基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法

王代华，宋林丽，张志杰

（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

近年来，温压弹因具有能量高、分布爆炸等传统弹药所不及的特点而备受各军事大国的普遍重视。温压弹主要利用温度和压力效应产生毁伤效能，爆炸时以产生的持续高温和高压对目标形成大面积毁伤。尽管温压弹具有强大的热毁伤效能，但目前针对温压弹药的毁伤研究仍集中于冲击波和破片毁伤方面［1－4］，原因有二：一是冲击波和破片的作用范围远大于热辐射的作用范围；二是爆炸火球的热效应时间短，火球范围内的测试条件更加恶劣，无有效测试手段［5］。当前，针对爆炸温度的测试方法大致分为两类：接触式和非接触式。非接触式测温方法以辐射测温为主，根据被测体的热辐射推算出被测体的温度［6］，主要包括亮度测温、比色测温、多波长测温和全辐射测温等［7－11］。辐射测温法在测温范围、响应时间和可靠性等方面具有优势，但在实际应用中，确定爆炸产物的发射率是一个困难的问题，会给最后的温度计算带来很大误差［11］。

接触式测温方法可以与被测体良好接触，能直接获取测点的温度数据，是一种较理想的测试手段。但长期囿于无有效热传感元件以及测试有效性问题而发展缓慢，可查的研究工作很少。文献［12］用热电偶测试了半密闭试验容器中不同铝含量炸药的爆炸场温度，但未虑及测试系统本身的特性，也未给出有关热电偶的任何技术参数。文献［13］以自制热电偶测试了几种温压炸药的爆炸热作用，给出的热电偶响应时间为几十毫秒，远达不到爆炸温度测试要求的微秒量级的响应时间要求。文献［14］应用Nan mac公司的快速响应热电偶进行了密闭爆炸罐中Al-H MX混合炸药的爆炸温度测试，只给出热电偶的技术指标而未考虑其测试的有效性问题。

分析表明，当前有关接触式爆炸温度测试的研究工作仅从应用角度组建测试系统，缺乏对测试方法本身有效性的分析。因此，开展接触式测温方法研究，深入分析和解决困扰热电偶测温的相关技术问题，建立爆炸温度的接触式测试方法，具有重要意义。

1 热电偶及相关问题

1.1 热电偶

热电偶的工作原理是基于两种不同金属的热电效应，目前广泛应用于航天、航空、汽车、工业控制等诸多领域。根据热电极材料的不同，热电偶分为S型、R型、B型、K型、T型、J型、N型、E型等。但是，热电偶很少用于爆炸温度测试，主要原因有二：一是上述型号热电偶的响应时间慢，都在几百毫秒以上；二是测温范围不够，可测瞬时高温不超过1 800℃。近年来，随着材料和工艺技术的不断发展，出现了自更新钨铼热电偶，通过连续研磨运动可形成新的热电偶接点，使得热电偶保持快速响应特性并可连续测量。美国Nan mac公司的E12系列钨铼热电偶即基于自更新技术设计，响应时间在微秒量级，测温范围可达2 300℃，测量精度达到1%F.S.，承受的压力范围是10 000 psi，是在现有工艺条件下较适合用于接触爆温测试的传感器件。

1.2 冷端补偿及非线性处理方法

热电偶的冷端补偿方法较多，主要有补偿导线法、电桥补偿法、冷端恒温法、冷端温度校正法等［15－16］。补偿导线法和冷端恒温法一般难将冷端温度保持在0℃，仍然需要二次校正，其应用受到限制。冷端温度校正法利用热敏电阻、铂电阻或温度传感器直接测得热电偶的冷端温度，进而实现对热电偶的测温补偿。其补偿原理如下。

设热电偶的冷端温度不为0℃，但稳定于T0，因此热电偶的输出热电势表征的是热端温度T相对于冷端温度T0，记为E（T，T0）。根据中间温度定律，被测介质实际温度（相对冷端温度为0℃）对应的输出热电势E（T，0）满足下式：

式中，E（T0，0）是热电偶在温度为T0条件下相对冷端温度0℃时产生的热电势。该值可根据热敏电阻等测得的冷端温度查热电偶的分度表得到，然后与热电偶的输出热电势E（T，T0）相加得到被测介质实际温度对应的热电势E（T，0），从而实现了冷端补偿。

非线性是热电偶输出信号的另一典型特征。非线性处理方法主要有模拟电路补偿法和数值计算法等［17］。模拟电路补偿法需要根据不同热电偶的非线性特性，建立反向非线性补偿电路，实现方法复杂且精度有限。数值计算法通过查表和程序计算实现非线性补偿，能够保证非线性处理的精度，以二次插值法为主。二次插值法根据热电偶的分度表在软件中按一定步长建立热电势－温度序列表（E0，T0），（E1，T1），（E2，T2），…，（En，Tn），则对于冷端补偿后的热电势E（T，0）（以下记为E），通过软件可判别它在该序列中的位置为Ei≤E ≤Ei＋1≤Ei＋2（0≤i≤n－2），其对应的温度T可由下式计算：

式中：

二次插值法在区间（Ei，Ei＋2）内将温度值拟合成抛物线，更接近于热电势与温度的非线性关系，其拟合精度可通过对照拟合结果与分度表得到。

2 钨铼热电偶信号调理

为了实现温度的精确测试，使用钨铼热电偶必须解决好两个问题：一是冷端补偿，二是非线性处理。

冷端温度校正法具有较高精度且易于实现，可用于钨铼热电偶的冷端补偿。本文以MAXI M公司的线性温度传感器DS600作为热电偶冷端温度的独立测量元件。DS600输出灵敏度为6.45 mV／℃并带有509 mV的偏置，其测温范围为－40～＋125℃，精度达到±0.5℃，是较理想的冷端补偿元件。DS600将测得冷端温度转换为电压输出，经后续电路量化、采集处理后，与热电偶的热端温度数据一并传输进计算机，由软件进行上述冷端补偿的运算处理。为了提高补偿精度，在软件中建立了热电偶低温段（≤100℃）的分度表，DS600采集的数据经计算得出温度值后，查找分度表即可得到E（T0，0）。

二次插值法是实现热电偶非线性修正的理想方法。本文根据钨铼热电偶的分度表在计算机软件中建立了其热电势－温度序列，利用公式（2）对温度T进行回归计算。并且，通过调整热电势－温度序列的步长可提高拟合精度。取步长为10℃时，实现的拟合精度优于0.1℃，完全满足钨铼热电偶的非线性修正需求。

钨铼热电偶的冷端补偿以及信号调理电路如图1所示。

图1 冷端补偿及信号调理框图Fig.1 Block diagram for the cold junction co mpensation and signal conditioning

放大电路分为两级，第一级采用反相比例电路，用于保证输入阻抗，放大倍数设置为5倍。第二级采用程控放大器，设计为8档可编程增益，测试前需要根据爆炸能量及测温距离确定增益，然后由计算机软件进行编程设置。放大后的信号经偏置电路处理成0～2.5 V范围内的信号，然后进入低通滤波器进行滤波降噪处理。综合考虑爆炸温度信号特点及钨铼热电偶的特性，滤波器的截止频率设置为200 k Hz。信号经滤波处理后即可输出至后续A／D变换电路进行数字量化处理。冷端补偿电路实时采集热电偶冷端的温度，转换成电压信号输出至后续采集电路，由单片机完成数字量化处理。LDO（Low Dr opout Regulator）转换电路用于提供整个信号调理电路所需的＋5 V工作电源，选用NS公司的LP2985为核心器件进行设计。为了最大限度的降低功耗，电源管理模块根据运行状态决定LDO转换电路是否开启。

3 校准与试验

3.1 静态和动态校准

基于接触式测温方法，采用存储测试原理配套设计了后续采集存储电路。整个硬件系统调试完成后，进行了系统的静态和动态校准。在静态校准实验中，选用高温干体炉作为标准热源。将标准热电偶和钨铼热电偶分别放入干体炉的插孔中，钨铼热电偶通过延长线与外部的测试电路连接，如图2所示。

图2 静态校准实验照片Fig.2 Photograph of the static calibration experiment

设定干体炉的工作温度，待其显示温度稳定后，触发测试系统，记录当前温度下系统的响应输出。采集结束后，通过USB接口连接计算机，分别读取系统记录的热端和冷端数据，再由软件进行冷端补偿和非线性处理，最后得出系统采集的温度值。将该值与标准热电偶的采集显示值对比，即可得出测试系统的静态误差。在200～1 000℃测温范围内，校准结果如表1所示。

表1 静态校准结果Tab.1 Results of the static calibration

可以看出，测试系统测量值稍小于标准热电偶的记录值，但误差均优于0.8%。另外，系统在低温段的测试误差稍大，可能是因为钨铼热电偶的高测温量程所致。限于当前技术水平，无合适热源可实现测试系统在全量程范围内的静态校准，因此测试系统的精度以分析计算给出。除热电偶的误差外，影响测试系统精度的主要因素是信号调理及A／D转换的误差，其与热电偶的误差相比很小，按微小误差舍弃。综合考虑热电偶的测量精度，给出测试系统的精度为1%F.S.。

爆炸温度测试是一个瞬态过程，动态响应时间是测试系统的关键指标，取输出响应上升至稳态值的63.2%时所对应的时间，主要取决于热电偶的响应时间。动态校准就是通过获取测试系统的单位阶跃响应输出，从而确定系统的响应时间。本文采用大功率CO2激光器作为热源，其产生的高速激光脉冲序列垂直照射到钨铼热电偶的接点上，接点在瞬间吸收激光能量，产生温升并输出热电势。该信号被测试系统采集记录，事后传输进计算机进行二次处理。图3是动态校准的实验照片。图4是一次实验得到的系统响应时间特性曲线（单激光脉冲），可以看出其上升沿非常陡峭，响应时间为18μs。多次实验结果表明，系统的动态响应时间小于20μs。

3.2 实测试验

基于接触式测温方法，设计完成的测试系统如图5所示。钨铼热电偶安装在机械外壳的中心位置，两者之间进行隔热处理。控制面板安装在金属外壳的侧面，由一个螺纹连接的保护盖防护。控制面板主要包括电源开关、充电接口、USB接口及状态指示灯四部分。测试前，打开电源开关，测试系统自动加载之前的工作参数，随即进入待触发状态。若需要修改工作参数，可通过USB接口连接计算机，由专用软件进行参数编程。编程结束后，系统的工作参数随即刷新并保存在内部的EEPROM中，掉电非易失。

图3 动态校准实验照片Fig.3 Photograph of the dynamic calibration experi ment

图4 动态校准特性曲线Fig.4 Dyna mic calibration cur ve

图5 测试系统照片Fig.5 Photograph of the measurement system

系统研制成功后，参加了爆炸温度实测试验，验证了接触式测温方法的有效性。试验时，爆炸物由木质支架架高1.5 m，支架下面铺设钢板，取爆炸物的中轴线到钢板上的投影为爆心，测点到爆心的距离为2 m。图6给出了实测温度曲线。可以看出，温度曲线的上升沿非常陡峭，曲线展开后读取的响应时间为19μs，与动态校准的结果相吻合。该测点处的持续升温时间为0.43 s，最高温度达到236℃。

图6 爆炸温度实测曲线Fig.6 Measured temperature curve

4 结论

本文提出了基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法。该方法以线性温度传感器作为热电偶冷端温度的独立测量元件，利用其测量值在软件中查热电偶低温段的分度表实现冷端补偿；在软件中以10℃为步长建立热电偶全量程热电势－温度序列，利用二次插值法实现非线性修正，精度为0.1℃；采用两级放大策略以及低通滤波的方法实现了信号调理；应用高温干体炉和CO2激光器分别完成基于该方法建立系统的静态和动态校准。校准、测试与试验表明：接触测温方法的静态误差在校准温度范围内优于0.8%，动态响应时间小于20μs。该方法可直接获取测点处的温度时间曲线，能为非接触测温方法提供有力的修正依据。但鉴于爆心位置的不可生存性，可与非接触测温方法组合测量，从而为武器系统的爆炸威力评价提供了可靠、全面的测试手段。

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