基于LabVIEW的瞬态温度测试系统

0　引言

在极端恶劣工作环境下,温度的测量常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动,其共同特点是温度高且是瞬态变化的,响应时间可达ms甚至μs级,测量技术难度大[1]。传感器的响应时间和测温范围是制约瞬态温度测量技术发展的瓶颈[2]。辐射测温法响应时间可以很小,但由于发射率的问题使其测量误差较大,而且针对某些特殊场合无法实现顺利测试[3]。某快速热电偶最快响应时间可达μs级,已成功测量了宇宙飞船在返回大气层时隔热罩的温度,枪管承受的表面温度,以及激波管在不到10μs响应时间内的温度。以LabVIEW为开发平台的虚拟仪器测量技术已成为现代温度测量及整个测试领域的发展方向[4]。

快速热电偶和LabVIEW相结合的瞬态温度测量技术已成为该领域的一个重要研究方向。针对极端工况下瞬态温度动态诊断的难题,以锌熔滴扁平过程瞬态温度变化为研究对象,设计了以LabVIEW为开发平台的快速热电偶温度测量系统,实现了在侵蚀环境下瞬态温度的测量,并分析了测量结果。该系统对热电偶进行了冷端补偿和温度电压的转换,使后继工作只需分析软件开发,便可应用于各种瞬态测温环境。

1　系统工作原理及组成

1·1　工作原理

当热电偶的工作端接触到瞬态温度变化时,利用热电效应将温度变化信号转变成电压信号,再经信号调理电路放大100倍,并经过1个2 Hz的滤波器后,由数据采集卡采集并送给计算机,计算机将其与冷端补偿电压相加后得到热端电压,通过查找分度表即可得到相应的温度[5]。瞬态温度测试系统结构框图如图1所示。

1·2　系统组成

1·2·1　温度传感器

热电偶由于成本低、简单、可靠性高和测温范围大而得到了广泛应用[6]。选择的钨铼系侵蚀型快速响应热电偶测温范围可达2·3×103℃,响应时间达μs级,可测量内壁表面或腔内的2种不同温度:表面温度(热接地热电偶)和内壁表面接合面温度或气体温度(非热接地热电偶)。当热电偶探头的温度发生瞬态变化时,由于热电效应,其输出电压也将发生快速变化,然后热电偶信号经差分输入到信号调理模块。在测量过程中会自动更新受侵蚀或磨损的热电偶结。

1·2·2　信号调理电路

信号调理电路主要由放大器、滤波器和冷端温度补偿电路构成。其电路示意图如图2所示。

热电偶的输出信号为mV级,通过差分的方式输入到信号调理模块,然后经过增益为100的放大器,放大器的输出与1个2Hz的低通滤波器相连,以剔除环境噪声所引起的干扰。信号经过补偿导线和数据采集卡相连,实现模拟信号到数字信号的转换。信号调理模块还包含1个由热电阻构成的冷端温度补偿电路,其输出电压信号由数据采集卡采集,再经过计算机处理得出相应的冷端补偿电压。将补偿电压和热电偶测量电压相加再查分度表即可得温度测量值。