CN112577621A - 同轴热电偶冷端温度测量装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴热电偶冷端温度测量装置及系统，包括：接插件、测温传感器、导热介质及绝热层；接插件包括外壳和芯盘，芯盘固定于外壳中；多个同轴热电偶的冷端分别连接于芯盘上；测温传感器连接于芯盘；导热介质填充于外壳中且将测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘包裹在内，绝热层将导热介质包裹在内。本发明提高了同轴热电偶冷端测量精度，减小了冷端测量体积，能够满足飞行试验环境测量要求。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，更具体地，涉及一种同轴热电偶冷端温度测量装置及系统。
背景技术
同轴热电偶测温技术具有响应快、精度高等性能，被广泛应用于民品、航空、航天、船舶等领域。同轴热电偶冷端温度测量技术一直具有局限性，业内一般使用0°冰水混合物、PT100温度传感器间接测温或使用具有冷端输出的放大芯片进行测量，测量精度不高且体积较大。在飞行试验中，数据测量主要集中在头舱，测量需要克服两个难点，一是测量精度要求较高，冷端位置温度变化明显；二是安装空间有限。飞行试验中环境测量通道数要求数百个、测量精度要求极高，常规测量方式不能同时兼顾精度和体积。
因此期待研发一种同轴热电偶冷端温度测量装置及系统，克服测量精度低、冷端测量体积大、集成化不高等局限，实现多通道、集成化、高精度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种同轴热电偶冷端温度测量装置及系统，提高同轴热电偶冷端测量精度，减小冷端测量体积，以适应飞行试验环境测量要求。
为了实现上述目的，本发明提供一种同轴热电偶冷端温度测量装置，包括：接插件、测温传感器、导热介质及绝热层；
所述接插件包括外壳和芯盘，所述芯盘固定于所述外壳中，多个同轴热电偶的冷端分别连接于所述芯盘上；
所述测温传感器连接于所述芯盘；
所述导热介质填充于所述外壳中且将所述测温传感器、所述多个同轴热电偶的冷端及所述芯盘包裹在内，所述绝热层设置于所述导热介质与所述外壳之间且将所述导热介质包裹在内。
可选地，所述同轴热电偶冷端的正极和负极分别通过补偿导线焊接于所述芯盘上。
可选地，所述测温传感器的正极和负极分别通过引脚焊接于所述芯盘上，且所述测温传感器与所述芯盘贴合。
可选地，所述热电偶为镍铬-康铜热电偶。
可选地，所述导热介质的材质为硅橡胶，所述绝热层的材质为环氧树脂。
本发明还提供一种同轴热电偶冷端温度测量系统，包括：上述的同轴热电偶冷端温度测量装置、接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块；
所述同轴热电偶冷端温度测量装置的输出端通过所述接口保护模块连接于所述调理采集模块，所述调理采集模块的输出端连接于所述数据处理模块；
所述同轴热电偶冷端温度测量装置的测温传感器的输出端连接于所述调理采集模块，所述调理采集模块通过激励电流信号连接于所述测温传感器。
可选地，所述接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块集成设置于一块电路板上，所述同轴热电偶冷端温度测量装置通过所述接插件插装于所述电路板上。
可选地，所述调理采集模块包括集成运算放大器，所述接口保护模块包括TC+、TC-、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3；
所述TC+、所述TC-为输入端；
所述TC+连接同轴热电偶的正极，并通过所述电阻R1连接于所述集成运算放大器的正极；
所述TC-连接同轴热电偶的负极，并通过所述电阻R2连接于所述集成运算放大器的负极；
所述TC+通过所述电容C1接地，所述TC-分别通过所述电容C3和所述电阻R4接地；
所述电容C2和所述电阻R3并联于所述TC+和所述TC-之间。
可选地，所述集成运算放大器的增益为可调增益。
可选地，所述数据处理模块包括依次连接的信号接收器和信号处理器，所述信号接收器连接于所述调理采集模块的输出端，所述信号处理器的输出端设有平衡电压数字接口。
本发明的有益效果在于：
1、本申请的测量装置利用导热介质将测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘包裹在内，使测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘所处环境温度一致，利用绝热层将导热介质包裹在内，能够避免测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘所处环境温度发生突变，达到了同轴热电偶真实冷端与测温传感器测量冷端处于均匀温度环境中的目的，相当于使测温传感器无限接近同轴热电偶冷端位置，实现了高精度测量；通过通过导热介质及绝热层将多个同轴热电偶冷端和测温传感器集成于一个接插件中且使用一个测温传感器就可以同时测量多个同轴热电偶的冷端温度，减小了冷端测量体积，克服了传统同轴热电偶冷端测量精度不高、冷端测量装置体积大的局限。
2、本申请的测量系统通过同轴热电偶冷端温度测量装置将测温传感器与同轴热电偶冷端集成化，替换了传统使用冷端内置调理芯片的方法，并配合调理采集模块及数据处理模块实现系统的高度集成化，最终实现高精度同轴热电偶冷端测量，以此适应飞行试验环境测量要求；设置接口保护模块，能够对调理采集模块起到保护作用，降低调理采集电路功耗。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的同轴热电偶冷端温度测量装置的示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的同轴热电偶冷端温度测量系统的流程图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的接口保护模块的示意图。
附图标记说明
1、铜芯盘；2测温传感器正极；3、测温传感器；4、测温传感器负极；5、外壳；6、绝热层；7、导热介质；8；同轴热电偶负极、9同轴热电偶正极。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明公开了一种同轴热电偶冷端温度测量装置，包括：接插件、测温传感器、导热介质及绝热层；
接插件包括外壳和芯盘，芯盘固定于外壳中，多个同轴热电偶的冷端分别连接于芯盘上；
测温传感器连接于芯盘；
导热介质填充于外壳中且将测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘包裹在内，绝热层设置于导热介质与外壳之间且将导热介质包裹在内。
具体地，本申请的测量装置利用导热介质将测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘包裹在内，测温传感器、多个同轴热电偶冷端正负极、芯盘及导热介质形成导热热平衡，使测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘所处环境温度一致，利用绝热层将导热介质包裹在内，绝缘层与外壳形成绝热热平衡，能够避免测温传感器、多个同轴热电偶的冷端及芯盘所处环境温度发生突变，达到了同轴热电偶真实冷端与测温传感器测量冷端处于均匀温度环境中的目的，相当于使测温传感器无限接近同轴热电偶冷端位置，实现了高精度测量；通过通过导热介质及绝热层将多个同轴热电偶冷端和测温传感器集成于一个接插件中且使用一个测温传感器就可以同时测量多个同轴热电偶的冷端温度，减小了冷端测量体积，克服了传统同轴热电偶冷端测量精度不高、冷端测量装置体积大的局限。
作为可选方案，同轴热电偶冷端的正极和负极分别通过补偿导线焊接于芯盘上。
具体地，本装置最大限度的缩短了补偿导线的长度，提高了温度测量的精度。
作为可选方案，测温传感器的正极和负极分别通过引脚焊接于芯盘上，且测温传感器与芯盘贴合。
具体地，测温传感器的与芯盘紧密贴合，测温传感器的精度优选为万分之一精度。
作为可选方案，热电偶为镍铬-康铜热电偶。
具体地，镍铬-康铜热电偶为由正极为NiCr10的合金丝与负极为CuNi45(康铜)的合金丝组成的热电偶，为国际标准化热电偶，分度号为E。最高使用温度长期为750℃，短期为900℃，分度表温区为-270～1000℃，900℃热电势为68.783mV。其特点是在-250～1000℃范围内，为国际已标准化的热电偶中灵敏度最高的，热电偶的两极在室温都是无磁性的合金。这种热电偶的热电势-温差关系线性好(室温以上)，重复性好，耐蚀性好，是-253～800℃工作性能最佳的中、低温热电偶。适于在氧化、惰性气氛中工作，但不适于在含硫气氛中工作。常在石油、化工、航空、核工业等部门应用。
进一步地，同轴热电偶也可选K、T、B型等传统热电偶。
作为可选方案，导热介质的材质为硅橡胶，绝热层的材质为环氧树脂。
本发明还提供一种同轴热电偶冷端温度测量系统，包括：上述的同轴热电偶冷端温度测量装置、接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块；
同轴热电偶冷端温度测量装置的输出端通过接口保护模块连接于调理采集模块，调理采集模块的输出端连接于数据处理模块；
同轴热电偶冷端温度测量装置的测温传感器的输出端连接于调理采集模块，调理采集模块通过激励电流信号连接于测温传感器。
具体地，本申请的测量系统通过同轴热电偶冷端温度测量装置将测温传感器与同轴热电偶冷端集成化，替换了传统使用冷端内置调理芯片的方法，并配合调理采集模块及数据处理模块实现系统的高度集成化，最终实现高精度同轴热电偶冷端测量，以此适应飞行试验环境测量要求；设置接口保护模块，能够对调理采集模块起到保护作用，降低调理采集电路功耗。
同轴热电偶冷端温度测量装置与接口保护模块通过板内铜导线连接。
作为可选方案，接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块集成设置于一块电路板上，同轴热电偶冷端温度测量装置通过接插件插装于电路板上。
具体地，接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块集成设置于一块电路板上，用接插件作为同轴热电偶冷端温度测量装置与电路板连接的载体，最大限度缩短了真实冷端与数据处理模块之间导线距离，提高了测量精度，减小了冷端测量装置的体积，降低了硬件成本，提高测量冷端精度，方便可靠，便于拆卸及安装。
作为可选方案，调理采集模块包括集成运算放大器，接口保护模块包括TC+、TC-、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3；
TC+、TC-为输入端；
TC+连接同轴热电偶的正极，并通过电阻R1连接于集成运算放大器的正极；
TC-连接同轴热电偶的负极，并通过电阻R2连接于集成运算放大器的负极；
TC+通过电容C1接地，TC-分别通过电容C3和电阻R4接地；
电容C2和电阻R3并联于TC+和TC-之间。
具体地，接口保护模块中的电阻R1、电阻R2、、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3构成滤波抗干扰的功能，电阻R3构成断路热保护功能；其具有抗干扰、低噪声性能，解决了多通道调理采集模块电磁兼容性问题，避免电磁干扰导致测量精度下降。
作为可选方案，集成运算放大器的增益为可调增益。
具体地，采用可调增益，能够适用不同类型的同轴热电偶。
进一步地，调理采集模块的采集部分采用过采样设置，增加采样精度；采集后数据经过SPI总线传输给数据处理模块。
作为可选方案，数据处理模块包括依次连接的信号接收器和信号处理器，信号接收器连接于调理采集模块的输出端，信号处理器的输出端设有平衡电压数字接口。
具体地，信号接收器(FPGA)连接于调理采集模块的输出端，负责数据接收和发送，信号处理器(DSP)负责数据解码运算编码，并通过平衡电压数字接口输出。
实施例1
图1示出了本实施例的同轴热电偶冷端温度测量装置的示意图。
如图1所示，本实施例的同轴热电偶冷端温度测量装置，包括：接插件、测温传感器3、导热介质7及绝热层6；
接插件包括外壳5和铜芯盘1，铜芯盘1固定于外壳5中；
多个同轴热电偶冷端的同轴热电偶正极9和同轴热电偶负极8分别通过补偿导线焊接于铜芯盘1上，焊接点即为同轴热电偶真实冷端；测温传感器3的测温传感器正极2和测温传感器负极3分别通过引脚焊接于铜芯盘1上，且测温传感器3紧贴于铜芯盘1，测温传感器3的感温面即为同轴热电偶测量冷端；本装置可连接30～100路(可调节)同轴热电偶，测量传感器3可使用一只；
导热介质7填充于外壳5中且将测温传感器3、多个同轴热电偶的冷端及铜芯盘1包裹在内，绝热层6设置于导热介质7与外壳5之间且将导热介质7包裹在内。
在本实施例中，热电偶选用镍铬-康铜热电偶，E型，型号为E20PL11，补偿导线线经小于1mm，测温传感器3选用万分之一精度PT100温度传感器，导热介质7选择道康宁160双组合硅橡胶，绝热层6选择环氧树脂DG-3S材质，接插件选用中航光电生产的J30J系列66芯连接器。
飞行试验环境测量过程中，测温传感器3的测温传感器正极2、和测温传感器负极4焊接到接插件铜芯盘1，同轴热电偶正极9、同轴热电偶负极8焊接到接插件铜芯盘1，测温传感器3紧贴接插件铜芯盘1，通过导热介质7使得铜芯盘1、测温传感器3、同轴热电偶正极9、同轴热电偶负极8所处环境温度一致，绝热层6保证导热介质7包裹部分不发生环境温度突变，最终实现测温传感器3测量温度与同轴热电偶正极9焊点、同轴热电偶负极8焊点处温度一致，提高了测量精度；通过通过导热介质7及绝热层6将多个同轴热电偶冷端和测温传感器3集成于一个接插件中且使用一个测温传感器3就可以同时测量多个同轴热电偶的冷端温度，减小了冷端测量体积，克服了传统同轴热电偶冷端测量精度不高、冷端测量装置体积大的局限。
实施例2
图2示出了本实施例的同轴热电偶冷端温度测量系统的示意图；图3示出了本实施例的接口保护模块的示意图。
如图2所示，本实施例的同轴热电偶冷端温度测量系统，包括：实施例1中的同轴热电偶冷端温度测量装置、接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块；同轴热电偶冷端温度测量装置的输出端通过接口保护模块连接于调理采集模块，调理采集模块的输出端连接于数据处理模块；其中，接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块集成设置于一块印制电路板(PCB)上，同轴热电偶冷端温度测量装置通过接插件插装于印制电路板上，同轴热电偶冷端温度测量装置与接口保护模块通过板内铜导线连接。
同轴热电偶冷端温度测量装置主要用于提供冷端测温环境，实现同轴热电偶冷端恒温测量；接口保护模块具有断路热保护、低功耗、高精度等功能；调理采集模块提供测温传感器电流激励，并将测温传感器、同轴热电偶数据进行放大/变换；调理采集后的数据通过SPI总线输出给数据处理模块(FPGA+DSP)；FPGA通过SPI总线采集调理采集模块中AD数据，并输出给DSP进行数据多级公式变换形成物理量数据，并通过平衡电压数字接口(422)输出。
本方法通过同轴热电偶冷端温度测量装置，将测温传感器与同轴热电偶冷端集成化设计，替换了传统使用冷端内置调理芯片的方法，并使用FPGA+DSP数据处理模块进行高度集成化，最终实现高精度同轴热电偶冷端测量，以此适应飞行试验环境测量要求。
同轴热电偶冷端温度测量装置的测温传感器的输出端连接于调理采集模块，调理采集模块通过激励电流信号连接于测温传感器。
在本实施例中，调理采集模块的集成运算放大器的增益为可调增益，调理采集模块输入范围100mv～500mv，集成运放选用AD8421，调节电阻使用高精度电阻，可有效降低白噪声，提升采集精度；AD采集芯片选用AD7616，输入端选用差分±10V，单芯片可实现16路同时采集，并使用过采样，最大可实现单路200kHz采样，增加采样精度；FPGA选用AlteraEP4CE22E2217N，DSP选用TI系列的ARM处理器AM3358x，该处理器是一款高性能的Cortex-A8架构处理器，最高运行频率可达1GHz，系统在低功耗运行的同时拥有高性能，并保证数据运算可靠性。
如图3所示，接口保护模块包括TC+、TC-、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3；TC+、TC-为输入端；TC+连接同轴热电偶的正极，并通过电阻R1连接于集成运算放大器的正极；TC-连接同轴热电偶的负极，并通过电阻R2连接于集成运算放大器的负极；TC+通过电容C1接地，TC-分别通过电容C3和电阻R4接地；电容C2和电阻R3并联于TC+和TC-之间。
电阻R1、电阻R2、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3构成滤波功能。当同轴热电偶出现断路时，在封闭舱内同轴热电偶导线会充当天线，产生共模或差模干扰会影响系统电磁兼容性，间接影响传感器通道；当同轴热电偶外壳与舱体外壳搭接时，会导致调理采集模块二次电源与舱体外壳搭接，飞行过程中，舱体外壳会导致放大器供电电压不稳定，精度会明显下降，滤波电路会有效抑制本现象；
电阻R3进行电路热保护，在输入端无模拟量输入时，电阻R3开始工作，防止放大器倒灌电流引起器件温升，导致功耗增加，电阻R3可有效降低故障状态下放大器的发热量。
在本实施例中，根据电路特性电阻R1、电阻R2选择33Ω，电容C1、电容C3选择0.01uF，电容C2选择0.1uF，根据放大器抑制干扰特性电阻R4选择20MΩ，断路保护电阻R3选择100kΩ。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种同轴热电偶冷端温度测量装置，其特征在于，包括：接插件、测温传感器、导热介质及绝热层；
所述接插件包括外壳和芯盘，所述芯盘固定于所述外壳中，多个同轴热电偶的冷端分别连接于所述芯盘上；
所述测温传感器连接于所述芯盘；
所述导热介质填充于所述外壳中且将所述测温传感器、所述多个同轴热电偶的冷端及所述芯盘包裹在内，所述绝热层设置于所述导热介质与所述外壳之间且将所述导热介质包裹在内。
2.根据权利要求1所述的同轴热电偶冷端温度测量装置，其特征在于，所述同轴热电偶冷端的正极和负极分别通过补偿导线焊接于所述芯盘上。
3.根据权利要求1所述的同轴热电偶冷端温度测量装置，其特征在于，所述测温传感器的正极和负极分别通过引脚焊接于所述芯盘上，且所述测温传感器与所述芯盘贴合。
4.根据权利要求1所述的同轴热电偶冷端温度测量装置，其特征在于，所述热电偶为镍铬-康铜热电偶。
5.根据权利要求1所述的同轴热电偶冷端温度测量装置，其特征在于，所述导热介质的材质为硅橡胶，所述绝热层的材质为环氧树脂。
6.一种同轴热电偶冷端温度测量系统，其特征在于，包括：权利要求1-5中任意一项所述的同轴热电偶冷端温度测量装置、接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块；
所述同轴热电偶冷端温度测量装置的输出端通过所述接口保护模块连接于所述调理采集模块，所述调理采集模块的输出端连接于所述数据处理模块；
所述同轴热电偶冷端温度测量装置的测温传感器的输出端连接于所述调理采集模块，所述调理采集模块通过激励电流信号连接于所述测温传感器。
7.根据权利要求6所述的同轴热电偶冷端温度测量系统，其特征在于，所述接口保护模块、调理采集模块及数据处理模块集成设置于一块电路板上，所述同轴热电偶冷端温度测量装置通过所述接插件插装于所述电路板上。
8.据权利要求6所述的同轴热电偶冷端温度测量系统，其特征在于，所述调理采集模块包括集成运算放大器，所述接口保护模块包括TC+、TC-、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3；
所述TC+、所述TC-为输入端；
所述TC+连接同轴热电偶的正极，并通过所述电阻R1连接于所述集成运算放大器的正极；
所述TC-连接同轴热电偶的负极，并通过所述电阻R2连接于所述集成运算放大器的负极；
所述TC+通过所述电容C1接地，所述TC-分别通过所述电容C3和所述电阻R4接地；
所述电容C2和所述电阻R3并联于所述TC+和所述TC-之间。
9.据权利要求8所述的同轴热电偶冷端温度测量系统，其特征在于，所述集成运算放大器的增益为可调增益。
10.据权利要求6所述的同轴热电偶冷端温度测量系统，其特征在于，所述数据处理模块包括依次连接的信号接收器和信号处理器，所述信号接收器连接于所述调理采集模块的输出端，所述信号处理器的输出端设有平衡电压数字接口。
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2020
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