基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统

滕士雷，孔喜梅

（1.无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028；2.无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151）

基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统

滕士雷1，孔喜梅2

（1.无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028；2.无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151）

为了更方便地测试热电偶时间常数，设计了一套热电偶时间常数测试系统,包括工控机、信号调理电路、A/D采集、数据采集处理软件和打印机等。根据热电偶对阶跃温度的响应，提出了一种全新的热电偶时间常数测试方法，设计功能完善的信号调理电路，通过PCL818L数据采集卡将采集的数据送交上位机应用软件进行分析处理，得到所需要的热电偶参数，应用软件提供各类报表输出及数据打印功能。

热电偶；时间常数；数据采集；PCL818L数据采集卡；测试系统

1 引 言

温度传感器的时间常数是动态温度测量中的一个重要参数，也是衡量温度传感器动态测试性能的重要指标，各个应用领域，对温度传感器的时间常数都有具体的要求。然而由于影响时间常数的因素很多且复杂，难以用理论计算的方法获得准确的数值，实际应用中都是采用实验测定的方法来获得所需的参数。因此设计功能完善的热电偶时间常数测试系统，在各领域的应用中具有很大意义。

2 系统原理分析

系统由工控机、信号调理电路，A/D采集、数据采集处理软件和打印机等部分组成，系统的测试原理如图1所示。

信号调理电路对热电偶信号进行有关处理及放大，经过处理的信号由A/D采集，再由处理软件对数据进行分析处理，最后将处理结果打印输出。下面针对热电偶时间常数的测量原理加以分析：

图1 热电偶时间常数测试系统框图

热电偶温度传感器的时间常数[1]：

式中：W——热电偶材料的比重；

V——体积；

C——比热；

h——导热系数；

A——周围流体薄膜的面积。

由此可表明热点偶的时间常数由热电偶的材料、结构形式及测温环境等因素决定。

热电偶对阶跃温度的响应为：

式中：T——热电偶指示温度；

T0——热接点初温；

Te——阶跃温度；

t——对阶跃温度的响应时间；

τ——热电偶时间常数。

当t=τ时，则有：T-T0=（Te-T0）（1-e-1）=0.632（Te-T0），即时间常数是热电偶指示温度T与初始温度T0之差达到温度阶跃（Te-T0）的63.2%所需的时间[2]。

由以上推论可知：

对于热电偶温度传感器，时间常数是指示温度Te与初始温度T0之差达到温度阶跃（Te-T0）的63.2%所需的时间。这是时间常数τ的定义，同时也说明了测量τ的方法。

为了便于温度阶跃的实现，T0可采用室温，Te可以是一个可设定温度的恒温槽，测量时将热电偶直接插入恒温槽即可。

3 系统采集器设计

系统是以工控机为硬件平台，测试数据的提取依靠数据采集设备来完成，采集器选用研华公司的PCL818L数据采集卡，可以直接与工控机主板上的接口插槽相连，依靠相应的硬件驱动程序即可实现测试数据的采集，结构紧凑，开发工程量小。

PCL818L是一个多功能高性能通用的数据采集卡，它在一个板上集成了所有数据采集的功能如A/D，D/A，D/O 和 D/I[3]。

PCL818L有以下特性：8路单端12位模拟输入通道；各种输入电压范围（双极性）有2.5V、1.25V、0.625V和0.312 5V；一个12位单片模拟输出通道；转换时间为25μs；精度为读数的0.015%±1 Bit LSB；输入阻抗为10MΩ；采样传输速率为25kHz（最大）。

PCL818L与其他硬件设备的交互接口是CN1、CN2和CN3。CN1是数字输出接口；CN2是数字输入接口；CN3是模拟输入/输出接口。因为测试的是模拟信号，所以只用到CN3[4]。关于PCL818L数据采集卡的详细资料请参考其数据手册。

3.1 信号调理电路设计

采集卡的输入电压范围设置为1.25V。考虑到电压边界特性，把对应的输入电压调理成-1.20～+1.20V[5]。热电偶输出信号分为热电势信号和电阻信号，不同的信号采用不同的信号调理电路，下面逐一介绍对各种信号的处理方法及原理。

3.1.1 热电势信号

热电偶输出信号为热电势时，因信号值很小，故采用差分放大电路，放大倍数可通过电位计进行调整。另外可在输入端接入标准电压信号，通过软件配合对放大器零点和电路增益进行标定和校准，保证测量精度。热电势信号调理电路原理如图2所示。

图2 热电势信号调理电路原理框图

当输入热电势为0～4.1mV时，经过放大、电平平移后的电压为-1.20～+1.20V，送A/D采样。

“标定电路”的作用是由软件确定放大电路的零点和电路增益。

零点标定：在输入端接入电压0V（设为x0），通过软件读取对应的AD值（设为y0）。

电路增益标定：在输入端接入约4mV的电压，设为x1，同时用标准电压表测量具体数值。通过软件读取对应的AD值（设为y1），x1的具体数值由键盘输入到电脑。

通过二个点（x0，y0）、（x1，y1）可定出一条输入电压和AD值之间的对应关系直线。

设某个电压值x对应的AD值为y，则：

信号的接入由调理板上的切换电路自动实现。

3.1.2 电阻信号

热电偶输出信号为电阻时，采用分压电路将其转换为电压，放大倍数可通过改变电位计RP1的电阻值来进行调整。另外可在输入端接入标准电阻，通过软件配合对放大器零点和电路增益进行标定和校准，保证测量精度[6]。

电阻信号调理电路原理与热电信号基本相同，可参考图2。当输入电阻为46～150Ω时，经过放大、电平平移后的电压为-1.20～+1.20V，送A/D采样。“标定电路”的作用和方法同热电势信号所介绍。

3.2 采样精度与测量精度分析

采集器PCL818L的采集频率最大可达到25kHz，选用100Hz采集频率，就可以达到不低于0.05 s的时间精度要求[3]。

采集器为12位的A/D卡，精度为读数的0.015% ±1 Bit LSB。1 Bit LSB对应的精度为（1/4096）×100%=0.024%[6]。因此 A/D 卡总的精度为±（0.015+0.024）%=±0.039%。

在设计中，A/D卡的输入信号范围通过信号调理后满量程使用，使得热电势信号和电阻信号的精度分别可以达到0.48%和0.14%，足以满足系统设计需要。

3.3 可靠性设计

为保证测试系统的可靠性要求，从元器件的选用到整机的装配，均严格按照有关规定执行，均选用可靠性指标比较高的元器件，按照EMC电磁抗干扰测试标准进行电路板设计与制作。另外在电源输入线路上加装输入滤波器以提高设备的抗干扰能力。

4 应用软件设计

4.1 软件系统组成及程序设计

测试系统应用软件采用VC++6.0编写，由采集卡控制程序、温度信号采集程序、信号分析处理程序、结果表达程序、人机接口程序和存储/报表输出程序6个部分组成，软件结构如图3所示。

图3 系统应用程序结构图

使用VC++6.0编程时，程序要包含ADSAPl32．UB和头文件Driver．h，它是应用Adantech DLL的基础。在程序中添加采集器PCL818L的DLL动态链接库，提供了对PCL818L相关口地址的读写操作函数[4]。这些函数都是标准的Windows API，主要用到的动态链接函数包括：

（1）DRV-GetErrorMeSSage

函数功能：根据错误的代码得到出错的信息，然后将此错误信息返回到信息缓冲器。

（2）DRV-Deviceopen

函数功能：从注册或配置文件得到适合于设备工作的参数，并分配内存用来存储这些参数以快速提取。

（3）DRV-DeviceClose

函数功能：用来释放所分配的存储参数。

（4）DRV-GetAddress

函数功能：返回一个变量的指示器或地址。

（5）DRV-AIConfig

函数功能：为模拟输入通道进行增益配置。

（6）DRV-AIVoltageIn

函数功能：读取一个模拟输入通道，然后返回结果到一个电压（单位：V）。

（7）数据功能结构函数，包括：

根据数据采集的要求，在软件编写的过程中，A/D转换功能尤为重要，这里给出实现对8路模拟量数据采集通道中的电压测量的主要代码：

最后，编译并运行程序，可以从屏幕上看到PCL818L数据采集卡各通道输入模拟量的电压值。

数据采集完成后经过软件处理得出测试结果，PCL818数据采集卡支持Matlab应用，为了编程更方便、功能更稳定，软件中画图和时间常数的计算是通过VC++6.0调用Matlab来实现的。程序中用Matlab编写完画图和计算时间常数的函数后，分别将它们生成两个不同的COM组件并进行打包，然后将生成的COM组件对应的DLL文件添加到VC++6.0工程的引用中去，这样就可以在VC++6.0中进行使用了。

4.2 系统界面及其功能设计

测试软件的主界面如图4所示。测试结果在工控机显示器上显示，操作简便、直观。在主界面中，除了菜单命令外，也可以通过对应的命令按钮进行操作。

4.2.1 系统管理

图4 系统主界面示意图

系统管理包括系统自检、退出等命令。系统自检是在测试软件启动时对系统硬件进行检测，并依此判断系统是否可以正常工作。

4.2.2 测试控制管理

测试控制完成测试任务的组织、调度和管理，包含型号选择、测试时间设置和校准等信息。各命令菜单的功能说明如下：

（1）型号选择命令用下拉式菜单实现，分为热电偶式和热电阻式两个型号。

（2）测试时间设置用输入文本框实现，可在出现的文本框中设置测试时间；测试时间可以通过将热电偶浸入恒温槽，达到热平衡所需的时间进行估算。

（3）开始测试表示设备进入就绪状态，它自动跟踪被测量温度，当与T0温度差超出ΔT时开始测量并开始计时，经过设定的测试时间后自动停止测试。

（4）热电阻阻值设定可以设定热电阻阻值；测试台可对不同类型的热电阻进行时间常数的测量。

（5）标定是对放大电路进行零位校准和比例放大倍数校准，使得测量结果更加准确。

4.2.3 工具管理

工具菜单命令提供对测试数据进行相关处理的命令。包括报表生成、报表打印和历史报表查询等命令。

4.3 输出报表及测试结果

在测试的过程中，将待测传感器放入设定的恒温槽可连续加热，当被测热电偶检测温度达到横温槽设定温度的63.2%时系统显示出时间常数值τ，打印机输出的报表格式如图5所示。

图5 应用软件输出报表界面设计

（1）输出报表的纵坐标随被测热电偶类型不同而变化。为了符合相关单位与科研机构对参数的获取需求，更直观地输出测试结果热电势型为温度刻度、热电阻型为电阻刻度。

（2）输出报表的横坐标为时间。T0为按“开始测试”命令后到热电偶放入恒温槽后开始测试的时间，由于恒温槽加热时间与实际温度T变化的关系如表1所示。

表1 恒温槽加热时间与实际温度T变化的关系

根据此表以及大量的实践表明，在5倍τ以后阶跃温度趋于平衡，因此将恒温槽加热时间确定为温度传感器时间常数的5倍以上，以获得准确的时间常数值。界面中（Ts-T0）为设置的测试时间，横坐标的刻度根据设置时间的长短自动进行调节。

（3）“T”为在测试过程中显示即时温度值（若测试的是热电阻则显示电阻值）。

5 结束语

系统采用了全新的设计方案，在信号的处理、采集、软件功能方面都做了深入的分析，设计了较为完善的硬件操作平台及上位机测量软件，使得测量更为科学、准确且操作方便，可以满足相关企业及科研机构的应用需求。因此，系统产品化后取得了很好的应用效果和经济效益，成为热电偶时间常数测量与分析的有力工具。

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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，江苏连云港市人，高级技师，主要从事工控系统开发及机床改造等方面的研究工作。