基于階躍溫度響應的熱電偶時間常數測試系統

滕士雷，孔喜梅

（1.無錫機電高等職業技術學校，江蘇 無錫 214028；2.無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫 214151）

基于階躍溫度響應的熱電偶時間常數測試系統

滕士雷1，孔喜梅2

（1.無錫機電高等職業技術學校，江蘇 無錫 214028；2.無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫 214151）

為了更方便地測試熱電偶時間常數，設計了一套熱電偶時間常數測試系統,包括工控機、信號調理電路、A/D采集、數據采集處理軟件和打印機等。根據熱電偶對階躍溫度的響應，提出了一種全新的熱電偶時間常數測試方法，設計功能完善的信號調理電路，通過PCL818L數據采集卡將采集的數據送交上位機應用軟件進行分析處理，得到所需要的熱電偶參數，應用軟件提供各類報表輸出及數據打印功能。

熱電偶；時間常數；數據采集；PCL818L數據采集卡；測試系統

1 引 言

溫度傳感器的時間常數是動態溫度測量中的一個重要參數，也是衡量溫度傳感器動態測試性能的重要指標，各個應用領域，對溫度傳感器的時間常數都有具體的要求。然而由于影響時間常數的因素很多且復雜，難以用理論計算的方法獲得準確的數值，實際應用中都是采用實驗測定的方法來獲得所需的參數。因此設計功能完善的熱電偶時間常數測試系統，在各領域的應用中具有很大意義。

2 系統原理分析

系統由工控機、信號調理電路，A/D采集、數據采集處理軟件和打印機等部分組成，系統的測試原理如圖1所示。

信號調理電路對熱電偶信號進行有關處理及放大，經過處理的信號由A/D采集，再由處理軟件對數據進行分析處理，最后將處理結果打印輸出。下面針對熱電偶時間常數的測量原理加以分析：

圖1 熱電偶時間常數測試系統框圖

熱電偶溫度傳感器的時間常數[1]：

式中：W——熱電偶材料的比重；

V——體積；

C——比熱；

h——導熱系數；

A——周圍流體薄膜的面積。

由此可表明熱點偶的時間常數由熱電偶的材料、結構形式及測溫環境等因素決定。

熱電偶對階躍溫度的響應為：

式中：T——熱電偶指示溫度；

T0——熱接點初溫；

Te——階躍溫度；

t——對階躍溫度的響應時間；

τ——熱電偶時間常數。

當t=τ時，則有：T-T0=（Te-T0）（1-e-1）=0.632（Te-T0），即時間常數是熱電偶指示溫度T與初始溫度T0之差達到溫度階躍（Te-T0）的63.2%所需的時間[2]。

由以上推論可知：

對于熱電偶溫度傳感器，時間常數是指示溫度Te與初始溫度T0之差達到溫度階躍（Te-T0）的63.2%所需的時間。這是時間常數τ的定義，同時也說明了測量τ的方法。

為了便于溫度階躍的實現，T0可采用室溫，Te可以是一個可設定溫度的恒溫槽，測量時將熱電偶直接插入恒溫槽即可。

3 系統采集器設計

系統是以工控機為硬件平臺，測試數據的提取依靠數據采集設備來完成，采集器選用研華公司的PCL818L數據采集卡，可以直接與工控機主板上的接口插槽相連，依靠相應的硬件驅動程序即可實現測試數據的采集，結構緊湊，開發工程量小。

PCL818L是一個多功能高性能通用的數據采集卡，它在一個板上集成了所有數據采集的功能如A/D，D/A，D/O 和 D/I[3]。

PCL818L有以下特性：8路單端12位模擬輸入通道；各種輸入電壓范圍（雙極性）有2.5V、1.25V、0.625V和0.312 5V；一個12位單片模擬輸出通道；轉換時間為25μs；精度為讀數的0.015%±1 Bit LSB；輸入阻抗為10MΩ；采樣傳輸速率為25kHz（最大）。

PCL818L與其他硬件設備的交互接口是CN1、CN2和CN3。CN1是數字輸出接口；CN2是數字輸入接口；CN3是模擬輸入/輸出接口。因為測試的是模擬信號，所以只用到CN3[4]。關于PCL818L數據采集卡的詳細資料請參考其數據手冊。

3.1 信號調理電路設計

采集卡的輸入電壓范圍設置為1.25V。考慮到電壓邊界特性，把對應的輸入電壓調理成-1.20～+1.20V[5]。熱電偶輸出信號分為熱電勢信號和電阻信號，不同的信號采用不同的信號調理電路，下面逐一介紹對各種信號的處理方法及原理。

3.1.1 熱電勢信號

熱電偶輸出信號為熱電勢時，因信號值很小，故采用差分放大電路，放大倍數可通過電位計進行調整。另外可在輸入端接入標準電壓信號，通過軟件配合對放大器零點和電路增益進行標定和校準，保證測量精度。熱電勢信號調理電路原理如圖2所示。

圖2 熱電勢信號調理電路原理框圖

當輸入熱電勢為0～4.1mV時，經過放大、電平平移后的電壓為-1.20～+1.20V，送A/D采樣。

“標定電路”的作用是由軟件確定放大電路的零點和電路增益。

零點標定：在輸入端接入電壓0V（設為x0），通過軟件讀取對應的AD值（設為y0）。

電路增益標定：在輸入端接入約4mV的電壓，設為x1，同時用標準電壓表測量具體數值。通過軟件讀取對應的AD值（設為y1），x1的具體數值由鍵盤輸入到電腦。

通過二個點（x0，y0）、（x1，y1）可定出一條輸入電壓和AD值之間的對應關系直線。

設某個電壓值x對應的AD值為y，則：

信號的接入由調理板上的切換電路自動實現。

3.1.2 電阻信號

熱電偶輸出信號為電阻時，采用分壓電路將其轉換為電壓，放大倍數可通過改變電位計RP1的電阻值來進行調整。另外可在輸入端接入標準電阻，通過軟件配合對放大器零點和電路增益進行標定和校準，保證測量精度[6]。

電阻信號調理電路原理與熱電信號基本相同，可參考圖2。當輸入電阻為46～150Ω時，經過放大、電平平移后的電壓為-1.20～+1.20V，送A/D采樣。“標定電路”的作用和方法同熱電勢信號所介紹。

3.2 采樣精度與測量精度分析

采集器PCL818L的采集頻率最大可達到25kHz，選用100Hz采集頻率，就可以達到不低于0.05 s的時間精度要求[3]。

采集器為12位的A/D卡，精度為讀數的0.015% ±1 Bit LSB。1 Bit LSB對應的精度為（1/4096）×100%=0.024%[6]。因此 A/D 卡總的精度為±（0.015+0.024）%=±0.039%。

在設計中，A/D卡的輸入信號范圍通過信號調理后滿量程使用，使得熱電勢信號和電阻信號的精度分別可以達到0.48%和0.14%，足以滿足系統設計需要。

3.3 可靠性設計

為保證測試系統的可靠性要求，從元器件的選用到整機的裝配，均嚴格按照有關規定執行，均選用可靠性指標比較高的元器件，按照EMC電磁抗干擾測試標準進行電路板設計與制作。另外在電源輸入線路上加裝輸入濾波器以提高設備的抗干擾能力。

4 應用軟件設計

4.1 軟件系統組成及程序設計

測試系統應用軟件采用VC++6.0編寫，由采集卡控制程序、溫度信號采集程序、信號分析處理程序、結果表達程序、人機接口程序和存儲/報表輸出程序6個部分組成，軟件結構如圖3所示。

圖3 系統應用程序結構圖

使用VC++6.0編程時，程序要包含ADSAPl32．UB和頭文件Driver．h，它是應用Adantech DLL的基礎。在程序中添加采集器PCL818L的DLL動態鏈接庫，提供了對PCL818L相關口地址的讀寫操作函數[4]。這些函數都是標準的Windows API，主要用到的動態鏈接函數包括：

（1）DRV-GetErrorMeSSage

函數功能：根據錯誤的代碼得到出錯的信息，然后將此錯誤信息返回到信息緩沖器。

（2）DRV-Deviceopen

函數功能：從注冊或配置文件得到適合于設備工作的參數，并分配內存用來存儲這些參數以快速提取。

（3）DRV-DeviceClose

函數功能：用來釋放所分配的存儲參數。

（4）DRV-GetAddress

函數功能：返回一個變量的指示器或地址。

（5）DRV-AIConfig

函數功能：為模擬輸入通道進行增益配置。

（6）DRV-AIVoltageIn

函數功能：讀取一個模擬輸入通道，然后返回結果到一個電壓（單位：V）。

（7）數據功能結構函數，包括：

根據數據采集的要求，在軟件編寫的過程中，A/D轉換功能尤為重要，這里給出實現對8路模擬量數據采集通道中的電壓測量的主要代碼：

最后，編譯并運行程序，可以從屏幕上看到PCL818L數據采集卡各通道輸入模擬量的電壓值。

數據采集完成后經過軟件處理得出測試結果，PCL818數據采集卡支持Matlab應用，為了編程更方便、功能更穩定，軟件中畫圖和時間常數的計算是通過VC++6.0調用Matlab來實現的。程序中用Matlab編寫完畫圖和計算時間常數的函數后，分別將它們生成兩個不同的COM組件并進行打包，然后將生成的COM組件對應的DLL文件添加到VC++6.0工程的引用中去，這樣就可以在VC++6.0中進行使用了。

4.2 系統界面及其功能設計

測試軟件的主界面如圖4所示。測試結果在工控機顯示器上顯示，操作簡便、直觀。在主界面中，除了菜單命令外，也可以通過對應的命令按鈕進行操作。

4.2.1 系統管理

圖4 系統主界面示意圖

系統管理包括系統自檢、退出等命令。系統自檢是在測試軟件啟動時對系統硬件進行檢測，并依此判斷系統是否可以正常工作。

4.2.2 測試控制管理

測試控制完成測試任務的組織、調度和管理，包含型號選擇、測試時間設置和校準等信息。各命令菜單的功能說明如下：

（1）型號選擇命令用下拉式菜單實現，分為熱電偶式和熱電阻式兩個型號。

（2）測試時間設置用輸入文本框實現，可在出現的文本框中設置測試時間；測試時間可以通過將熱電偶浸入恒溫槽，達到熱平衡所需的時間進行估算。

（3）開始測試表示設備進入就緒狀態，它自動跟蹤被測量溫度，當與T0溫度差超出ΔT時開始測量并開始計時，經過設定的測試時間后自動停止測試。

（4）熱電阻阻值設定可以設定熱電阻阻值；測試臺可對不同類型的熱電阻進行時間常數的測量。

（5）標定是對放大電路進行零位校準和比例放大倍數校準，使得測量結果更加準確。

4.2.3 工具管理

工具菜單命令提供對測試數據進行相關處理的命令。包括報表生成、報表打印和歷史報表查詢等命令。

4.3 輸出報表及測試結果

在測試的過程中，將待測傳感器放入設定的恒溫槽可連續加熱，當被測熱電偶檢測溫度達到橫溫槽設定溫度的63.2%時系統顯示出時間常數值τ，打印機輸出的報表格式如圖5所示。

圖5 應用軟件輸出報表界面設計

（1）輸出報表的縱坐標隨被測熱電偶類型不同而變化。為了符合相關單位與科研機構對參數的獲取需求，更直觀地輸出測試結果熱電勢型為溫度刻度、熱電阻型為電阻刻度。

（2）輸出報表的橫坐標為時間。T0為按“開始測試”命令后到熱電偶放入恒溫槽后開始測試的時間，由于恒溫槽加熱時間與實際溫度T變化的關系如表1所示。

表1 恒溫槽加熱時間與實際溫度T變化的關系

根據此表以及大量的實踐表明，在5倍τ以后階躍溫度趨于平衡，因此將恒溫槽加熱時間確定為溫度傳感器時間常數的5倍以上，以獲得準確的時間常數值。界面中（Ts-T0）為設置的測試時間，橫坐標的刻度根據設置時間的長短自動進行調節。

（3）“T”為在測試過程中顯示即時溫度值（若測試的是熱電阻則顯示電阻值）。

5 結束語

系統采用了全新的設計方案，在信號的處理、采集、軟件功能方面都做了深入的分析，設計了較為完善的硬件操作平臺及上位機測量軟件，使得測量更為科學、準確且操作方便，可以滿足相關企業及科研機構的應用需求。因此，系統產品化后取得了很好的應用效果和經濟效益，成為熱電偶時間常數測量與分析的有力工具。

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Test system of time constant based on step tem perature response

TENG Shi-lei1，KONG Xi-mei2
（1.Wuxi Machinery and Electron Hicher Professional and Technical School，Wuxi 214028，China；2.Wuxi Institute of Communications Technology，Wuxi 214151，China）

In order to facilitate the test of thermocouple time constant，a thermocouple time constant test system was designed.The system is composed of IPC，signal conditioning circuit，A/D collecting card，data processing software and printer.In addition，a new method for testing the time constant of thermocouple was proposed according to its response to phase step temperature.By the PCL818L card，the data was collected and transferred to application software for analysis，by which the desired parameters of thermocouple can be obtained.The application software provides all types of reporting forms output and data printing.

thermocouple；time constant；data processing；PCL818L；test system

TH811；TP212.11

A

1674-5124（2011）01-0024-04

2010-03-16；

2010-06-05

滕士雷（1982-），男，江蘇連云港市人，高級技師，主要從事工控系統開發及機床改造等方面的研究工作。