CN101881742B - 多通道热导率测量装置 - Google Patents

多通道热导率测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多通道热导率测量装置,包括两路独立电源模块、上位机、主控模块、光耦隔离模块、热脉冲控制与激发模块、多通道控制模块和温度采集模块。上位机通过USB分别与主控模块的单片机和温度采集模块中的万用表连接;单片机的每个I/O都采用了光耦隔离后分别与热脉冲控制与激发模块、多通道控制模块和温度采集模块连接;本装置设有两处恒流源电路,采用闭环反馈实现功率恒值输出,多通道控制模块分加热和测量模块,均有8路通道,通过主控模块选择任一通道进行数据实时采集、保存和计算。本装置具有方便测量、误差小、效率高等优点,达到高精度热导率测试的要求,本装置还可用于固体、粉末、生物组织等热导率的测试和研究。

Description

多通道热导率测量装置
所属技术领域
本发明涉及一种多通道热导率测量装置,具体地说是一种主要适用于岩石热导率的测量,也可应用于固体、粉末、生物组织等热导率的测试和研究的装置。
背景技术
岩石热导率测量的方法可分为稳态测量和非稳态测量两大类。其中稳态测试是测量岩石热导率的主要方法。然而,由于地热研究工作逐步扩展到不同地质区和工程应用领域,所得岩样中有相当一部分是较松软的泥岩、页岩和弱胶结的砂岩等,无法加工成稳态测试方法所要求的岩饼或圆盘。有时因钻探技术或岩石性质的限制,必须开展原位测试或就近测量,加之近年来对岩石在原状或饱水状态下进行热导率测量的需求日益迫切。上述种种因素使得稳态测试方法无法很好地适应各种条件下岩石热导率测量的要求,因此专家学者们提出了非稳态的测试方法。而且非稳态测试方法具有测量速度快,岩样制备加工量小,易于从实验室测定方法改型为原位的热导率测量方法和技术等特点。
岩石热导率的非稳态测试方法中,应用最广泛的是中心线热源法。由中心线热源法的理论推导出热导率的计算公式为                                                
Figure 2010102318010100002DEST_PATH_IMAGE001
,式中,
Figure 2010102318010100002DEST_PATH_IMAGE002
为待测定的介质热导率,为单位长度线热源的发热功率,单位
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Figure 2010102318010100002DEST_PATH_IMAGE006
分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure 2010102318010100002DEST_PATH_IMAGE008
时刻对应的温度值;公式推导过程见《岩石热物理性质及其测试》沈显杰等著。但是目前测量岩石的热导率的电路系统一般为单通道测量系统,由于热导率的测量要在温度稳定的环境中进行,因此每次测量等待环境温度平衡的时间过长,工作效率低,另外测量系统存在噪声和纹波干扰多,测量误差大等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题,设计一种以非稳态测试方法的中心线热源法为理论依据进行的多通道热导率测量装置,装置采用了多通道控制加热和测量的技术,具有结构合理,热激发功率恒定、抑制干扰纹波强、噪声小、测量精度高和工作效率高,能快速准确地测量岩石的热导率等优点。
本发明必须解决加热控制,通道选择与控制,温度采集、抗干扰等方面的技术。根据热导率的推导公式,热激发功率必须恒定,因此要求装置的各电路中各通道的加热功率在整个加热过程中必须尽可能保持恒定,同时为了提高单位时间内工作效率,本装置采用了多通道的测量设计,以解决单通道测量长时间等待环境温度平衡,致使工作效率低下的问题,为了保证测量结果的准确可靠,各通道除了能够稳定切换,还应该彼此互相匹配,即通过任一通道测得的热导率值在测量误差允许范围之内保持一致。本发明的测量装置在设计过程中始终遵循的原则是尽可能的提高精度,因此如何控制误差,减小噪声和纹波,以及抑制干扰,都是设计中要解决的关键问题。
为了达到上述目的和解决上述问题,本发明采取的技术方案是:提供一种多通道热导率测量装置,包括电源模块、主控模块、光耦隔离模块、热脉冲控制与激发模块和温度采集模块,还设有多通道控制模块和上位机;
所述电源模块设有两路独立的电源,提供-5V和20V的电压,其中20V电压经过稳压芯片分压得到5V电压,变压器内部通过线圈隔离;电源设置了滤波电容和指示灯,电源为各模块供电;
所述主控模块的单片机,每个I/O都采用了光耦隔离后分别与热脉冲控制与激发模块、多通道控制模块和温度采集模块连接;
所述的热脉冲控制与激发模块含有功率校检模块、DA转换模块、高精度恒流源电路和电热丝模块,功率校检模块和DA转换模块分别接在光耦隔离模块后,DA转换模块还与高精度恒流源电路连接;
所述的多通道控制模块由多通道加热控制模块和多通道测温控制模块组成,多通道加热控制模块受热脉冲控制与激发模块中的高精度恒流源电路控制,多通道加热控制模块与电热丝连接;多通道测温控制模块受温度采集模块中的微安级恒流源电路控制,多通道测温控制模块与热敏电阻连接;
所述的温度采集模块含有微安级恒流源电路、数据采集模块、热敏电阻和万用表,微安级恒流源电路连接光耦隔离模块与多通道测温控制模块,多通道测温控制模块与热敏电阻连接,万用表连接电热丝和热敏电阻,含有8路电热丝和热敏电阻通道,可以选择任意一个通道进行加热或测量;
所述的上位机通过USB分别与主控模块的单片机和温度采集模块中的万用表连接。
本发明的多通道热导率测量装置,所述主控模块中的单片机选用C8051F340,单片机的每个I/O都采用了光耦隔离输出,光耦隔离采用高速光耦系列芯片PS2501-4。所述万
用表选用Agilent34411A型数字万用表,为六位半万用表。
本发明多通道热导率测量装置,所述主控模块的单片机通过光耦隔离、DA转换和恒流源电路输出大小可调的电流;同时通过单片机控制多通道控制模块,分别选择任意一个通道的电热丝和热敏电阻进行加热和温度测量,并进行数据的实时采集、保存和计算出热导率。
本发明的多通道热导率测量装置,所述的多通道控制模块含有8路电热丝和热敏电阻通道,各通道之间参数一致且彼此不受干扰。所述的多通道控制模块通过单片机可以对每一路通道单独控制,测量电热丝中流过电流产生热量和热敏电阻感应温度的变化,测量系统根据加热的功率和采集的温度值计算热导率。
本发明有两处恒流源电路,一处在热脉冲控制与激发模块中用于控制多通道加热控制模块加热电热丝,恒流源加热采用闭环反馈的方式实现加热功率的恒定,可以实时采集恒流源电路的输出功率,进行功率校验以保证恒功率激发;另一处在温度采集模块中用于测量温度,电路中采用了微安级恒流源电路激励热敏电阻,万用表测量各通道热敏电阻阻值,将测得的电阻参数值转换为电压值的测量来实现温度采集。与以往采用单一的恒流源电路相比,单一的恒流源电路中尽管采用恒流源的方式进行加热,但加热的过程中随着电热丝温度的升高,其电阻值会发生变化,这样一来,单一的恒流源加热就无法保证加热功率的恒定。而本发明为了保证恒功率加热,设计的电路采用了精密电阻来采集电热丝所在回路的电流,同时,采用了闭环反馈的形式,实时采集电热丝的功率,在算法上进行补偿,以达到加热功率的恒定激发。
所述主控模块中的单片机选用C8051F340;单片机通过DA转换和恒流源电路输出大小可调的电流;通过单片机控制,分别选择任意一个通道进行加热和温度测量,并对数据进行实时采集、保存和计算热导率。为了提高单片机的抗干扰性,所述的单片机每个I/O都采用了光耦隔离输出,来实现数字信号和模拟信号的隔离,光耦隔离采用高速光耦系列芯片PS2501-4,以提高I/O口的通讯速度。
本发明所述的热敏电阻和电热丝在电路中分别属于不同的模块,电热丝属于热脉冲控制与激发模块,热敏电阻属于温度采集模块,但是在本装置中电热丝和热敏电阻二者是封装在测量探针之内,本装置中共有8支测量探针,每一支测量探针内部封装了一个热敏电阻和一根电热丝。
本发明多通道热导率测量装置具有如下优点:
1、本发明的多通道热导率测量装置,是根据设定输出恒定的功率对电热丝加热并且实时采集加热过程中的温度值,采用了多通道控制加热和测量的设计,克服了以往单通道测量每次测量需要长时间等待环境温度平衡的过程致使工作效率低下的弊病,本装置可以快速准确的测量岩石热导率,提高了工作效率。
2、本发明的装置对元器件进行的合理选型,对电路进行科学设计,如选用高精度的运算放大器,采用四线式的方法测量电阻,在电路中采用滤波电容,光耦隔离等方式的抗干扰措施,利用场效应管的开关作用实现通道的选通与关闭,使装置的抗干扰性、使用寿命和准确度都能够得到保证和提高。
3、本发明的测量装置将各待测电流、电阻参数量均转换为电压值的测量,因此简化了测量的操作,避免了万用表的换挡操作,大大提高了测量的效率。
4、本发明测量装置的8路通道彼此互相匹配,并且可以准确可靠的切换,经过实验检测,在精度指标上,各测量数据真实值与理论值之间的误差均在±3‰以内,可以很好的达到岩石热导率测试的精度要求。
5、本发明测量装置所设计的热源激发功率可以很好的应用于实验室或者原位测试岩石的热导率研究和测试,也可以很好地适用于其他固体、粉末、生物组织等的热传导性质研究和测试。
附图说明
图1为本发明多通道热导率测量装置系统的结构框图。
图2为电源系统的电路图。
图3为主控模块的电路图。
图4为可控恒流源加热的电路图。
图5为加热通道选择模块的电路图。
图6为温度测量及其通道选择模块的电路图。
图7为温度采集模块中的数据采集模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步详述。
实施例1:本发明一种多通道热导率测量装置,结构如图1,包括电源模块、上位机、主控模块、光耦隔离模块、热脉冲控制与激发模块、多通道控制模块和温度采集模块;
上位机通过USB分别与主控模块的单片机和温度采集模块中的六位半万用表连接;
主控模块中的单片机每个I/O都通过光耦隔离后,分别与热脉冲控制与激发模块、多通道控制模块和温度采集模块连接;
热脉冲控制与激发模块含有功率校检模块、DA转换模块、高精度恒流源电路和电热丝,功率校检模块和DA转换模块分别接在光耦隔离模块后,DA转换模块与高精度恒流源电路连接;
多通道控制模块由多通道加热控制模块和多通道测温控制模块组成,多通道加热控制模块受热脉冲控制与激发模块中的高精度恒流源电路控制,多通道加热控制模块与电热丝连接,多通道测温控制模块受温度采集模块中的微安级恒流源电路控制,多通道测温控制模块与热敏电阻连接;
温度采集模块含有微安级恒流源电路、数据采集模块、热敏电阻和万用表,微安级恒流源电路连接光耦隔离模块与多通道测温控制模块,多通道测温控制模块与热敏电阻连接,万用表连接电热丝和热敏电阻,含有8路电热丝和热敏电阻通道,可以选择任意一个通道进行加热或测量;电热丝和热敏电阻的每一路通道都可通过单片机单独控制,各通道之间参数一致且彼此不受干扰,相互之间不受影响。
参见图2,本发明的测量装置,设有两路独立的-5V和20V电源,所述电源采用两路输出的变压器,经过整流滤波得到稳定的-5V和20V电压;
-5V电源的稳压芯片采用TL1963,电阻R7和电位器R49用于调节其稳压输出的电压值;电容C1,C2,C3,C17,C18为滤波电容,用于减小电路纹波,抑制噪声。图中的发光二极管与电阻串联,起指示灯的作用。
20V电源的稳压芯片采用LT317,图中电阻电容的作用和稳压原理的实现与-5V电源系统类似。20V电压经过稳压芯片LP2950分压得到5V电压,5V电源也设置了滤波电容和指示灯;本模块中的C3和C6采用钽电容,这样可以大大降低电路的噪声。电源为装置的其他模块供电。
如图3所示,本发明的主控模块中的单片机选用C8051F340,选用这款单片机的原因是C8051F340具有通用串行总线(USB)功能的控制器,可以通过简单的电路实现USB通讯,也可进行片上仿真、编程和调试,另外片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件,而且具有较多的I/O口,编程方式与指令结构和传统的C51单片机兼容,总体而言,价格低廉,性能优越,非常适宜于本发明中多通道数据采集和传输的应用。
为了提高单片机模块的抗干扰性,每个I/O都采用了光耦隔离输出,来实现数字信号和模拟信号的隔离。光耦隔离采用高速光耦系列芯片PS2501-4,以提高I/O口的通讯速度。单片机既可使用外部电源供电,也可采用USB供电的方式,由于本发明中单片机要与上位计算机进行USB通信,因此采用USB供电的方式,以免多设计一路电源。
本发明采用的可控恒流源加热的电路参见图4,根据所需的恒流电路的电流值,首先通过单片机计算出对应的电压值,由DA转换环节输出电压,经过滤波电路的处理、误差放大、功率放大、电流检测比较放大以及电压电流转换等环节,在负载电阻所在回路输出恒定的电流。单片机通过编程控制电路中的P1.5、P1.6和P1.7的状态来使DAC8560的VOUT口输出设定的电压值,此电压经过R42和C33组成的一阶低通滤波器送至运算放大器OP27的同相输入端,运放输出端接负载,即达林顿二极管TIP142,电流采样电阻Rs1将输出电流转换为电压,进入运放的反向输入端构成负反馈。图中:Rs1为采样电阻,需采用初始精度高,温度漂移系数低的精密电阻;R1为电热丝,电热丝在被加热的过程中温度会升高,电阻值会变化,如果采用单一的恒流源电路,就达不到加热功率的恒定,此处采用精密电阻Rb来采集电热丝所在回路的电流,将此电流值实时地反映到单片机,进行功率校验,不断调整恒流源的输出电流,从而保证电热丝的加热功率恒定。
参见图5,为加热通道选择模块的电路图。电路中应用了场效应管的开关功能,来实现通道的选通和关闭。场效应管选用IRF7328,当单片机的P0口送出低电平的时候,场效应管的栅极也为低电平,由于其源极与20V电源相连,因此栅极源极之间的压差超过了场效应管的开启电压,场效应管此时处于导通状态,1通道就处于导通状态。当单片机的P0口送出高电平的时候,场效应管的栅极为高,而由于其源极恒为高,无法满足开启条件,此时通道1就处于关断状态。
本发明的装置场效应管选用IRF7328,是根据IRF7328的芯片其栅极源极压差超过10V时,场效应管开启,漏极输出电压即带负载能力为8.0A,完全满足热导率测量电路所需的电流。当满足开启电压时,漏极源极之间的电阻即场效应管的内阻不超过21
Figure DEST_PATH_IMAGE009
,远小于电热丝的电阻14
Figure DEST_PATH_IMAGE010
;当满足开启电压时,栅极漏极之间流过的电流为100μA,远小于电热丝的最小加热电流30mA。因此采用场效应管作为开关,完全满足精度要求,而且其开关建立时间小于微秒级,速度远远高于常规的继电器方式。
参见图6,为温度采集及其通道选择模块的电路图。在大多数的采集环境温度下,热敏电阻的阻值一般都在数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
至数百
Figure 541226DEST_PATH_IMAGE011
之间,这个级别的电阻直接进行测量存在难以测
准的问题,而且需要测量较长的时间才能稳定。因此此处引进了用微安级恒流源激励电阻,再通过测电阻两端电压的方式来间接获取电阻值的方法。此处恒流源的基本原理与图4所示相类似,不同的是此处的恒流源电流值为恒定的25μA。图中MAX6126为基准电压源,输出电压为2.5V,根据运放的虚短虚断原理,精密电阻R4(100)两端的压差为2.5V,因此流过R4的电流为25μA,即为热敏电阻的激励电流。此电流流过R4会在其两端产生压降,通过测量此压降,即电路中TEST-R-A和TEST-R-B两节点之间的电压,就可算出热敏电阻的阻值。图6所示电路中包含了通道选择电路,其实现方式和加热通道的选择方式类似。
实际上此处算出的热敏电阻的阻值还包括场效应管的导通内阻,由于这个内阻(不超过21
Figure 300420DEST_PATH_IMAGE009
)远小于热敏电阻的阻值(数
Figure 508679DEST_PATH_IMAGE011
以上),因此对精度的影响远远小于1‰。
如图7所示,是温度采集模块中的数据采集模块电路图。系统要求采集8段电热丝两端的电压,直接的测量过程是将万用表的黑表笔固定在Uo点,红表笔分别移到U01~U08各测试点。模拟开关DG408的作用是将U01~U08这8个测试点集中到Ui这一个测试点上。除了电热丝的电压以外,系统还要求采集采样电阻Rb和热敏电阻R两端的电压,将这三组电压的测量点相应地接到模拟开关DG409的三组差分输入端,只需将万用表的表笔固定在输出端就可编程实现三组电压信号的轮流采集,从而通过电路和软件的方式代替了万用表表笔的移动。
对比电热丝电压的测量和热敏电阻电压的测量就会发现,两者都有8个通道的选择,但测量方式不一样,前者多加了一级模拟开关。原因是因为电热丝的电阻是14
Figure 323051DEST_PATH_IMAGE010
左右,因此导线电阻不能忽略,所以要用四线制测量的方式;而热敏电阻是级的,导线电阻以及模拟开关的内阻均可以忽略(实际测量中发现内阻几乎为零)。另外,如果只用一片模拟开关的话,很难找到11个通道以上的高精度的模拟开关。
此处用两片模拟开关可以使万用表很方便地实现各参数的测量,而不用将红黑表笔切换到各待测点。另外,由于使用图6所示的微安级恒流源激励的方式测量热敏电阻,将电阻的测量转化为电压的测量,从而使得各待测量值均转换为测量电压值,因此避免了万用表的换挡操作,大大提高了测量的效率。图6中采用25μA的恒流源进行激励,也是综合考虑了这些因素,万用表的电压档在大部分情况下都不用换量程即可完成整个测量过程。
实施例2:应用实施例1本发明的多通道热导率测量装置对岩石热导率进行测量,测量工作过程是:
①首先将探针插入岩石介质中;
②打开上位机与单片机,运行测量软件,装置中温度采集模块首先判断环境温度是否稳定;
③满足温度平衡条件后,首先根据岩石介质在上位机设置相应的加热功率;
④单片机通过场效应管的开关作用实现通道的选通,装置通过高速单片机控制高精度恒流源产生电流,电流经过选通的通道流经电热丝,产生热量;
⑤单片机控制模拟开关实现各处电压测量的切换,分别采集采样电阻Rb、RS1和热敏电阻R1两端的电压,将这三组电压的测量点相应地接到模拟开关DG409的三组差分输入端,将Agilent34411A型数字万用表的表笔固定在输出端就可按所编程序实现三组电压信号的轮流采集,从而通过电路和软件的方式代替了万用表表笔的移动;上位机不断地与单片机和万用表进行反馈控制来维持加热功率的恒定,万用表通过高精度热敏电阻实时采集加热的温度值;
⑥上位机根据加热功率与采集到的温度值进行插值拟合处理,并根据与之对应的温度关系,对采集的数据温度以VC6.0为编程平台,利用SAM算法实现热导率测试数据的后续处理工作,计算出介质的热导率。
本发明的测量装置采用了多通道控制技术,可以快速准确的测量岩石热导率,提高了测量效率,同时各测量数据真实值与理论值之间的误差在±3‰以内,测量精度高。本发明的测量装置具有结构合理,热激发功率恒定、抑制干扰纹波强、噪声小、测量精度高和测量岩石的热导率快速准确等优点,可以很好的应用于实验室或者原位测试岩石的热导率研究和测试,也可适用于其他固体、粉末、生物组织等的热传导性质研究和测试。

Claims (4)

1.一种多通道热导率测量装置,包括电源模块、主控模块、光耦隔离模块、热脉冲控制与激发模块和温度采集模块,其特征在于:还设有多通道控制模块和上位机;
所述电源模块设有两路独立的电源,提供-5V和20V的电压,其中20V电压经过稳压芯片分压得到5V电压,变压器内部通过线圈隔离;电源设置了滤波电容和指示灯,电源为各模块供电; 
所述主控模块的单片机 ,每个 I / O 都采用了光耦隔离后分别与热脉冲控制与激发模块、多通道控制模块和温度采集模块连接; 
所述的热脉冲控制与激发模块含有功率校检模块、DA转换模块、高精度恒流源电路和电热丝模块,功率校检模块和DA转换模块分别接在光耦隔离模块后,DA转换模块还与高精度恒流源电路连接;
所述的多通道控制模块由多通道加热控制模块和多通道测温控制模块组成,多通道加热控制模块受热脉冲控制与激发模块中的高精度恒流源电路控制,多通道加热控制模块与电热丝连接;多通道测温控制模块受温度采集模块中的微安级恒流源电路控制,多通道测温控制模块与热敏电阻连接;
所述的温度采集模块含有微安级恒流源电路、数据采集模块、热敏电阻和万用表,微安级恒流源电路连接光耦隔离模块与多通道测温控制模块,多通道测温控制模块与热敏电阻连接,万用表连接电热丝和热敏电阻,含有8路电热丝和热敏电阻通道,可以选择任意一个通道进行加热或测量;
所述的上位机通过USB分别与主控模块的单片机和温度采集模块中的万用表连接。
2.根据权利要求1所述的多通道热导率测量装置,其特征在于 :所述主控模块中的单片机选用C8051F340,单片机的每个I/O都采用了光耦隔离输出,光耦隔离采用高速光耦系列芯片PS2501-4。
3.根据权利要求1所述的多通道热导率测量装置,其特征在于:所述主控模块的单片机通过光耦隔离、DA转换和恒流源电路输出大小可调的电流;同时通过单片机控制多通道控制模块,分别选择任意一个通道的电热丝和热敏电阻进行加热和温度测量,并进行数据的实时采集、保存和计算出热导率。
4.根据权利要求1所述的多通道热导率测量装置,其特征在于:所述的多通道控制模块含有8路电热丝和热敏电阻通道,各通道之间参数一致且彼此不受干扰。 
 
 
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