermocouple,a dynamic compensation filter model of the test system was established by Particle Swarm Optimization(TPO). The experimental results obviously show that the method has been used can improve the dynamic measurement error of thermocouple effectively. In addition,the result of the detonation temperature test has certain reference value to evaluate the projectile’s thermal damage.

explosion temperature test;dynamic response characteristics;Flame Temperature Source method;particle swarm optimization(TPO);dynamic measurement error

趙學(xué)敏(1990-),女,山西河曲人,碩士,研究方向為動態(tài)測試與智能儀器,18434367389@163.com;

王文廉(1978-),男,四川成都人,電子科技大學(xué)博士,現(xiàn)任中北大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師,主要從事半導(dǎo)體功率器件、智能儀器等的研究,已發(fā)表包括SCI收錄論文在內(nèi)的多篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文,wangwenlian@nuc.edu.cn。

2016-11-03 修改日期:2016-12-26

TJ06

A

1004-1699(2017)05-0735-07

C:2560X;7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.017