CN100383491C - 一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统 - Google Patents

一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统，包括接口滤波电路、多通道切换模块、热电偶温度采集模块、两级信号放大模块、A/D采集模块、断偶检测报警模块、中央控制单元和稳压电源模块；其中温度传感器为热电偶对温度微小信号进行采集，通过切换模拟开关完成多个通道的温度数据采集；经热电偶放大器后，完成了非线性的线性化处理和冷端补偿，并将热电偶信号放大，线性输出绝对温度值10mv/℃，经过第二级运放放大后，使得信号输出范围为0-5V/10V，对应于流体试验装置全温度范围如(0-120℃)；经A/D采集模块将温度模拟量转换为数字量输入给中央控制单元。该系统结构简单、温度测量稳定度高，一致性好。

Description

一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统
技术领域
本发明涉及一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统，尤其涉及一种应用于航空航天领域内的多通道温度采集系统。
背景技术
热电偶是最常用的温度传感器之一，其结构简单，性能稳定，测温精度高，在测控领域中得到广泛的应用。但它本身具有非线性和冷端温度补偿的复杂性。常规的热电偶测温中，在地面的冷端补偿常采用冰点法、恒温法等，这些方法都无法在空间实现，更无法满足航天要求；在空间任务中大多采用硬件电路对热电偶进行线性化，如电桥电路等，虽然可以用于空间任务，但由于阻容器件存在精度问题，带来一致性比较差，其补偿的精度低，而且给调试和标定都带来一定的困难，很难满足目前航天任务高性能和高可靠性的需求；尤其是这些方法要在空间实现，必须采用宇航级抗辐射器件或883B级以上器件，而在这些器件中没有热电偶专用的放大器，只能使用通用的放大器，这使得设计复杂，调试困难，体积功耗大，可靠性低，费用高，对于多通道系统一致性差。
对于热电偶的线性化，主要采用软件非线性校正，如分段线性化、查表法等，但这些算法都有一定的精度损失，而且运算速度慢，无法满足航天任务高性能和高可靠性的要求。
随着微电子技术的飞速发展及空间任务对高性能需求的日益增强，现有的宇航级抗辐射器件/883B级以上器件已经远远不能满足目前空间飞行器高性能系统的需求，使得高性能商用器件Commercial-Off-The-Shelf(COTS)在空间的应用成为可能。目前在商用器件中有一些专用的带有冷端补偿和线性化的热电偶放大器，如图1所示的一种典型的电路实现的例子，它可用于传感器为热电偶的温度采集系统，但还没有相应的军品级以上的同性能器件产品。本发明在该系统中采用了一片商用器件。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，为了满足空间飞行器高性能系统的需求，从而提供一种适用于微重力流体试验的，特别适用于航空航天系统中温度传感器为热电偶的、高精度、体积小、费用低、一致性好、可靠性高的多通道温度采集系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统，包括：
安装在微重力流体实验装置中的n路热电偶(11)，用于产生微小输入信号，其中n为整数，1≤n≤7；
输入接口滤波电路(1)由2个独石电容组成，分别为0.1μ的独石电容和1.5μ的独石电容，用于对热电偶的微小输入信号进行滤波；
多通道切换模块(2)，采用了一片双8路模拟开关芯片，除一个通道接地外，余下7个通道中的n个通道与n路热电偶的n对差分信号一一对应；
热电偶温度采集模块(3)，采用了一片热电偶放大器AD595，用于对热电偶的微小信号进行线性化处理和冷端温度补偿，并经过非线性校正使得输出为线性的绝对温度；
稳压电源模块(8)向热电偶温度采集模块(3)提供+5V电压；
两级信号放大模块(4)用于放大热电偶温度采集模块的输出信号；
A/D采集模块(5)采集模拟量温度数据，转换为数字量数据；
中央控制单元(7)，用于接收A/D采集模块(5)的温度输出值和热电偶状态信号，并将温度数据和热电偶状态分别标以通道号储存，还输出通道选择信号给多通道切换模块(2)；
还包括断偶检测报警模块(6)，利用热电偶放大器AD595进行断偶检测，即热电偶温度采集模块(3)检测到热电偶的工作状态，将其送入断偶检测报警模块(6)，当某一路热电偶断线时，AD595会输出一个低电平，经过反相器和上拉电阻后变成高电平，直接输入至中央控制单元(7)中CPU的I/O口，CPU查询并记录，发出报警信号；从而将断偶信号送至中央控制单元(7)；
所述的热电偶(11)输出的电压弱小信号经过输入接口滤波电路(1)滤波后，连接至多通道切换模块(2)；对于选定的一个通道，热电偶的电压弱小信号经过多通道切换模块(2)送入热电偶温度采集模块(3)；随后经过两级信号放大模块(4)的放大，该信号被A/D采集模块(5)采集，最后输出的数字量数据被中央控制单元(7)存储，全此完成一次温度采集；
每完成一次上述温度采集后，就由中央控制单元(7)控制通道选择信号，切换至接地的通道，以上完成一个通道的温度采集；再由中央控制单元(7)控制通道选择信号，切换至下一个通道，直至完成所有的信号通道的依次选通采集，如此循环往复地完成微重力流体试验的多通道温度采集。
在上述的技术方案中，所述的两级信号放大模块(4)为通用精密放大器，该两级信号放大模块(4)将热电偶微小信号经过放大，使信号输出电压范围在0-5V或0-10V。
本发明的系统适用于对多通道的、温度传感器为热电偶、测温稳定度要求高的温度微小信号进行采集。通过切换模拟开关完成多个通道的温度数据采集；经过热电偶放大器后，完成了非线性的线性化处理和冷端补偿，并将热电偶信号放大，线性输出绝对温度值10mv/℃，经过第二级运放放大后，使得信号输出范围为0-5V/10V，对应于流体试验装置全温度范围如(0--120℃)；经A/D采集模块5将温度模拟量转换为数字量输入给中央控制单元7，并相应地标上通道标号；中央控制单元7采集热电偶状态信号，可以检测热电偶断偶情况。
本发明的优点在于：
本发明的系统由于采用了热电偶温度采集模块3，它是一片专用的热电偶放大器(目前器件等级是工业级商用器件，待该器件有军品级以上同性能产品时也适用该系统)，使系统输出为绝对温度，并且与实际温度呈线性关系，避免了复杂的冷端温度补偿和线性补偿带来的精度的损失和庞大的硬件系统，降低了系统复杂度，易于系统实现和标定。
本发明的系统测温稳定度达到0.1℃，提高了系统性能；
本发明的系统还可以检测热电偶断偶情况，使地面人员及时掌握空间运行情况；
本发明的系统极大地降低体积、功耗、重量，适应空间实现；
本发明的系统由于采用了多通道切换模块2，其多通道一致性好，适用于多路通道的测量，使多路通道的测量结果具有很强的可比性。
附图说明
图1是典型的现有电路实现的多通道温度采集系统组成图
图2是本发明的一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统组成图
图3是断偶检测报警模块的内部结构框图
具体实施方式
如图2所示，一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统由以下硬件组成：输入接口滤波电路1，多通道切换模块2，热电偶温度采集模块3，两级信号放大模块4，A/D采集模块5，断偶检测报警模块6，中央控制单元7，稳压电源模块8。
参考图2，采用T型铜-康铜热电偶11共6根；每根热电偶11接到系统的输入接口滤波电路1上；系统的输入信号----热电偶微小信号经过输入接口滤波电路1连接至多通道切换模块2中多路模拟开关，如果热电偶通道数为N，则输入接口滤波电路1由2N个独石电容组成，每一路由2个独石电容组成，分别为0.1μ的独石电容和1.5μ的独石电容，对热电偶的微小输入信号进行滤波，实现了空间对热电偶微小信号的采集。
如图2所示，多通道切换模块2采用了一片双8路模拟开关芯片，每一路对应一路热电偶的一对差分信号，另有一路接地，采集一路温度信号后采集一次接地信号，目的是使采集的温度信号不带有残留信号，采集精度高，通过中央控制单元7输出通道选择信号而改变模拟开关的接通的通道，实现对多路温度通道的依次选通采集。
如图2所示，热电偶温度采集模块3采用了一片商用器件AD595--专用的热电偶放大器，可以直接与T型热电偶连接，具有非线性补偿和冷端温度补偿功能，采集热电偶的微小信号，并进行线性化处理和冷端温度补偿，输出为线性的绝对温度，经调节外围电路阻抗匹配，可以使其输出为线性、低阻抗电压输出，输出值为10mv/℃。本发明推导出AD595针对T型热电偶的电压输出公式为：
AD595output＝(Type T Voltage+19)×247.3
因此，T型热电偶电压为：Type T Voltage＝(AD595output/247.3)-19
如图2所示，两级信号放大模块4为一通用放大器，将热电偶微小信号经过专用的热电偶放大器和一片通用放大器两级放大，调整通用放大器的放大倍数，使信号输出电压范围在0-5V/10V；
如图2所示，A/D采集模块5采用12位高精度A/D转换器A/D574，它采集模拟量温度数据，转换为数字量数据输入给中央控制单元7，中央控制单元7将采集的温度数据标以通道标号。
如图3所示，断偶检测报警模块6采用专用的热电偶放大器AD595和一个反相器、一个上拉电阻，利用专用的热电偶放大器AD595的热电偶状态检测端进行断偶检测，其报警输出能力强，与TTL驱动兼容。当某一路热电偶断线时，AD595会输出一个低电平，经过反相器后变成高电平，发出报警信号，中央控制单元7可以查询到此信号并记录相应的热电偶通道号。
n路温度传感器热电偶安装在微重力流体实验装置中，热电偶输出的电压弱小信号经过输入接口滤波电路1滤波后，连接至多通道切换模块2；多通道切换模块2的通道选择由中央控制单元7控制，对于选定的一个通道，热电偶的电压弱小信号经过多通道切换模块2送入热电偶温度采集模块3；由稳压电源模块8供电的热电偶温度采集模块3，将该热电偶的电压信号放大、冷端补偿、非线性校正后输出至两级信号放大模块4，经过第二级放大，信号被放大为0-5V/0-10V，该信号被A/D采集模块5采集，模拟信号被转变为数字信号后送给中央控制单元7，中央控制单元7将该信号存储；同时，热电偶温度采集模块3可以检测到热电偶的工作状态，将其送入断偶检测报警模块6，从而将断偶信号送至中央控制单元7。由中央控制单元7控制通道选择信号，切换至接地的通道，以上完成一个通道的温度采集。由中央控制单元7控制通道选择信号，切换至下一个通道，直至完成所有的信号通道的温度采集，再依次循环往复。

Claims (2)

1.一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统，包括：
安装在微重力流体实验装置中的n路热电偶(11)，用于产生微小输入信号，其中n为整数，1≤n≤7；
输入接口滤波电路(1)由2个独石电容组成，分别为0.1μ的独石电容和1.5μ的独石电容，用于对热电偶的微小输入信号进行滤波；
多通道切换模块(2)，采用了一片双8路模拟开关芯片，除一个通道接地外，余下7个通道中的n个通道与n路热电偶的n对差分信号一一对应；
热电偶温度采集模块(3)，采用了一片热电偶放大器AD595，用于对热电偶的微小信号进行线性化处理和冷端温度补偿，并经过非线性校正使得输出为线性的绝对温度；
稳压电源模块(8)向热电偶温度采集模块(3)提供+5V电压；
两级信号放大模块(4)用于放大热电偶温度采集模块的输出信号；
A/D采集模块(5)采集模拟量温度数据，转换为数字量数据；
中央控制单元(7)，用于接收A/D采集模块(5)的温度输出值和热电偶状态信号，并将温度数据和热电偶状态分别标以通道号储存，还输出通道选择信号给多通道切换模块(2)；
还包括断偶检测报警模块(6)，利用热电偶放大器AD595进行断偶检测，即热电偶温度采集模块(3)检测到热电偶的工作状态，将其送入断偶检测报警模块(6)，当某一路热电偶断线时，AD595会输出一个低电平，经过反相器和上拉电阻后变成高电平，直接输入至中央控制单元(7)中CPU的I/O口，CPU查询并记录，发出报警信号；从而将断偶信号送至中央控制单元(7)；
所述的热电偶(11)输出的电压弱小信号经过输入接口滤波电路(1)滤波后，连接至多通道切换模块(2)；对于选定的一个通道，热电偶的电压弱小信号经过多通道切换模块(2)送入热电偶温度采集模块(3)；随后经过两级信号放大模块(4)的放大，该信号被A/D采集模块(5)采集，最后输出的数字量数据被中央控制单元(7)存储，至此完成一次温度采集；
每完成一次上述温度采集后，就由中央控制单元(7)控制通道选择信号，切换至接地的通道，以上完成一个通道的温度采集；再由中央控制单元(7)控制通道选择信号，切换至下一个通道，直至完成所有的信号通道的依次选通采集，如此循环往复地完成微重力流体试验的多通道温度采集。
2.按权利要求1所述的适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统，其特征在于：所述的两级信号放大模块(4)为通用精密放大器，该两级信号放大模块(4)将热电偶微小信号经过放大，使信号输出电压范围在0-5V或0-10V。
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