CN111811676A - 一种高精度分布式测温系统 - Google Patents

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赵欣
李一凡
周宇鹏
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Abstract

本发明公开了一种高精度分布式测温系统，包括温度传感器组件、温度采集组件和热控下位机；温度传感器组件包括铂电阻、精密电阻、信号调理电路和封装壳体，铂电阻与精密电阻串联并安装在封装壳体内；铂电阻和精密电阻为温度量信号输入源，调理电路将温度量信号调理成电压信号供温度采集组件采集；温度传感器组件和温度采集组件均布置于控温对象处，温度采集组件采用1个以上，1个温度采集组件对应1～4个温度传感器组件；通过多路开关切换至不同的温度采集组件，采集铂电阻与精密电阻之间的电势差，并对电势差放大并转换成数字信号，将数字信号传递给热控下位机，经热控下位机计算得到测量温度。本发明有效提高了测温精度和稳定性。

Description

一种高精度分布式测温系统
技术领域
本发明涉及航天器测控温技术领域，具体涉及一种高精度分布式测温系统。
背景技术
电加热主动热控装置一般包括加热器、控制器和温度传感器，构成闭环控制回路，如图1所示。温度传感器用来获取被控对象的温度信号Tm；加热器提供热量，作为控制执行元件。控制器将获得的温度信号与设定值Td比较，从而获取误差信号e(k)＝Td-Tm，并结合温度控制算法，生成控制输出量u，控制加热器的工作状态。
控制器即控温仪，主要负责温度采集与控制，采用集中控温模式的航天器控温仪主要由测温模块和控温模块组成，其中包括测温输入电路、微处理器和输出功率驱动三部分组成，如图2所示。控温仪通过恒压源或恒流源、温度/电压转换、信号调理及模数转换器完成温度测量，微处理器根据实测温度Tm与控温目标温度Ts比较形成控温输入量，结合控温算法生成控制输出量，最后经功率驱动后控制加热器的通断。
加热控制所需能量E＝U×I×t，其中U为加热电压，I为加热电流，t为加热时间；调节U、I、t中任一因子即可达到调温的目的。因此航天器温度控制方式有两种：调节控温加热时间t；调节控温加热功率(U×I)。航天器上一般采用调节控温加热时间的控温方式，这种控温方式无需可控硅等电流调节器件，适合直流供电控制场合。
当前电加热主动控温体系，测量与控制是集成在一台单机内部，其主要优势在于资源整合，减小了CPU及外围电路的数量，易于小型化、通用化；但在高精高稳温度测量方面存在如下不足：
(1)宇航上应用的控温仪布置在舱内，其工作温度较宽，一般为-15℃～+50℃，导致系统温漂大，主要体现在基准电阻、放大器、基准电压源、恒流源、AD及其他器件的温漂。
(2)温度传感器与位于控温仪内部的温度采集电路距离远，可能需要电缆转接，存在接触电阻。
(3)远距离传输微弱测量信号(微伏级电压信号)，易受卫星舱内外周边环境的电磁干扰。
(4)温度采集电路、加热驱动电路均布置于控温仪内部，相互噪声干扰大。
(5)在高精度测温范畴，由于测温对象与测温线路所处热环境的差异，热电势造成的误差不可忽略。为消除这一影响，现有技术分别从两个方向(即激励电流的正负)测量热电阻两端电压求其平均值的方法，消除热电势的影响，增加了测量电路的复杂性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高精度分布式测温系统，有效地提高了测温精度和稳定性。
本发明采取的技术方案如下：
一种高精度分布式测温系统，所述测温系统包括温度传感器组件、温度采集组件和热控下位机；
所述温度传感器组件包括铂电阻、精密电阻、信号调理电路和封装壳体，铂电阻与精密电阻串联并安装在封装壳体内；铂电阻和精密电阻为温度量信号输入源，调理电路将温度量信号调理成电压信号供温度采集组件采集；
所述温度传感器组件和温度采集组件均布置于控温对象处，温度采集组件采用1个以上，1个温度采集组件对应1～4个温度传感器组件；通过多路开关切换至不同的温度采集组件，温度采集组件采集铂电阻与精密电阻之间的电势差，并对所述电势差放大并转换成数字信号，将数字信号传递给热控下位机，经热控下位机计算得到测量温度。
进一步地，所述温度传感器组件与放大器集成。
进一步地，所述温度传感器组件中的精密电阻布置于温度采集组件。
有益效果：
1、本发明将温度采集组件从控温仪中移出，与温度传感器组件共同布置于控温对象处，由于被控对象处于稳定的环境，因此，温度传感器组件和温度采集组件也处于一个温度较为稳定的环境中，消除了精密电阻的温漂对测温系统稳定性的影响，减小了连接温度传感器组件和温度采集组件的测温电缆两端温差引起的热电势；而且将温度传感器组件与温度采集组件就近布置，减小了测温电缆长度，避免了电缆转接产生的接触电阻对测温精度的影响，有效地提高了测温精度和稳定性，采用12位AD实现了测量精度优于0.01℃，而原方案仅能实现0.1℃。
2、本发明温度传感器组件与放大器集成，将微弱信号放大后再进行传输，提高系统的抗干扰能力，进一步减小了数字及供电信号对微弱测量信号(微伏级电压信号)的影响。
3、本发明将温度传感器组件中的精密电阻布置于温度采集组件，提高温度传感器的热响应时间。
附图说明
图1为电加热主动热控原理框图；
图2为现有航天器控温仪原理图；
图3为本发明测温系统组成框图；
图4为本发明测温系统另一实施例的组成框图；
图5为精密电阻的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种高精度分布式测温系统，如图3所示，该测温系统包括温度传感器组件、温度采集组件和热控下位机。温度传感器组件用于温度感知；温度采集组件用于测量温度传感器组件的阻值，并完成数字量量化，通过总线将数字量传递给热控下位机；热控下位机为温度采集组件提供5V、12V等二次电源，另外也可具备温度控制功能。
温度传感器组件包括铂电阻Rt、精密电阻RREF、信号调理电路和封装壳体，如图5所示，铂电阻Rt与精密电阻RREF串联，铂电阻Rt和精密电阻RREF作为信号输入源，调理电路将低信噪比温度量信号调理成高信噪比电压信号供温度采集组件采集。
温度采集组件包括信号采集与放大模块、AD转换及数据处理模块、通讯模块及供电模块。热控下位机通过供电模块为信号采集与放大模块、AD转换及数据处理模块供电。
温度传感器组件和温度采集组件均布置于控温对象处，温度采集组件采用1个以上，1个温度采集组件对应1～4个温度传感器组件；通过多路开关切换至不同的温度采集组件，采用恒流源为铂电阻和精密电阻提供激励电流，然后温度采集组件的信号采集与放大模块采集到铂电阻与精密电阻之间的电势差并对该电势差进行放大，然后通过AD转换及数据处理模块转换成数字信号，将数字信号通过总线传递给热控下位机，经热控下位机计算得到测量温度。基于测量铂电阻和精密电阻电势差的具体测温方法可参见专利“CN108458805A一种提高电阻型温度传感器测量精度的方法”。精密电阻即基准电阻。
如图4所示，1个热控下位机可以接收1～50个温度采集组件传递过来的数字量，并反算温度，完成温度测量。
进一步地，可将温度传感器组件与温度采集组件中的放大器集成，将微弱信号放大后再进行传输，提高系统的抗干扰能力。
进一步地，为提高温度传感器的热响应时间，可将温度传感器组件中的基准电阻布置于温度采集组件。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度分布式测温系统，其特征在于，所述测温系统包括温度传感器组件、温度采集组件和热控下位机；
所述温度传感器组件包括铂电阻、精密电阻、信号调理电路和封装壳体，铂电阻与精密电阻串联并安装在封装壳体内；铂电阻和精密电阻为温度量信号输入源，调理电路将温度量信号调理成电压信号供温度采集组件采集；
所述温度传感器组件和温度采集组件均布置于控温对象处，温度采集组件采用1个以上，1个温度采集组件对应1～4个温度传感器组件；通过多路开关切换至不同的温度采集组件，温度采集组件采集铂电阻与精密电阻之间的电势差，并对所述电势差放大并转换成数字信号，将数字信号传递给热控下位机，经热控下位机计算得到测量温度。
2.如权利要求1所述的高精度分布式测温系统，其特征在于，所述温度传感器组件与放大器集成。
3.如权利要求1所述的高精度分布式测温系统，其特征在于，所述温度传感器组件中的精密电阻布置于温度采集组件。
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