高溫精度高溫度傳感器

摘要:針對(duì)航天器超高溫及相對(duì)復(fù)雜的惡劣環(huán)境,給出了一種能夠耐受2700℃高溫的傳感器探頭結(jié)構(gòu);并且根據(jù)傳感器需測(cè)量精度高的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，提出了--種高精度的冷端補(bǔ)償方法，經(jīng)補(bǔ)償,超高溫溫度傳感器在全溫區(qū)保持著高精度的溫度測(cè)量。經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析可以看出,傳感器通過(guò)隔熱材料后,其內(nèi)部溫度可以下降到450℃左右。經(jīng)溫度試驗(yàn)表明:設(shè)計(jì)的傳感器不僅能在超高溫溫度下實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量且非線(xiàn)性誤差控制在滿(mǎn)量程的0.25%，全溫區(qū)(0~2700℃)精度控制在滿(mǎn)量程的1.5%以?xún)?nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器在惡劣環(huán)境下的高低溫高精度測(cè)量。
0引言
　　隨著航天器不斷向高端領(lǐng)域進(jìn)展,對(duì)航天器上搭載的各類(lèi)傳感器要求也越來(lái)越高。根據(jù)航天器上復(fù)雜惡劣的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)于接觸式的傳感器要求所使用的傳感器不僅要測(cè)量2000℃以上的超高溫，在全溫區(qū)也要有高精度和非線(xiàn)性?xún)?yōu)的特點(diǎn)四。溫度是表征物理冷熱程度的物理量,是航天領(lǐng)域--個(gè)重要的測(cè)量參數(shù)國(guó)。目前測(cè)量高溫的接觸式傳感器一般有J型熱電偶、K型熱電偶、鎢錸型熱電偶等,相比于J型和K型等熱電偶用,鎢錸型熱電偶能夠測(cè)量超過(guò)2300℃的高溫，短時(shí)間測(cè)量可以達(dá)到2700C,能夠滿(mǎn)足航天器對(duì)測(cè)量的需求。熱電偶的材料一般都比較貴重，而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)把熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制端,但常常起不到補(bǔ)償作用，因此,還需要用冷端補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除冷端對(duì)測(cè)溫的影響。
　　本文提出了一種高精度的冷端補(bǔ)償技術(shù),設(shè)計(jì)了能夠耐受超高溫的探頭結(jié)構(gòu),通過(guò)參數(shù)仿真及理論計(jì)算分析,將傳感器的非線(xiàn)性誤差控制在滿(mǎn)量程的0.25%,全溫區(qū)精度控制在滿(mǎn)量程的1.5%,經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)仿真分析及溫度試驗(yàn)，仿真測(cè)試結(jié)果表明:該超高溫溫度傳感器不僅能夠耐受2700℃高溫,在全溫區(qū)保持高精度的溫度測(cè)量,而且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器在惡劣環(huán)境下的高低溫交替測(cè)量。
1傳感器的工作原理
　　傳感器工作原理如圖1所示，探頭的鎢錸熱電偶絲是將外界溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào),通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)將電壓信號(hào)傳遞給變換器。在變換器內(nèi)部,將探頭的微弱信號(hào)進(jìn)行差分放大。同時(shí),鉑電阻與分壓放大電路組成冷端補(bǔ)償電路,冷端補(bǔ)償電路的輸出與探頭放大后的信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算得到精確的溫度信號(hào)，再經(jīng)調(diào)零點(diǎn)、滿(mǎn)量程電路輸出滿(mǎn)足要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。
 
　　傳感器采用熱穩(wěn)定性可靠、耐高溫的鎢錸熱電偶作為感溫元件，并在冷端-40~70℃范圍內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在實(shí)現(xiàn)高溫區(qū)溫度測(cè)量的同時(shí),實(shí)現(xiàn)低全溫區(qū)的高精度溫度測(cè)量。鎢錸熱電偶的特點(diǎn)是:熱電極絲熔點(diǎn)高(3300℃),在非氧化性氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好,長(zhǎng)期使用溫度為2400℃,短期使用可最高達(dá)3000℃。
2溫度傳感器的探頭設(shè)計(jì)
2.1傳感器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　傳感器要耐受2700℃高溫,除熱電偶的選取外,其熱電偶絲的固定方式也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn),固定熱電偶絲的捆綁線(xiàn)耐受溫度為450℃左右,因此,要求捆綁線(xiàn)外需要一定的隔熱措施。由圖2可以看出,傳感器除熱電偶絲裸露在外,其他固定偶絲用的材料外都設(shè)計(jì)了隔熱保護(hù)套。
 
　　探頭敏感元件為鎢錸熱電偶絲,其固定主要由雙孔瓷管及捆綁線(xiàn)組成,偶絲固定后在殼體中填充919膠再次固定回,填充919膠也可以起到一定隔熱作用。外部隔熱外殼采用耐高溫的鎢鉬合金。
2.2探頭隔熱仿真分析
　　探頭暴露于2700℃高溫下，除鎢錸偶絲外,其余部分在短時(shí)間內(nèi)也應(yīng)承受高溫，尤其是固定偶絲的捆綁線(xiàn)，因此,捆綁線(xiàn)外要求覆蓋隔熱層,現(xiàn)對(duì)探頭進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。圖3為未填充膠的傳感器外殼熱分布圖，外殼密度參數(shù)為7850kg·m~',導(dǎo)熱系數(shù)為60.5W·m^-1·℃^-1,鎢鉬合金外殼能夠起到一定的隔熱作用。
 
　　在外殼和捆綁線(xiàn)中填充919膠,除能起到隔熱作用外，還能夠?qū)壘€(xiàn)和偶絲起到一定固定作用,圖4為填充膠的傳感器熱分布圖。外殼密度參數(shù)為870kg.m~,導(dǎo)熱系數(shù)為0.5W·m^-1·℃^-1,從圖中可以看出:捆綁線(xiàn)附近的溫度為450℃左右,可以滿(mǎn)足傳感器耐2700℃高溫的要求。
 
3溫度傳感器的變換器設(shè)計(jì)
3.1熱電偶差分放大電路
　　鎢錸熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)非常微弱，要求電路的放大倍數(shù)比較大,這樣就要求反饋電阻比較大,較大的反饋電阻會(huì)帶來(lái)溫度漂移誤差。因此本設(shè)計(jì)采用T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。
 
　　T型網(wǎng)絡(luò)不僅可以實(shí)現(xiàn)較大的放大倍數(shù),而且電路中的電阻均小于1MΩ,在實(shí)現(xiàn)較大放大倍數(shù)的同時(shí),消除了溫度漂移帶來(lái)的影響。
3.2調(diào)零點(diǎn)、滿(mǎn)量程電路
　　傳感器輸出要求為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),后端要進(jìn)行AD采集，因此要求電路輸出的模擬量信號(hào)為0.2-4.8V,通過(guò)調(diào)零點(diǎn)滿(mǎn)量程電路可以將輸出信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),電路如圖6所示。
 
3.3高精度溫度補(bǔ)償電路
　　在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,環(huán)境溫度等的改變均會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生一定影響，要保證低溫區(qū)的高精度,就必須要對(duì)傳感器進(jìn)行高精度的溫度補(bǔ)償,如圖7所示。
 
　　溫度補(bǔ)償區(qū)間為-40~70℃,要對(duì)溫度區(qū)間內(nèi)的溫度變化量進(jìn)行分析,由表1可以看出:-40~70℃區(qū)間內(nèi),鎢.錸偶絲熱電勢(shì)每10℃的變化量平均值為1mV。由T型反饋電阻網(wǎng)絡(luò)放大后,每10℃的變化量平均值為1mV.根據(jù)鎢錸偶絲的變化量調(diào)節(jié)高精度溫度補(bǔ)償電路的電阻參數(shù),將R6,R7設(shè)置成7.87kΩ,R2與R3之間相差100Ω即可實(shí)現(xiàn)在補(bǔ)償電路中每10℃的變化量平均值為1mV。
4實(shí)驗(yàn)測(cè)試
4.1非線(xiàn)性誤差測(cè)試
　　變換器非線(xiàn)性誤差利用信號(hào)源代替探頭作為輸入值，鎢錸偶絲在0℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為0mV,2700℃時(shí)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為42.5583mV,用電壓表測(cè)量變換器各點(diǎn)輸出電壓值，記錄數(shù)據(jù)并擬合曲線(xiàn)，得到傳感器理論輸出值。各測(cè)試點(diǎn)測(cè)試值見(jiàn)表1..
 
　　非線(xiàn)性誤差計(jì)算公式為
 
4.2全溫區(qū)精度測(cè)試
　　在0~2700℃量程內(nèi)均勻選取6個(gè)溫度點(diǎn)(50,590,1130,I670,2210,2700℃),連接傳感器探頭與變換器,分別測(cè)試變換器各點(diǎn)輸出值,并與理論輸出值對(duì)比,計(jì)算出理論值與輸出值之間的偏差。各測(cè)試點(diǎn)測(cè)試值見(jiàn)表2。
 
　　全溫區(qū)精度可以根據(jù)式(2)推算,全溫區(qū)最大偏差為0.734V,可以推算出傳感器精度為1.5%FS.
5結(jié)論
　　本文針對(duì)航天器較惡劣的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種超高溫高精度溫度傳感器,通過(guò)熱力學(xué)模型推導(dǎo),傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)2700℃高溫環(huán)境空氣溫度的測(cè)量,并在冷端-40~70℃范圍內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，經(jīng)傳感器結(jié)構(gòu)仿真分析與溫度試驗(yàn)表明:設(shè)計(jì)的傳感器不僅能在超高溫溫度下實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量,而且非線(xiàn)性誤差控制在滿(mǎn)量程的0.25%,全溫區(qū)精度控制在滿(mǎn)量程的1.5%以?xún)?nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器在惡劣環(huán)境下的高溫、高精度測(cè)量。