應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的多點(diǎn)控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李丹，張學(xué)聰，蔡靜

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)是集成了輻射測(cè)溫、精密光學(xué)、電子控制、通信技術(shù)、計(jì)量校準(zhǔn)等多種技術(shù)的高科技產(chǎn)品，其主要應(yīng)用于輻射溫度的量值傳遞和高精度溫度測(cè)量領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)作為輻射溫度的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)著將高溫固定點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)鎢帶燈等輻射溫度量值傳遞給工作用黑體輻射源的角色［1-3］。

由于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的測(cè)試結(jié)果容易受到外界環(huán)境溫度變化的影響，因此國外研制的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)對(duì)探測(cè)器或外殼進(jìn)行了控溫。據(jù)調(diào)研了解，德國IKE的LP5型標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)采用多點(diǎn)控溫方式，控溫溫度設(shè)定為29℃；日本大華千野的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)IR-RST 65H采用單點(diǎn)控溫方式，控溫溫度設(shè)定為30℃。目前國產(chǎn)光電高溫計(jì)控溫系統(tǒng)研制領(lǐng)域存在不足：一些國產(chǎn)光電高溫計(jì)無控溫系統(tǒng)，導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果易受環(huán)境溫度影響；一些國產(chǎn)光電高溫計(jì)雖然安裝有控溫系統(tǒng)，但是控溫系統(tǒng)體積較大，需要占據(jù)很大空間。針對(duì)上述問題，本文開展了多點(diǎn)控溫系統(tǒng)研究，分析標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)內(nèi)部易受溫度影響的關(guān)鍵器件位置，對(duì)多點(diǎn)控溫系統(tǒng)的布控結(jié)構(gòu)和控溫電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的高精度溫度控制，并開展實(shí)驗(yàn)對(duì)多點(diǎn)控溫系統(tǒng)的實(shí)際性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 多點(diǎn)控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的關(guān)鍵元件包括濾光片、光電探測(cè)器、前置放大電路、視場(chǎng)光闌等。分析其組成元件：濾光片的中心波長易隨溫度變化而漂移；探測(cè)器的探測(cè)性能容易受到溫度變化影響；前置放大電路測(cè)試噪聲容易受到溫度變化而漂移；視場(chǎng)光闌為金屬材料，在測(cè)試高溫時(shí)容易受熱膨脹的影響，比如對(duì)高溫共晶點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于高溫共晶點(diǎn)溫度較高，會(huì)對(duì)光電高溫計(jì)的光闌有加熱效果，導(dǎo)致光闌溫度升高，光闌膨脹，導(dǎo)致信號(hào)增大。通過以上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)中重要組成元件的分析得出：濾光片、探測(cè)器等元件易受到溫度波動(dòng)影響而導(dǎo)致性能下降，因此應(yīng)采用溫控模塊對(duì)儀器內(nèi)部各重點(diǎn)部位進(jìn)行控溫。但是若分部位單獨(dú)控溫，控溫元件體積較大，浪費(fèi)空間，且各控溫器件的散熱會(huì)相互影響，難以達(dá)到理想的控溫效果，因此提出整體控溫方案。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)采用雙殼體結(jié)構(gòu)，將探測(cè)器、濾光片等精密元器件置于內(nèi)層殼體中，并在內(nèi)層殼體上布置9個(gè)獨(dú)立的控溫模塊，對(duì)于儀器內(nèi)部性能容易受到溫度影響的重要元件（包括濾光片、分光片、視場(chǎng)光闌、光電探測(cè)器、前置放大電路）進(jìn)行控溫。光電高溫計(jì)內(nèi)部重要元件分布示意圖如圖1所示。

圖1 儀器內(nèi)部重要元件分布示意圖Fig.1 Internal distribution diagram of important instrument components

靠近重要元件部分的上面板分布3塊控溫模塊（圖2中控溫模塊1、控溫模塊2、控溫模塊3），底面板對(duì)應(yīng)位置分布3塊控溫模塊（圖3中控溫模塊4、控溫模塊5、控溫模塊6），側(cè)面靠近重要元件部分設(shè)置2塊溫控模塊（圖2中控溫模塊8、控溫模塊9），另一側(cè)布置1塊溫控模塊（圖2中控溫模塊7）。9塊溫控模塊對(duì)整機(jī)進(jìn)行溫度控制，從而減小外界環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。

圖2 溫控模塊分布圖（頂視圖）Fig.2 Distribution diagram of temperature control module（top view）

圖3 溫控模塊分布圖（底視圖）Fig.3 Distribution diagram of temperature control module（bottom view）

2 控溫元件選型分析

對(duì)控溫部件進(jìn)行選型分析?？紤]到體積小、環(huán)保、重量輕、易于控制等需求，加熱部件一般采用薄膜加熱片或TEC片［4-12］。首先對(duì)薄膜加熱片功率進(jìn)行計(jì)算分析，被控溫的鋁制殼體的功率計(jì)算公式為

式中：c為鋁的比熱容，0.88×103J/（kg·℃）；ρ為鋁殼的密度，2.7 g/cm3；V為鋁殼的體積，cm3；Δt為溫度變化，℃。

鋁殼的表面積為0.30 m2，鋁殼厚度為1 cm，計(jì)算得到鋁殼體積為0.0030 m3，根據(jù)式（1）計(jì)算得到溫度從22℃升至30℃時(shí)，鋁殼吸收的熱量Q為85536 J。若升溫時(shí)間為1 h，則總功率P=19.8 W，平均每片加熱片的功率為2.2 W。若采用薄膜加熱片作為加熱部件，考慮到留有功率余量，選用電阻為10 Ω，5 V供電的薄膜加熱片，每片功率為2.5 W?？紤]到設(shè)備小型化要求并且便于組裝，選用薄膜加熱片的尺寸為22 mm×28 mm。

若采用TEC作為加熱部件，根據(jù)文獻(xiàn)［13］中的方法計(jì)算得出每片TEC流入熱沉的功率為10 W，因此采用薄膜加熱片的功率遠(yuǎn)小于采用TEC片的功率，并且由于TEC工作時(shí)需要組裝散熱片，明顯增加了控溫系統(tǒng)的體積，故最終選擇薄膜加熱片作為控溫系統(tǒng)的加熱部件。

3 溫度控制電路設(shè)計(jì)

溫度控制電路包括熱敏電阻分壓電路、可調(diào)預(yù)設(shè)電壓電路、比較控制電路、加熱開關(guān)、加熱元件?？販仉娐吩O(shè)計(jì)框圖如圖4所示。熱敏電阻同分壓電阻組成分壓電路，由可調(diào)預(yù)設(shè)電壓電路設(shè)置參考電壓，根據(jù)熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特點(diǎn)，通過比較熱敏電阻分壓和參考電壓大小，由比較控制電路判斷控制加熱開關(guān)通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。

圖4 控溫電路設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Block diagram of temperature control circuit design

控溫電路圖如圖5所示，NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和固定阻值電阻R1串聯(lián)分壓。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻兩端電壓與電位器兩端電壓VR3進(jìn)行比較，若V熱敏電阻＜VR3，說明溫度高，則輸出為負(fù)，三極管截止，加熱片不加熱；若V熱敏電阻＞VR3，說明溫度低，則輸出為正，三極管導(dǎo)通，加熱片加熱。其中加熱片元件是發(fā)熱源，應(yīng)與熱敏電阻盡量靠近。電阻R4（1 M）和電容C1（22 μF）組成純積分電路，降低高頻增益，避免電路在加熱和冷卻狀態(tài)之間來回震蕩。兩個(gè)發(fā)光二極管D1和D2指示運(yùn)放輸出電平，D1發(fā)光表示達(dá)到設(shè)定溫度，D2發(fā)光表示加熱功率大，正在加溫中。

圖5 控溫電路圖Fig.5 Temperature control circuit diagram

NTC熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為

式中：T1為設(shè)定溫度值（熱力學(xué)溫度），K；T2表示常溫溫度25℃時(shí)的熱力學(xué)溫度值，K；Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值，Ω；R為熱敏電阻在T2溫度下的標(biāo)稱阻值，Ω；B為熱敏電阻的材料常數(shù)（熱敏指數(shù)），K。

在本設(shè)計(jì)中，B=3950 K，R=10 kΩ，電源電壓Vcc=5 V，計(jì)算得到T1=30℃時(shí)，Rt=8 kΩ。

計(jì)算NTC兩端電壓

根據(jù)式（3）計(jì)算得出，設(shè)置溫度為30℃時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)電位器阻值，使得其兩端電壓為2.22 V。

控溫模塊實(shí)物如圖6所示，加熱片置于控溫電路板和銅塊之間，組裝時(shí)涂抹導(dǎo)熱硅脂使銅塊與標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)殼體緊密接觸。銅塊正面熱敏電阻作為傳感器件用于控溫，背面熱敏電阻用于采集標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)整機(jī)殼體溫度。

圖6 控溫模塊實(shí)物圖Fig.6 Physical drawing of temperature control module

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 多點(diǎn)控溫系統(tǒng)控溫穩(wěn)定性及重復(fù)性試驗(yàn)

將研制的多點(diǎn)控溫系統(tǒng)安裝于本單位自主研發(fā)的UP系列標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)。長期觀測(cè)多點(diǎn)控溫系統(tǒng)的控溫穩(wěn)定性，并且選取三天測(cè)試控溫重復(fù)性。

開啟標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)多點(diǎn)溫控系統(tǒng)，采集控溫模塊與殼體之間熱敏電阻的電壓值（結(jié)果如圖7至圖9所示），并計(jì)算得到溫度值。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)殼體經(jīng)過升溫穩(wěn)定后2.5 h的溫度波動(dòng)為0.09℃，三天的控溫測(cè)試雖然起始溫度不同，但是升溫至30℃穩(wěn)定后，溫度差為0.1℃，溫度一致性、重復(fù)性好。

圖7 多點(diǎn)控溫系統(tǒng)溫度長期穩(wěn)定性測(cè)試Fig.7 Long-term temperature stability test of multipoint temperature control system

圖8 多點(diǎn)控溫系統(tǒng)溫度長期穩(wěn)定性測(cè)試（局部放大圖）Fig.8 Long-term temperature stability test of multipoint temperature control system（partial enlarged drawing）

圖9 多點(diǎn)溫控系統(tǒng)控溫溫度重復(fù)性測(cè)試（局部放大圖）Fig.9 Temperature repeatability test of multipoint temperature control system（partial enlarged drawing）

4.2 多點(diǎn)控溫系統(tǒng)對(duì)改善標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)溫穩(wěn)定性的作用測(cè)試

固定點(diǎn)黑體輻射源是用來分度標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其精度、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性均具有較高水平［14-16］，Chino公司的IR-R0系列Ag固定點(diǎn)黑體輻射源，溫度理論值為961.78℃。應(yīng)用Ag固定點(diǎn)黑體輻射源對(duì)多點(diǎn)控溫系統(tǒng)開關(guān)前后標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)溫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖10所示。

圖10 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of test system

分別在使用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)和不使用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)兩種模式下測(cè)試Ag固定點(diǎn)凝固溫坪時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)輸出溫度值，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。開啟多點(diǎn)溫控系統(tǒng)，等待一段時(shí)間，待環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定后，測(cè)試溫度值也基本穩(wěn)定，穩(wěn)定度在0.1℃以內(nèi)；關(guān)閉多點(diǎn)溫控系統(tǒng)，等待一段時(shí)間，待標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)內(nèi)殼溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡后，進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)內(nèi)溫度隨外界環(huán)境變化，測(cè)試的輸出溫度值呈下降趨勢(shì)，穩(wěn)定度在0.7℃左右。使用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)時(shí)的測(cè)溫結(jié)果明顯優(yōu)于不使用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)時(shí)的測(cè)溫結(jié)果。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)溫結(jié)果Fig.11 Temperature measurement results of standard photoelectric pyrometer

5 結(jié)論

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)溫結(jié)果易受環(huán)境溫度影響的問題，研制了一套應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的多點(diǎn)溫控系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)組成、加熱元件的選型計(jì)算以及控溫模塊的設(shè)計(jì)。開展試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明多點(diǎn)控溫系統(tǒng)升溫穩(wěn)定后2.5 h的溫度波動(dòng)為0.09℃，三天的測(cè)試結(jié)果重復(fù)性為0.1℃。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)試Ag固定點(diǎn)黑體輻射源，使用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的測(cè)溫穩(wěn)定性相較不使用多點(diǎn)溫控系統(tǒng)條件下有明顯改善。該多點(diǎn)控溫系統(tǒng)可有效保證標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)整機(jī)工作溫度環(huán)境的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量，為推動(dòng)國產(chǎn)化精密測(cè)溫裝置技術(shù)發(fā)展提供了有力支撐。