基于LXI總線的熱電偶采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用驗(yàn)證

金天賀，韓丙同，張小廷，鄒 璞，耿青凱，胡志臣，劉 軍

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041；2.北京無線電測量研究所，北京 100854；3.中國人民解放軍63768部隊(duì)，北京 100094)

0 引言

復(fù)雜裝備測試時(shí)，通常會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)數(shù)以百計(jì)個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行溫度監(jiān)測，以有效評(píng)估裝備運(yùn)行狀態(tài)與健康狀況，如對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)采集其發(fā)動(dòng)機(jī)本體內(nèi)壁、外殼、保溫層、噴管、活塞等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估[1-3]。傳統(tǒng)的溫度測量方式為將熱電偶傳感器測量端貼在被測結(jié)構(gòu)上，同時(shí)將熱電偶傳感器的冷端置于冰水混合物中進(jìn)行測量，然后通過電壓采集設(shè)備測量熱電偶傳感器的電壓值，再根據(jù)熱電偶分度號(hào)將采集得到的電壓值進(jìn)行換算得到溫度值。這一傳統(tǒng)測量方式較為復(fù)雜，效率較低，引入測量不確定因素較多，在較多通道溫度采集時(shí)弊端明顯，且成本較高。因此，致力于提高熱電偶傳感器溫度采集的效率與測量精度對(duì)復(fù)雜裝備的狀態(tài)監(jiān)測具有十分重要的意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

為有效解決多通道熱電偶傳感器溫度采集時(shí)面臨的問題，設(shè)計(jì)了一種基于LXI總線的熱電偶采集系統(tǒng)，單套設(shè)備具備48個(gè)測量通道，通過LXI總線可以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的同步采集，大幅提高了測試效率，并且設(shè)備內(nèi)部集成了高精度冷端溫度補(bǔ)償模塊，簡化了溫度采集方式的同時(shí)也大幅提高了溫度測量精度[4-6]。本文首先介紹了系統(tǒng)總體與硬件設(shè)計(jì)方案，然后給出了軟件功能與系統(tǒng)工作流程，最后通過實(shí)驗(yàn)室測試與裝備實(shí)測驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)基于LXI總線的熱電偶采集系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)的成功研制可以有效提高復(fù)雜裝備的綜合保障能力與測試效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)基于LXI總線的熱電偶采集系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由硬件、軟件和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)硬件主要由主控計(jì)算機(jī)、交換機(jī)模塊與熱電偶采集儀三部分構(gòu)成，主控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)軟件的運(yùn)行平臺(tái)，其可以通過以太網(wǎng)、USB、串口等方式對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可以獲取儀器的狀態(tài)參數(shù)和測量數(shù)據(jù)；交換機(jī)模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的通訊連接和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，主要完成主控計(jì)算機(jī)與熱電偶采集儀之間通訊的物理連接。

熱電偶采集儀是熱電偶測試系統(tǒng)的核心硬件單元，其主要包括嵌入式處理單元、信號(hào)調(diào)理單元和信號(hào)采集單元。其中，嵌入式處理單元作為整個(gè)采集儀器的中央控制器，對(duì)模塊內(nèi)所有單元進(jìn)行管理和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)外部的通信接口進(jìn)行管理，內(nèi)部集成了J、K、T、E、S、R、B、N全部8型熱電偶溫度-電壓轉(zhuǎn)換及補(bǔ)償算法，可以實(shí)現(xiàn)所有熱電偶傳感器的高精度溫度測量；信號(hào)調(diào)理單元作為電壓測試通路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)±10 mV、±67 mV、±100 mV、±1 V、±10 V共五個(gè)量程進(jìn)行電壓測試；信號(hào)采集單元主要實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)輸入及冷端溫度測量。

系統(tǒng)軟件主要由儀器端嵌入式軟件和計(jì)算機(jī)端管理分析軟件兩個(gè)部分組成。采用LXI總線架構(gòu)，支持IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，多設(shè)備間均通過LAN進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊[7-8]。熱電偶采集儀采用X86處理器平臺(tái)，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LXI儀器發(fā)現(xiàn)與識(shí)別、IP配置與管理、命令解析與控制等各類服務(wù)功能。計(jì)算機(jī)端管理分析軟件運(yùn)行于Windows平臺(tái)，包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與生成報(bào)告等功能。

系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用獨(dú)立的冷端槽方案，使熱電偶冷端及冷端測試傳感器獨(dú)立于系統(tǒng)其它電路設(shè)備，避免硬件電路工作帶來的溫度波動(dòng)對(duì)冷端測溫精度的影響。儀器內(nèi)各個(gè)單元采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊可獨(dú)立拆卸更換，測試點(diǎn)均可在線連接，方便修護(hù)和檢測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

熱電偶采集儀由信號(hào)調(diào)理采集單元和數(shù)據(jù)處理與通信單元組成，儀器硬件總體方案如圖2所示。數(shù)據(jù)處理與通訊單元通過SDRAM和E2PROM保存采集數(shù)據(jù)，并以FPGA和嵌入式處理器單元為核心運(yùn)行LXI熱電偶采集儀相關(guān)服務(wù)程序，一方面通過LAN、RS232、USB與外部主控計(jì)算機(jī)通信；另一方面通過內(nèi)部PCIe總線控制熱電偶信號(hào)調(diào)理采集單元，實(shí)現(xiàn)各通道信號(hào)的同步采集。

圖2 熱電偶采集系統(tǒng)硬件原理圖

信號(hào)調(diào)理采集單元由保護(hù)電路、信號(hào)增益調(diào)整電路、信號(hào)濾波電路、冷端補(bǔ)償電路、信號(hào)切換電路、自校準(zhǔn)電路、多通道高精度ADC和FPGA組成，對(duì)輸入電壓信號(hào)和熱電偶信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、濾波，對(duì)調(diào)理后信號(hào)及冷端測試信號(hào)進(jìn)行高分辨率采集，并將采集結(jié)果傳輸至嵌入式處理單元進(jìn)行補(bǔ)償和校準(zhǔn)。

信號(hào)調(diào)理采集單元整體硬件布局如圖3所示。信號(hào)接口及冷端測試部分，每3個(gè)測試通道構(gòu)成一個(gè)相對(duì)隔離的溫度穩(wěn)定空間，空間內(nèi)設(shè)置1個(gè)冷端測試節(jié)點(diǎn)，用于提高冷端補(bǔ)償精度；信號(hào)調(diào)理部分，共設(shè)置8個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)前述兩個(gè)獨(dú)立空間的共6個(gè)測試通道及2個(gè)冷端測試通道的信號(hào)調(diào)理工作。最后由一個(gè)8選1差分選擇電路將信號(hào)向后傳遞(8通道包含6個(gè)信號(hào)通道和2個(gè)冷端測試通道)；掃描AD及控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)前述8個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊的信號(hào)選擇與掃描采樣，并為所有模塊提供控制信號(hào)、電源激勵(lì)及基準(zhǔn)信號(hào)。通過上述3個(gè)部分的協(xié)同工作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)全部48個(gè)測試通道及16個(gè)冷端補(bǔ)償通道的循環(huán)測試。測試得到數(shù)據(jù)由高速串行總線交由嵌入式控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

信號(hào)調(diào)理模塊內(nèi)的每個(gè)單通道信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成如圖4所示。單通道信號(hào)調(diào)理電路單元由輸入保護(hù)電路、傳感器開路檢測電路、輸入RFI濾波電路、程控信號(hào)增益調(diào)整電路、1/2衰減電路、程控信號(hào)濾波電路構(gòu)成。

圖4 單通道信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成框圖

單通路下自信號(hào)輸入至經(jīng)過調(diào)理后輸出，再到AD芯片，全流程為差分電路，避免了信號(hào)經(jīng)過差分到單端及單端轉(zhuǎn)差分過程引入的噪聲或信號(hào)衰減和畸變。采用高精度24位模數(shù)信號(hào)采集與調(diào)理技術(shù)，經(jīng)過實(shí)測與理論計(jì)算，電壓采集分辨率最小可達(dá)到0.032 μV、溫度采集分辨率達(dá)到0.04 ℃，電壓測量精度達(dá)到0.05%。

在信號(hào)幅度范圍匹配上，信號(hào)經(jīng)過程控增益電路后，經(jīng)過合適增益調(diào)整，信號(hào)被調(diào)整為±10 V范圍，由于程控濾波電路和AD芯片輸入均為±5 V信號(hào)，故接入1/2衰減電路進(jìn)行信號(hào)范圍匹配，同時(shí)也起到電壓跟隨的作用，保證前后級(jí)的阻抗匹配。

系統(tǒng)具備分別測試熱電偶傳感器信號(hào)和電壓信號(hào)的能力，設(shè)置有信號(hào)切換電路、冷端補(bǔ)償電路、自校準(zhǔn)電路、掃描用多級(jí)模擬開關(guān)和可編程處理器FPGA，實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)和熱電偶信號(hào)輸入適配，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)理、濾波、補(bǔ)償和校準(zhǔn)工作，可以對(duì)調(diào)理后信號(hào)及冷端測試信號(hào)進(jìn)行高分辨率采集，并將采集結(jié)果傳輸至嵌入式處理單元。

同時(shí)，系統(tǒng)采用數(shù)字隔離方案，在保證模擬信號(hào)調(diào)理電路維持較高性能的基礎(chǔ)上，通過光耦對(duì)FPGA到多個(gè)調(diào)理控制及AD控制節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行隔離。在PCB布局布線過程中，依舊遵循模擬數(shù)字分離布設(shè)方案，對(duì)模擬芯片地及數(shù)字芯片地區(qū)域進(jìn)行隔離鋪設(shè)，避免模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)引線平行等情況，并在關(guān)鍵模擬信號(hào)線兩側(cè)設(shè)置足夠?qū)挼哪M地隔離區(qū)域，避免數(shù)字信號(hào)輻射噪聲對(duì)模擬電路產(chǎn)生影響，保證系統(tǒng)具備良好精度的同時(shí)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

熱電偶采集系統(tǒng)的軟件開發(fā)符合LXI規(guī)范的要求，支持B/S和C/S兩種訪問方式。在B/S方式下，主控計(jì)算機(jī)通過瀏覽器就可以直接訪問儀器，對(duì)儀器進(jìn)行控制。在C/S方式下，主控計(jì)算機(jī)上需要運(yùn)行資源管理器軟件和LXI儀器對(duì)應(yīng)的應(yīng)用軟件，通過VXI-11協(xié)議對(duì)儀器進(jìn)行訪問控制，該方式下提供了供用戶二次開發(fā)的儀器IVI驅(qū)動(dòng)。因此，熱電偶采集系統(tǒng)的軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)軟件運(yùn)行在LXI熱電偶采集儀器中，上位機(jī)軟件運(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)端。熱電偶采集系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 熱電偶采集系統(tǒng)軟件架構(gòu)

熱電偶采集儀采用X86處理器平臺(tái)，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LXI熱電偶采集儀器各類服務(wù)功能。LXI接口電路內(nèi)的軟件對(duì)外實(shí)現(xiàn)LXI接口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能及各種觸發(fā)功能，對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備功能電路的功能。為了便于開發(fā)，管理和維護(hù)，LXI熱電偶采集設(shè)備平臺(tái)軟件采用層次化，模塊化的方式進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)不同的應(yīng)用功能封裝在不同的程序中。LXI熱電偶采集儀接口電路內(nèi)的軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 LXI設(shè)備平臺(tái)軟件架構(gòu)圖

熱電偶采集系統(tǒng)軟件主要分系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理和其他功能共5部分內(nèi)容，如圖7所示。

系統(tǒng)初始化完成整個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化工作，為數(shù)據(jù)的采集分析作好準(zhǔn)備，主要包括系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。系統(tǒng)上電后，熱電偶采集系統(tǒng)對(duì)其硬件連接和工作狀態(tài)進(jìn)行自檢；系統(tǒng)校準(zhǔn)可在由性能穩(wěn)定的直流電源或熱電偶溫度校驗(yàn)儀搭建的校準(zhǔn)平臺(tái)下進(jìn)行零漂和溫漂校準(zhǔn)。

參數(shù)設(shè)置功能主要是對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行“采樣率設(shè)置”、“曲線顯示”、“報(bào)警閾值”、“功能設(shè)置”和“量程設(shè)置”等進(jìn)行設(shè)置。上位機(jī)軟件將設(shè)置完畢的參數(shù)保存為系統(tǒng)配置文件以供日后使用，啟動(dòng)系統(tǒng)后可以自動(dòng)載入為默認(rèn)值。熱電偶采集系統(tǒng)的最高采樣率為1 kSa/s，上位機(jī)軟件可根據(jù)實(shí)際需要重新設(shè)置采樣率；可以對(duì)溫度曲線外觀進(jìn)行設(shè)置，包括曲線顏色、時(shí)間軸長短、溫度軸大?。豢梢詫?duì)48路熱電偶溫度的預(yù)警值進(jìn)行設(shè)置，保障系統(tǒng)安全性；可設(shè)置為熱電偶測量功能或者電壓測量功能；可以為每個(gè)電壓通道設(shè)置獨(dú)立的通道電壓輸入的范圍，最大值為10 V。

數(shù)據(jù)采集功能是整個(gè)熱電偶采集系統(tǒng)軟件的核心部分，包含通道選擇功能、通道顯示功能、通道報(bào)警功能?？蛇x擇某一路熱電偶通道或者多路熱電偶通道；可顯示指定的熱電偶通道采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)值；當(dāng)熱電偶溫度超出預(yù)警值時(shí)，可設(shè)置報(bào)警提示。

數(shù)據(jù)分析與處理功能主要針對(duì)上位機(jī)軟件，同樣是上位機(jī)軟件的核心，主要完成可編程濾波、時(shí)域分析、頻域分析?？删幊虨V波是由用戶需要改變?yōu)V波器特性的數(shù)字濾波功能，可改變的參數(shù)為濾波器頻帶(低通、高通、帶通和帶阻)、濾波器類型(貝塞爾、巴特沃斯)、截止頻率、濾波器階數(shù)等參數(shù)[9-10]；時(shí)域分析主要搜索整個(gè)時(shí)間歷程中信號(hào)的最大、最小、極大或極小值的位置。還可以進(jìn)行多個(gè)信號(hào)的比較、壓縮、疊加合成等操作；頻域分析具備FFT自譜分析、幅值譜peak、幅值譜RMS、功率譜、功率譜密度、譜密度等頻域分析功能。

其他功能主要完成采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告生成工作，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)告生成功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成采集系統(tǒng)及上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)和圖片保存設(shè)置，內(nèi)容由數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)刪除、圖片保存和頻譜保存組成；根據(jù)要求制定出試驗(yàn)報(bào)告格式，可以自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)測試報(bào)告。

4 熱電偶溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)方法

熱電偶傳感器在工業(yè)現(xiàn)場使用時(shí)，熱端(測量端)被置于被測環(huán)境中，冷端(儀器設(shè)備端)暴露于作業(yè)環(huán)境中，冷端溫度即為作業(yè)環(huán)境的溫度。作業(yè)環(huán)境溫度是隨四季氣候變化而變化的，造成冷端溫度不恒定，由熱電偶測溫原理可知，為了提高溫度測量的精確度，必須對(duì)熱電偶傳感器冷端進(jìn)行溫度補(bǔ)償[11-13]。

熱電偶采集系統(tǒng)支持內(nèi)部和外部冷端補(bǔ)償。外部冷端補(bǔ)償為通過軟件輸入環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償；熱電偶內(nèi)部冷端補(bǔ)償采用軟件測溫補(bǔ)償法，在熱電偶的冷端放置一個(gè)恒流源與高精度熱電阻，經(jīng)放大電路構(gòu)成測溫電路，再經(jīng)由調(diào)理與AD轉(zhuǎn)換測得冷端補(bǔ)償電壓，由該電壓值查表獲取當(dāng)前熱電阻的溫度響應(yīng)，再將該溫度響應(yīng)換算至對(duì)應(yīng)熱電偶傳感器類型的溫度系數(shù)中確定冷端電壓值，最終對(duì)熱電偶系統(tǒng)測得的電壓進(jìn)行偏置補(bǔ)償，計(jì)算得到熱電偶溫度測量值。

內(nèi)部冷端補(bǔ)償電路如圖8所示，由恒流源、高精度熱電阻PT1000和放大電路構(gòu)成冷端測溫電路。冷端補(bǔ)償傳感器選用松導(dǎo)公司生產(chǎn)的PT1000熱電阻，其精度為±(0.1+0.001|t|)℃。PT1000傳感器最大測量范圍為-50～400 ℃，通過調(diào)整電路，將其測試范圍-20～80 ℃對(duì)應(yīng)電阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)調(diào)整至AD測量范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋儀器使用和存儲(chǔ)溫度范圍，并可進(jìn)一步提高冷端補(bǔ)償溫度測試精度，降低系統(tǒng)誤差。

冷端補(bǔ)償溫度傳感器一般安裝在緊靠輸入插座的均溫塊中，在溫度變化時(shí)，PT1000冷端補(bǔ)償傳感器利用鉑金屬的電阻隨之發(fā)生變化的特性來測量溫度。PT1000是中低溫區(qū)常用的測溫元件，在遠(yuǎn)程測量過程中，由于PT1000阻值小、溫度系數(shù)低，其測溫精度易受導(dǎo)線電阻影響。采用基準(zhǔn)電壓源和精密放大器產(chǎn)生小于0.9 mA的恒流源，為PT1000提供低噪聲、穩(wěn)定的電流，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。同時(shí)設(shè)計(jì)一種三線制的新型熱電阻測溫方法，如圖9所示，與傳統(tǒng)方法不同，在控制導(dǎo)線電阻一致的前提下，只需測量一次，即可得到與導(dǎo)線電阻無關(guān)的測試結(jié)果。

圖9 新型三線制冷端測溫電路

如圖9所示，Rx為熱電阻PT1000，rA、rB、rC為三線制接法三引線的引線電阻，基準(zhǔn)+0.1Vref輸入的AD8608運(yùn)放構(gòu)成恒流源，根據(jù)運(yùn)算放大器虛短虛斷，流過RTD的電流與流過R24的電流相等且恒定：I=0.1 V/910 Ω=0.109 9 mA。該電流較小以減小RTD自發(fā)熱對(duì)測溫的影響，由于rC幾乎沒有電流，其壓降也可以忽略。通過U40.1運(yùn)放將RTD電阻電壓進(jìn)行放大，計(jì)算如式(1)所示：

(1)

通過引線等長設(shè)計(jì)使rA=rB，則式(1)可簡化為式(2)：

Vcoldout=

(2)

由式(2)可見，RTD電阻電壓與引線電阻rA、rB無關(guān)。利用測得的電壓Vcoldout即可得到PT1000當(dāng)前對(duì)應(yīng)阻值，并通過PT1000標(biāo)準(zhǔn)溫度-電阻分度表，查表即可得到冷端溫度值。

獲得冷端溫度值后，通過NIST標(biāo)準(zhǔn)分度表查詢得到冷端溫度對(duì)應(yīng)的被測熱電偶傳感器類型的冷端電動(dòng)勢，并將測得熱電偶電壓值加上冷端電動(dòng)勢，即為補(bǔ)償后的熱電偶實(shí)際電壓值；然后再次通過查對(duì)應(yīng)熱電偶標(biāo)準(zhǔn)分度表即可得到最終熱電偶溫度測量結(jié)果。熱電偶溫度測量補(bǔ)償校準(zhǔn)流程如圖10所示，系統(tǒng)集成了多種熱電偶傳感器電壓-溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換與補(bǔ)償算法，支持J、K、T、E、S、R、B、N型8種熱電偶類型，經(jīng)過實(shí)測，T型熱電偶溫度測量精度達(dá)到0.25 ℃。

5 試驗(yàn)測試與應(yīng)用驗(yàn)證

為充分測試驗(yàn)證所設(shè)計(jì)熱電偶采集系統(tǒng)的性能，分別通過某計(jì)量實(shí)驗(yàn)室溫度綜合驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)和某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)實(shí)測進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。

某計(jì)量實(shí)驗(yàn)室溫度綜合驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)如圖11所示，由雙鉑銠熱電偶檢定爐、零點(diǎn)恒溫器、轉(zhuǎn)換開關(guān)(納伏卡)、0.01級(jí)數(shù)字多用表、一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶傳感器和接口轉(zhuǎn)換電纜等組成[14-16]。試驗(yàn)系統(tǒng)以一等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)測溫傳感器，并使用R型和S型熱電偶傳感器進(jìn)行測溫驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)采用雙級(jí)比較法，標(biāo)準(zhǔn)傳感器的測量端經(jīng)過零點(diǎn)恒溫器后，采用吉時(shí)利公司的7168納伏卡和2182A納伏表進(jìn)行電壓測量，電壓測量精度達(dá)到0.005%、寄生電勢小于0.1 μV，遠(yuǎn)高于測量精度要求。由于納伏表測量電壓值為熱電偶冷端經(jīng)過零點(diǎn)恒溫器后的結(jié)果，故該電壓測量結(jié)果即為熱電偶檢定爐內(nèi)熱電勢，通過NIST熱電偶分度表查表即可獲得測量電壓值對(duì)應(yīng)的熱電偶溫度值，也即檢定爐內(nèi)溫度。熱電偶采集儀自身具備補(bǔ)償功能，其測量溫度值即為最終測試結(jié)果，并與檢定爐內(nèi)溫度進(jìn)行對(duì)比分析。

圖11 某溫度綜合驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)

熱電偶采集儀測量得到的S型和R型熱電偶溫度結(jié)果如表1所示，通過與標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行對(duì)比，R型熱電偶溫度測量誤差在0.45 ℃內(nèi)、S型熱電偶溫度測量誤差在0.6 ℃內(nèi)。

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)溫度準(zhǔn)確度對(duì)比測試結(jié)果

某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)綜合測試系統(tǒng)如圖12所示。采用K型熱電偶傳感器貼于被測發(fā)動(dòng)機(jī)殼體表面，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)殼體溫度過程監(jiān)測與狀態(tài)評(píng)估；熱電偶傳感器冷端置于冰水混合物冷端槽中，模擬零點(diǎn)溫度用于補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化所到來的測量誤差；熱電偶傳感器冷端經(jīng)過冷端槽后通過接插器分為兩路，分別連接至NI公司PXI-4353測試板卡和熱電偶采集儀中。PXI-4353測量得到的電壓值通過NIST熱電偶分度表查表獲取對(duì)應(yīng)溫度值，即為對(duì)比測試溫度結(jié)果。

圖12 某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)綜合測試系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)實(shí)測結(jié)果對(duì)比如圖13所示，所研制熱電偶采集儀測量結(jié)果溫度最大值為379.68 ℃，NI公司PXI-4353測試板卡測量結(jié)果最大值為380.14 ℃，最大值誤差為0.46 ℃；在全時(shí)域過程中，兩者測量誤差均在0.5 ℃以內(nèi)。

圖13 某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)實(shí)測結(jié)果

通過以上實(shí)驗(yàn)室與實(shí)裝測試驗(yàn)證，R型熱電偶溫度測量誤差在0.45 ℃內(nèi)、S型熱電偶溫度測量誤差在0.6 ℃內(nèi)、K型熱電偶溫度測量誤差在0.5 ℃以內(nèi)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)熱電偶采集系統(tǒng)的性能。經(jīng)過其他實(shí)驗(yàn)室測試與驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)基于LXI總線的熱電偶采集系統(tǒng)電壓測量準(zhǔn)確度為0.05%、J型熱電偶準(zhǔn)確度為0.45 ℃、T型熱電偶準(zhǔn)確度為0.25 ℃、E型熱電偶準(zhǔn)確度為0.35 ℃、B型熱電偶準(zhǔn)確度為1.65 ℃、N型熱電偶準(zhǔn)確度為0.40 ℃。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于LXI總線的熱電偶采集系統(tǒng)，采用高精度24位模數(shù)信號(hào)采集與調(diào)理技術(shù)，大幅提高了電壓采集分辨率與測量精度，電壓測量精度達(dá)到0.05%。系統(tǒng)集成了多種熱電偶傳感器電壓-溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換與補(bǔ)償算法，支持J、K、T、E、S、R、B、N型8種熱電偶。為提高熱電偶傳感器測量精度與穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種高精度快速冷端補(bǔ)償模塊及其算法，可以有效補(bǔ)償環(huán)境溫度變化所帶來的測量誤差，有效提高了溫度測量準(zhǔn)確度，并通過計(jì)量試驗(yàn)與實(shí)裝測試進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明R型熱電偶溫度測量準(zhǔn)確度達(dá)到了0.45 ℃、S型熱電偶準(zhǔn)確度達(dá)到了0.6 ℃、K型熱電偶準(zhǔn)確度達(dá)到了0.5 ℃。通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，可以有效支撐發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、復(fù)雜結(jié)構(gòu)溫度測量等，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。