无引线温度测量模块设计

徐正红

(安徽省长江计量所，安徽合肥230088)

0 引言

目前，更多的真空模拟设备、热压罐、真空罐、大空间试验装置被用于各种产品部件、整机的试验和加工处理过程中，这些设备的温度场分布均匀性对产品生产和试验质量有很大影响，需要定期开展测试校准。但是这些设备具有较强的密封性，或者工作空间较大，传统的有引线温场测量装置无法满足其温度均匀性测试，因此设计无引线温度测量模块是非常有必要的。

无引线温度测量模块包括高精度温度传感器、精密测量存储电路，以及真空隔热、蓄热保护套，可直接放置在被测设备中，在测量温度条件下实时采集、存储测量的温度数据，在测量完毕后通过上位机完成数据处理、测量结果输出等功能，实现温度场的测量。

1 无引线温度测量模块的硬件组成

无引线温度测量模块主要包括高精度温度传感器、温度测量单元、隔热蓄热外套(真空隔热层和蓄热隔热层)，如图1所示。其中温度传感器采用高精度Pt100 铂电阻，头部设计成锥形，可提高其动态特性，并减小测量误差。温度测量单元处于隔热蓄热外套中，利用电池供电，采集温度传感器信号，并将测量数据存储在芯片中。

隔热蓄热外套包括真空隔热层和蓄热隔热层。真空隔热层处于整个模块的最外层，可有效阻止热传导、热对流和部分热辐射，减小环境向内部的漏热量。蓄热隔热层利用蓄热材料的相变吸热，进一步延缓热量向温度测量单元传递，使其工作区域温度在-40 ～80℃范围内，保证测量电路能够正常工作。

2 温度测量单元设计

为了达到高准确度温度测量，温度传感器采用4线制高精密铂热电阻温度计，测温范围-65 ～200 ℃，对应电阻范围74.33 ～175.86 Ω，测量误差(0.15±0.002t)℃。

图1 无引线温度测量模块硬件组成示意图

温度测量单元设计示意图见图2。测量电路中采用5V 精密电压芯片提供1 mA 的测量电流，纹波系数小，稳定度高，测量芯片选用16 位A/D 转换器，理论上可分辨出4 mK 的温度变化。为了减小采样电路的波动影响，提高测量电路的重复性，满足测量准确度，测量电阻值时采用参考电阻比例测量技术，用于比较的标准电阻选用100 Ω，可大大提高测量准确度。

测量电路中放大电路、存储器、通讯模块等数字电路部分采用5V 数字电压芯片供电，输入为5.2 ～6.5V，输出5V，自身功耗小，待机时间长。为了满足存储大量数据，存储介质选用大容量Flash 存储芯片，存储容量1M，当采样间隔为1s 时，可连续存储48 h的数据。

3 隔热蓄热外套结构设计

图2 温度测量单元设计示意图

隔热结构分为真空隔热层和蓄热隔热层。隔热结构主要功能是减小传热的速度，保证采集器有足够的测试时间，从而达到测试目的。隔热结构从导热、对流、辐射三个方面设计来减小热量，保证温度测量单元工作在正常温度范围内，保护温度测量单元不受损坏。

真空隔热层采用真空设计如图3所示。真空隔热装置真空度抽至5×10-3Pa 以下，导热和对流产生的热传递基本可以消除。为了保证整个装置不受机械破坏，真空隔热层采用不锈钢加工，外壁厚度1 mm，内壁厚度0.2 mm，夹层空间8 mm。真空隔热层外侧壳体内部抛光，减小材料的热辐射能力，隔热层内侧壳体厚度0.2 mm，通过抛光处理增加热反射能力。

图3 真空隔热层示意图

虽然采用了低漏热设计，但由于漏热总是存在，随着时间的增加，内部温度会缓慢上升。为避免随着时间增加内部温度太高，还需要在内部增设蓄热层，吸收漏入的热量。蓄热层采用比热容较大的蓄热材料，通过蓄热材料的相变吸收热量，来减缓蓄热层内部空间温度上升。根据测量的要求，估算需要的蓄热材料，保证测量蓄热材料相变时间约在200 min 左右。

为确定蓄热材料的用量，首先需要估算漏入的热量，然后根据该热量和蓄热材料的热溶和潜热进行计算。设外侧温度为T2，半径为r2，热发射系数为ε2，内层初始温度为T1，半径为r1，热吸收系数为ε1。由热辐射公式可得内层吸收热辐射的热流密度为

其中，F 为角系数，计算公式为

其中，A1为内层的面积(上式假设隔热层高远大于直径)。

内层吸收热辐射能量功率

根据以上吸收的热辐射量可以计算蓄热材料用量。

4 上位机软件和温度场测量工作过程

无引线温度测量模块的工作模式设置是通过上位机软件来实现的，通过USB 端口连入到计算中，用程序进行相关参数的设置。设置参数包括传感器的记录间隔(从10 s 到1 h)、开始记录选项(立即开始记录、特定时间开始记录或特定温度开始记录)、报警温度等。

设置好的无引线温度测量模块放置在被测设备的测量位置上进行测试。需要注意的是需要根据设备的升降温速率估计测量时间，避免测量模块损坏。完成预期的测量后，从被测设备中取出测量模块，通过数据线连接到计算机中。

多支无引线温度测量模块组成温场测量系统，同时记录被测设备工作区的温度，软件读取数据后，将以曲线图、列表等形式显示，并按照现行国家相关测试规范进行数处理，生成温度均匀性测量报表。

5 温场均匀性测量试验验证

用9 支无引线温度测量模块组成一套温度均匀性测量系统，在200 ℃下测量某真空罐。在测量前，对9支模块在不同的温度点进行了计量校准，校准数据如表1所示。

表1 无引线温度测量模块校准数据

测量前设置模块采集间隔2 min，为了保证9 支模块同步进行测量，设置定时开始采集，采集总时间设定2 h10 min。如图4所示，9 支模块采集数据起始时间均为8 ∶40，停止时间均为10 ∶50，在高温下工作超过2 h。

温度均匀性数据选取采集数据的最后20 min 数据，并且利用表1 的数据对测量数据进行修正，如表2所示。

由表1 可见，该真空罐在200℃时的温度均匀性上偏差4℃，下偏差4.2℃，与其测试报告(由其他测量手段提供)中的测试结果(上偏差3.8℃，下偏差4.0℃)一致。试验表明该无引线温度测量模块满足计量测试要求。

图4 温度均匀性测量曲线图

表2 某真空罐温度均匀性测量试验数据

6 结束语

本文设计的无引线温度测量模块选用高精度传感器，采用参考电阻比例法测量技术，满足温度测量准确度要求;采用真空隔热、蓄热技术，满足在高温下正常工作。依据现行国内外规范进行数据处理，满足温度均匀性测量要求。无引线温度测量模块准确度高、稳定性好，软硬件操作简单，满足真空试验罐、热压罐，或其他密闭试验装置、大空间实验装置计量测试要求。

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