運(yùn)載火箭推進(jìn)劑溫度地面高精度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁艷遷，梁建國，張 眾，陳 超2，古艷峰，朱亮聰

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109； 2.華東計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所，上海 201808)

0 引言

運(yùn)載火箭貯箱用于存放運(yùn)載火箭發(fā)射所需的推進(jìn)劑，包括燃料箱及氧化劑箱。根據(jù)運(yùn)載火箭發(fā)射流程，貯箱加注推進(jìn)劑結(jié)束至發(fā)射還需要12～24 h，特殊情況下可能延遲數(shù)日。這期間貯箱溫度會(huì)隨著環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化，這個(gè)變化可能會(huì)引起貯箱內(nèi)氣壓上升等后果[1]。因此需要對(duì)運(yùn)載火箭貯箱內(nèi)推進(jìn)劑溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

鉑電阻溫度傳感器是一種應(yīng)用十分廣泛的測(cè)溫傳感器，其原理是鉑電阻元件的阻值隨溫度變化而變化，通過測(cè)量阻值可對(duì)應(yīng)得到具體溫度。鉑電阻溫度傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，是運(yùn)載火箭領(lǐng)域中的一種常用傳感器[2]。

本文針對(duì)運(yùn)載火箭貯箱內(nèi)推進(jìn)劑溫度測(cè)量需求，設(shè)計(jì)了一種地面溫度測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)采用鉑電阻作為溫度測(cè)量傳感器，配合地面測(cè)溫裝置進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集及處理，可測(cè)量并記錄運(yùn)載火箭加注過程及加注后至發(fā)射前的各貯箱推進(jìn)劑溫度變化情況，為火箭加注后采取保障措施提供依據(jù)，同時(shí)為飛行結(jié)果分析提供射前實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)。

1 推進(jìn)劑測(cè)溫原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

推進(jìn)劑測(cè)溫系統(tǒng)歸屬于火箭附加系統(tǒng)，主要用于測(cè)量并記錄火箭加注過程及加注后各貯箱內(nèi)推進(jìn)劑溫度變化情況，為火箭加注后采取保障措施提供依據(jù)，同時(shí)為飛行結(jié)果分析提供射前實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)由地面測(cè)溫系統(tǒng)(包括數(shù)字式溫度測(cè)試儀、測(cè)溫地面電纜等)與箭上加注溫度傳感器一起，完成測(cè)量、顯示、記錄、保存箱內(nèi)溫度的工作。推進(jìn)劑測(cè)溫系統(tǒng)組成框圖見圖1。

圖1 推進(jìn)劑測(cè)溫系統(tǒng)原理圖

為提高測(cè)量精度，消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，本次推進(jìn)劑溫度測(cè)量中的鉑電阻溫度傳感器采用四線制接法[3]。地面測(cè)溫裝置中的調(diào)理電路采用恒流源方式，將測(cè)試電流加在被測(cè)鉑電阻上，電阻兩端產(chǎn)生的差分電壓經(jīng)運(yùn)放放大后由AD采集，測(cè)得的電壓值根據(jù)電流反算成被測(cè)電阻的電阻值，再由測(cè)得的電阻值經(jīng)電纜阻值補(bǔ)償后根據(jù)熱敏電阻溫度～阻值(R-T)曲線獲得的溫度值。

地面測(cè)溫裝置包括阻值采集模塊及數(shù)據(jù)處理顯示模塊，其原理如圖2所示。阻值采集模塊可對(duì)8路鉑電阻傳感器進(jìn)行測(cè)試，為防止相互干擾，各通道的信號(hào)調(diào)理電路和AD采集電路的地線及電源線相互隔離。各模塊作用如下：

圖2 地面測(cè)溫裝置原理框圖

信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生高精度阻值測(cè)試所需的恒電流源并對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，AD采集電路將信號(hào)調(diào)理電路加在溫度傳感器采樣電阻兩端電壓轉(zhuǎn)化為16位數(shù)字量信號(hào)；SPI隔離電路將采樣電路與控制電路間地線隔離，并產(chǎn)生模擬采樣電路所需工作電源；FGPA電路負(fù)責(zé)USB通信，并控制多路SPI/I2C的串行模擬量采集和模擬指令控制輸出。所采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示及保存。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路包括恒流源以及差分放大電路，如圖3所示。

恒流源電路是鉑電阻溫度測(cè)試的關(guān)鍵部分[4]，恒流源的穩(wěn)定性及輸出電流的大小對(duì)溫度測(cè)試的準(zhǔn)確度有很大影響[5]。為減小鉑電阻的自熱效應(yīng)，并保證信噪比，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以產(chǎn)生1 mA恒定電流的恒流源。該恒流源中選用高精度電壓基準(zhǔn)芯片ADR4525產(chǎn)生2.5 V參考電壓，該芯片輸出電壓噪聲為1.25 μVp-p，初始電壓偏差為±0.02%。運(yùn)放選用Maxim公司的低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益雙極性運(yùn)算放大器OP07。運(yùn)放正端接2.5 V參考電壓，輸出端通過三極管2N3700進(jìn)行反饋，可提高電流負(fù)載能力。調(diào)節(jié)電阻RREF選用2.5 kΩ高精度電阻，可穩(wěn)定輸出1 mA電流。

圖3 信號(hào)調(diào)理電原理圖

經(jīng)查表，鉑電阻傳感器測(cè)溫范圍內(nèi)的電阻值為0～125 Ω，1 mA電流經(jīng)過后壓降在0.125 V以內(nèi)。為精確測(cè)量，采用儀表放大器AD620對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大，放大倍數(shù)設(shè)置為10。AD620具有低噪聲、寬增益帶寬、高共模抑制比等優(yōu)點(diǎn)[6]，適用于進(jìn)行小信號(hào)的信號(hào)調(diào)理，能有效減少系統(tǒng)中共模干擾對(duì)采集電路的影響[7]。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)差分放大后傳遞給后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖4所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用的A/D芯片為LTC2462，該芯片為16位△Σ型A/D轉(zhuǎn)換器，其增益誤差為0.01%，偏移誤差為2LSB，并具有2 ppm/ ℃的漂移性能[8]。LTC2462為SPI接口，各路A/D芯片輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)SPI隔離芯片LTM2883隔離后，送入主控芯片F(xiàn)PGA進(jìn)行處理。LTM2883是一種電流數(shù)字型隔離器，在輸入輸出邏輯接口之間提供了2500VRMS的隔離度，適用于接地環(huán)路的隔離。通過各路溫度測(cè)量電路的隔離，可有效減小各路之間的相互干擾，提高測(cè)量精度[9]。

圖4 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

地面測(cè)溫裝置包括兩種軟件，1)硬件控制軟件，由FPGA實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)如下功能：對(duì)USB協(xié)議芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)阻值采集模塊與上位機(jī)數(shù)據(jù)處理顯示模塊通信；對(duì)多路SPI接口的A/D轉(zhuǎn)換器控制和采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度。2)上位機(jī)軟件用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示，具備以下功能：通過USB發(fā)送控制指令，接收采集數(shù)據(jù)；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存等處理；對(duì)保存數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和檢索。

軟件工作流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

測(cè)溫設(shè)備上電后，先進(jìn)行設(shè)備自檢，然后在FPGA的控制下以一定速率并行采集8路獨(dú)立隔離的16位模擬量值，并不斷刷新FPGA內(nèi)的與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通信的UART的發(fā)送緩沖區(qū)；上位機(jī)軟件按設(shè)定速率向溫度阻值采集模塊發(fā)送取采樣值指令，并將從溫度阻值采集模塊反饋的模擬量按公式轉(zhuǎn)化為阻值，經(jīng)補(bǔ)償后獲得對(duì)應(yīng)通道鉑電阻溫度傳感器阻值，再將這個(gè)阻值根據(jù)公式轉(zhuǎn)化為溫度值進(jìn)行相應(yīng)顯示和存儲(chǔ)處理，從而完成溫度阻值的采集功能。

4 系統(tǒng)標(biāo)定及誤差分析

為了真實(shí)反映推進(jìn)劑溫度情況，需要保證地面測(cè)溫裝置的可靠性以及溫度測(cè)試的準(zhǔn)確性[10]。設(shè)計(jì)時(shí)采用了自檢設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具體如下：

4.1 自檢設(shè)計(jì)

設(shè)備自檢是為了保證測(cè)溫系統(tǒng)加電前自身工作正常、安全可靠。本裝置自檢策略是在給鉑電阻溫度傳感器加電測(cè)試前，先對(duì)已連接的測(cè)試電纜進(jìn)行阻值測(cè)試，并將測(cè)試值與事先設(shè)定阻值參數(shù)進(jìn)行比較，如在正常范圍內(nèi)，可以確認(rèn)測(cè)溫系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路、隔離及AD采集電路、FPGA控制電路、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件以及溫度傳感器測(cè)試鏈路連接都正常。這樣就可以通過自檢測(cè)試確保推進(jìn)劑地面測(cè)溫系統(tǒng)工作正常情況下將測(cè)試通路切換到溫度傳感器通路進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)劑溫度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。此外測(cè)試通路阻值也可以作為帶線路測(cè)量時(shí)的電纜補(bǔ)償值，從而獲得精確的溫度傳感器阻值。

4.2 校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

對(duì)于測(cè)溫系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)實(shí)際值與設(shè)計(jì)值之間會(huì)有一定的偏差，不同元器件間也會(huì)有一定的不一致性，為了提高測(cè)試精度，引進(jìn)一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)F，通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)電阻獲得校準(zhǔn)系數(shù)，再通過軟件實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)補(bǔ)償。

為了簡化校準(zhǔn)操作，方便設(shè)備使用，測(cè)溫系統(tǒng)校準(zhǔn)采用一個(gè)高精度、高穩(wěn)定度具有溫度補(bǔ)償功能電阻來模擬鉑電阻溫度傳感器。該電阻值預(yù)先通過高精度萬用表(0.000 1 Ω@100 Ω)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，并換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度值。將該電阻采用四線制方式連接到測(cè)溫裝置測(cè)試插座入口，測(cè)溫裝置對(duì)該電阻進(jìn)行阻值測(cè)試并根據(jù)顯示換算的溫度實(shí)測(cè)值與校準(zhǔn)值偏差進(jìn)行軟件計(jì)算修正系數(shù)F修正，修正后再進(jìn)行阻值測(cè)試和偏差值判別，反復(fù)進(jìn)行直至測(cè)試值與校準(zhǔn)值偏差到允許范圍內(nèi)，記錄和存儲(chǔ)軟件計(jì)算系數(shù)F。8個(gè)測(cè)溫通道都按此操作步驟分別進(jìn)行，從而完成設(shè)備標(biāo)定和校準(zhǔn)。正常使用時(shí)則將測(cè)試阻值乘上該系數(shù)F再換算成相應(yīng)溫度值。

4.3 精度和穩(wěn)定度分析

根據(jù)測(cè)溫裝置中的阻值采集電路，對(duì)于恒流源方式采集來說，測(cè)試的穩(wěn)定度主要取決于一些關(guān)鍵元器件的穩(wěn)定性，具體分析參見表1。

表1 元器件對(duì)測(cè)試穩(wěn)定性分析表

從上述信號(hào)調(diào)理電路中各器件電路功能分析，對(duì)于表1中器件，其溫度系數(shù)都在5 ppm/℃(5×10-6/℃)以下，當(dāng)工作溫度在-10～+60 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)，最大溫漂為0.03%(60 ℃×5×10-6/ ℃)。按鉑電阻阻值100 Ω量級(jí)，阻值溫漂為0.03 Ω左右小于0.038 Ω/0.1 ℃，因此能夠達(dá)到測(cè)試穩(wěn)定度小于0.1 ℃的測(cè)試精度。

鉑電阻常溫阻值為100 Ω@0 ℃，對(duì)應(yīng)溫度系數(shù)為0.38 Ω/ ℃，對(duì)于1 mA恒定電流和10倍采樣電壓運(yùn)放放大比例，任務(wù)書0.1 ℃對(duì)應(yīng)采樣電壓為0.4 mV。測(cè)溫裝置中選用的AD芯片為LTC2462，其輸入電壓范圍為-1.25～+1.25 V，采樣位數(shù)為16位，每LSB對(duì)應(yīng)約為0.04 mV，約為0.1 ℃對(duì)應(yīng)采樣電壓為0.4 mV的十分之一，因此本設(shè)計(jì)采樣精度能夠達(dá)到溫度分辨率+0.1 ℃，顯示精度0.01 ℃的指標(biāo)，滿足推進(jìn)劑測(cè)溫需求。

4.4 溫度采集和顯示設(shè)計(jì)

為了消除測(cè)溫設(shè)備屏幕顯示溫度值變化有停頓現(xiàn)象，對(duì)溫度采集模塊與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通訊協(xié)議開展設(shè)計(jì)。

根據(jù)測(cè)溫設(shè)備技術(shù)方案，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與溫度阻值采集模塊通信采用UART接口，每次通信由測(cè)溫程序發(fā)起，發(fā)送包括控制指令、數(shù)據(jù)回傳指令(取采樣值指令)或數(shù)據(jù)回送指令，采溫程序識(shí)別測(cè)溫程序指令進(jìn)行相應(yīng)操作。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端接受UART數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)通信協(xié)議一次要接受多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此會(huì)采用幀方式，即事先設(shè)定接受數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，PC的硬件電路會(huì)根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)接收計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)與設(shè)定值一致時(shí)會(huì)自動(dòng)更新接收狀態(tài)位，測(cè)溫程序在發(fā)出通信指令后如需接受數(shù)據(jù)就會(huì)不停查詢?cè)摖顟B(tài)位，如狀態(tài)位有效就從接受緩沖區(qū)中取走設(shè)定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)會(huì)復(fù)位接受狀態(tài)位。

測(cè)溫程序?qū)貍鲾?shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)判斷幀頭，校驗(yàn)字節(jié)等，如出現(xiàn)異常會(huì)認(rèn)為本次通信數(shù)據(jù)不可靠，判定當(dāng)次接受數(shù)據(jù)不采用，同時(shí)延后10 s啟動(dòng)新一次數(shù)據(jù)收發(fā)流程。由于UART通信本身存在一定的誤碼率，同時(shí)測(cè)溫設(shè)備內(nèi)部通信傳輸物理鏈路受電磁干擾時(shí)也可能在產(chǎn)生多余數(shù)據(jù)，從而干擾通信。

考慮上述可能存在的故障狀態(tài)，通過測(cè)溫程序優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消10 s定時(shí)重發(fā)機(jī)制，并設(shè)定當(dāng)串口接受數(shù)據(jù)判斷有錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)重發(fā)，最多重發(fā)三次，如連續(xù)三次出錯(cuò)，則表明設(shè)備通信接口間有故障且不能恢復(fù)，并通過軟件提醒功能在程序界面報(bào)警。

同時(shí)為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)可靠性，測(cè)溫程序在發(fā)送“取采樣值指令”前，先取空UART的接受緩沖區(qū)，以盡可能避免因干擾或上幀通信異常造成UART接受緩沖區(qū)有多余字節(jié)對(duì)下一幀通信影響，提高串口通信的容錯(cuò)和自恢復(fù)能力。

測(cè)溫系統(tǒng)溫度采集和顯示功能模塊在4臺(tái)測(cè)溫設(shè)備上經(jīng)過累計(jì)不小于20小時(shí)連續(xù)常溫帶電老練，工作正常，驗(yàn)證了溫度采集和顯示功能模塊可靠性和穩(wěn)定性，如表2所示。

表2 溫度顯示穩(wěn)定性測(cè)試記錄情況

5 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用情況分析

在實(shí)驗(yàn)室恒溫箱中對(duì)推進(jìn)劑地面測(cè)溫裝置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。通過測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，本測(cè)溫裝置在各溫度點(diǎn)的誤差值均在0.01 ℃內(nèi)。并將本測(cè)溫系統(tǒng)與火箭加注系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，連接推進(jìn)劑貯箱中鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足要求。

表3 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)列表

推進(jìn)劑測(cè)溫系統(tǒng)參與了長征四號(hào)丙運(yùn)載火箭完成發(fā)射嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星任務(wù)，該任務(wù)為長征四號(hào)運(yùn)載火箭首次在西昌衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，如圖6所示。5月20日8:30開始進(jìn)行推進(jìn)劑加注本次發(fā)射屬于首次在27基地發(fā)射，推進(jìn)劑測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)加注過程推進(jìn)劑溫度進(jìn)行了具體測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑實(shí)時(shí)高精度測(cè)量和推進(jìn)劑溫度預(yù)估模型的校準(zhǔn)，也驗(yàn)證了推進(jìn)劑測(cè)溫系統(tǒng)原理及工程可行性，同時(shí)，也為確保嫦娥四號(hào)中繼星發(fā)射任務(wù)的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

圖6 推進(jìn)劑測(cè)溫設(shè)備及操作界面

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于運(yùn)載火箭推進(jìn)劑溫度測(cè)量的地面測(cè)溫系統(tǒng)，該測(cè)溫系統(tǒng)采用四線制對(duì)鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，采用儀表放大器及高精度AD器件進(jìn)行信號(hào)采集，并通過隔離采集、自檢設(shè)計(jì)以及校準(zhǔn)設(shè)計(jì)等方式實(shí)現(xiàn)了精確的溫度測(cè)量，溫度測(cè)量誤差為0.01 ℃。該測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高，可對(duì)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為運(yùn)載火箭成功發(fā)射提供真實(shí)可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。