超高溫高精度溫度傳感器

劉成利， 王振廷， 賀天昊， 齊 娜， 王元委

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

隨著航天器不斷向高端領(lǐng)域進(jìn)展，對航天器上搭載的各類傳感器要求也越來越高。根據(jù)航天器上復(fù)雜惡劣的應(yīng)用環(huán)境，對于接觸式的傳感器要求所使用的傳感器不僅要測量2 000 ℃以上的超高溫，在全溫區(qū)也要有高精度和非線性優(yōu)的特點[1，2]。溫度是表征物理冷熱程度的物理量，是航天領(lǐng)域一個重要的測量參數(shù)[3]。目前測量高溫的接觸式傳感器一般有J型熱電偶、K型熱電偶、鎢錸型熱電偶等，相比于J型和K型等熱電偶[4]，鎢錸型熱電偶能夠測量超過2 300 ℃的高溫，短時間測量可以達(dá)到2 700 ℃，能夠滿足航天器對測量的需求。熱電偶的材料一般都比較貴重，而測溫點到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制端，但常常起不到補(bǔ)償作用，因此，還需要用冷端補(bǔ)償?shù)姆椒▉硐涠藢y溫的影響[5]。

本文提出了一種高精度的冷端補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計了能夠耐受超高溫的探頭結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)仿真及理論計算分析，將傳感器的非線性誤差控制在滿量程的0.25 %，全溫區(qū)精度控制在滿量程的1.5 %，經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)仿真分析及溫度試驗，仿真測試結(jié)果表明：該超高溫溫度傳感器不僅能夠耐受2 700 ℃高溫，在全溫區(qū)保持高精度的溫度測量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器在惡劣環(huán)境下的高低溫交替測量。

1 傳感器的工作原理

傳感器工作原理如圖1所示，探頭的鎢錸熱電偶絲是將外界溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號，通過補(bǔ)償導(dǎo)線將電壓信號傳遞給變換器。在變換器內(nèi)部，將探頭的微弱信號進(jìn)行差分放大。同時，鉑電阻與分壓放大電路組成冷端補(bǔ)償電路，冷端補(bǔ)償電路的輸出與探頭放大后的信號進(jìn)行加法運(yùn)算得到精確的溫度信號，再經(jīng)調(diào)零點、滿量程電路輸出滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號[6]。

圖1 傳感器工作原理框圖

傳感器采用熱穩(wěn)定性可靠、耐高溫的鎢錸熱電偶作為感溫元件，并在冷端-40～70 ℃范圍內(nèi)對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在實現(xiàn)高溫區(qū)溫度測量的同時，實現(xiàn)低全溫區(qū)的高精度溫度測量[7]。鎢錸熱電偶的特點是：熱電極絲熔點高(3 300 ℃)，在非氧化性氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好，長期使用溫度為2 400 ℃，短期使用可最高達(dá)3 000 ℃[8]。

2 溫度傳感器的探頭設(shè)計

2.1 傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器要耐受2 700 ℃高溫，除熱電偶的選取外，其熱電偶絲的固定方式也是設(shè)計的重點，固定熱電偶絲的捆綁線耐受溫度為450 ℃左右，因此,要求捆綁線外需要一定的隔熱措施。由圖2可以看出，傳感器除熱電偶絲裸露在外，其他固定偶絲用的材料外都設(shè)計了隔熱保護(hù)套。

圖2 探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

探頭敏感元件為鎢錸熱電偶絲，其固定主要由雙孔瓷管及捆綁線組成，偶絲固定后在殼體中填充919膠再次固定[9]，填充919膠也可以起到一定隔熱作用。外部隔熱外殼采用耐高溫的鎢鉬合金。

2.2 探頭隔熱仿真分析

探頭暴露于2 700 ℃高溫下，除鎢錸偶絲外，其余部分在短時間內(nèi)也應(yīng)承受高溫，尤其是固定偶絲的捆綁線，因此,捆綁線外要求覆蓋隔熱層，現(xiàn)對探頭進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。圖3為未填充膠的傳感器外殼熱分布圖，外殼密度參數(shù)為7 850 kg·m-3,導(dǎo)熱系數(shù)為60.5 W·m-1·℃-1，鎢鉬合金外殼能夠起到一定的隔熱作用[10]。

圖3 未填充膠的傳感器外殼熱分布

在外殼和捆綁線中填充919膠，除能起到隔熱作用外，還能夠?qū)壘€和偶絲起到一定固定作用，圖4為填充膠的傳感器熱分布圖。外殼密度參數(shù)為870 kg·m-3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W·m-1·℃-1，從圖中可以看出：捆綁線附近的溫度為450 ℃左右，可以滿足傳感器耐2 700 ℃高溫的要求[11]。

圖4 填充膠的傳感器熱分布

3 溫度傳感器的變換器設(shè)計

3.1 熱電偶差分放大電路

鎢錸熱電偶產(chǎn)生的熱電勢非常微弱，要求電路的放大倍數(shù)比較大，這樣就要求反饋電阻比較大，較大的反饋電阻會帶來溫度漂移誤差[12]。因此本設(shè)計采用T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

圖5 T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)放大電路

對于上述電路，若其放大倍數(shù)為Au，則其放大倍數(shù)的計算公式為

Au=(R15+R8+R15×R8)/R22×R13

(1)

T型網(wǎng)絡(luò)不僅可以實現(xiàn)較大的放大倍數(shù)，而且電路中的電阻均小于1 MΩ，在實現(xiàn)較大放大倍數(shù)的同時，消除了溫度漂移帶來的影響[13]。

3.2 調(diào)零點、滿量程電路

傳感器輸出要求為標(biāo)準(zhǔn)的信號，后端要進(jìn)行AD采集，因此要求電路輸出的模擬量信號為0.2～4.8 V，通過調(diào)零點滿量程電路可以將輸出信號調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)信號，電路如圖6所示。

圖6 調(diào)零點滿量程電路

3.3 高精度溫度補(bǔ)償電路

在實際檢測過程中，環(huán)境溫度等的改變均會對傳感器產(chǎn)生一定影響，要保證低溫區(qū)的高精度，就必須要對傳感器進(jìn)行高精度的溫度補(bǔ)償，如圖7所示。

圖7 溫度補(bǔ)償電路

溫度補(bǔ)償區(qū)間為-40～70 ℃，要對溫度區(qū)間內(nèi)的溫度變化量進(jìn)行分析，由表1可以看出：-40～70 ℃區(qū)間內(nèi)，鎢錸偶絲熱電勢每10 ℃的變化量平均值為1 mV。由T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)放大后，每10 ℃的變化量平均值為1 mV。根據(jù)鎢錸偶絲的變化量調(diào)節(jié)高精度溫度補(bǔ)償電路的電阻參數(shù)，將R6，R7設(shè)置成7.87 kΩ，R2與R3之間相差100 Ω即可實現(xiàn)在補(bǔ)償電路中每10 ℃的變化量平均值為1 mV。

4 實驗測試

4.1 非線性誤差測試

變換器非線性誤差利用信號源代替探頭作為輸入值，鎢錸偶絲在0 ℃時對應(yīng)的電動勢為0 mV，2 700 ℃時對應(yīng)的電動勢為42.558 3 mV，用電壓表測量變換器各點輸出電壓值，記錄數(shù)據(jù)并擬合曲線，得到傳感器理論輸出值。各測試點測試值見表1。

表1 非線性誤差測試結(jié)果

非線性誤差計算公式為[14,15]

(2)

式中 ΔVomax為傳感器輸出與理論輸出的最大偏差，mV；Vo10為傳感器滿量程輸出，mV；Vo0為傳感器零點輸出，mV。根據(jù)式(2)可以計算出，傳感器的非線性誤差為0.25 %FS。

4.2 全溫區(qū)精度測試

在0～2 700 ℃量程內(nèi)均勻選取6個溫度點(50，590，1 130，1 670，2 210，2 700 ℃)，連接傳感器探頭與變換器，分別測試變換器各點輸出值，并與理論輸出值對比，計算出理論值與輸出值之間的偏差。各測試點測試值見表2。

表2 全溫區(qū)精度測試結(jié)果

全溫區(qū)精度可以根據(jù)式(2)推算，全溫區(qū)最大偏差為0.734 V，可以推算出傳感器精度為1.5 %FS。

5 結(jié) 論

本文針對航天器較惡劣的使用環(huán)境，設(shè)計了一種超高溫高精度溫度傳感器，通過熱力學(xué)模型推導(dǎo)，傳感器可實現(xiàn)對2 700 ℃高溫環(huán)境空氣溫度的測量，并在冷端-40～70 ℃范圍內(nèi)對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)仿真分析與溫度試驗表明:設(shè)計的傳感器不僅能在超高溫溫度下實現(xiàn)溫度測量，而且非線性誤差控制在滿量程的0.25 %，全溫區(qū)精度控制在滿量程的1.5 %以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器在惡劣環(huán)境下的高溫、高精度測量。