基于快速熱電偶的溫度數(shù)據(jù)采集

[摘要]:針對熱噴涂的極端工況下瞬態(tài)溫度動態(tài)診斷的難題，設(shè)計了一個基于快速熱電偶的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)研究表明,該系統(tǒng)具有成本低操作簡單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于其它快速測溫的領(lǐng)域。
1.引言
　　大量研究表明在熱噴涂過程中單個熔滴粒子扁平過程的瞬態(tài)溫度變化對進(jìn)一步研究粒子間的結(jié)合狀態(tài)和涂層質(zhì)量具有重要的意義。由于實(shí)際噴涂中粒子扁平變形與冷卻凝固一般發(fā)生在10~20μs之內(nèi)以及等離子射流的高溫和強(qiáng)輻射的干擾,很難通過實(shí)驗(yàn)測量來實(shí)時跟蹤觀察單個粒子的整個扁平過程。
　　針對這一問題根據(jù)雷諾力學(xué)相似性準(zhǔn)則1設(shè)計一個基于快速熱電偶的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過對低速粒子扁平過程溫度變化的研究來模擬熱噴涂實(shí)際情況。
2.溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

　　整個溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖2.1所示。下面分別對各組成部分進(jìn)行分析:
1)溫度傳感器
　　由于針對在熱噴涂極端工況下,在這里選擇NAN-MAC生產(chǎn)的鎢錸系侵蝕型快速響應(yīng)熱電偶,測溫范圍可達(dá)2300℃響應(yīng)時間達(dá)到微秒級。當(dāng)熱電偶探頭的溫度發(fā)生瞬態(tài)變化時由于熱電效應(yīng)其輸出電壓也將發(fā)生快速變化然后熱電偶信號經(jīng)差分輸入到信號調(diào)理模塊。在測量過程中可以自動更新受侵蝕或磨損的熱電偶結(jié)。
2)溫度信號調(diào)理模塊
　　溫度信號經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換成電壓信號-般為毫伏級較弱而且還有噪聲干擾需要經(jīng)過放大、隔離、濾波、激勵和線性化等信號調(diào)理功能。
　　一般工業(yè)應(yīng)用或研究應(yīng)用的熱電偶信號調(diào)理器通常含有一個2Hz的低通濾波器不能適用于快速響應(yīng)型熱電偶。因此專門為快速響應(yīng)型熱電偶設(shè)計了信號調(diào)理,它主要由熱電偶信號放大、100kHz濾波器和冷端補(bǔ)償電路=部分組成?？焖贌犭娕夹盘栒{(diào)理器的主要性能參數(shù)如下:
●通道:DI(1個差分輸入)
●增益:100
●增益誤差0.075%典型
0.08%最大值
●非線性:0.005%
●共模抑制比:≥100dB
●信號范圍+100mV
●濾波器:100kHz
●冷端溫度測量誤差:0.36C
穩(wěn)定性參數(shù)如下:
●增益溫度系數(shù)5ppm/9C最大
●偏移量溫度系數(shù)D.6μV/C最大
　　需要注意的是,經(jīng)調(diào)理后的電壓信號的電壓范圍應(yīng)與采集卡A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍相匹配,同時信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近熱電偶(或信號源)使得被測信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大使信噪比得到改善。
3)數(shù)據(jù)采集卡
　　數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是把模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為可供計算機(jī)識別與處理的數(shù)字信號。根據(jù)采樣定理理論上最低的采樣頻率必須是信號頻率的2倍,而實(shí)際.上工程中選用5~10倍,有時為了較好地還原原信號波形甚至更高一些。噴涂中的熔滴扁平凝固過程的溫度變化發(fā)生在10~20us之內(nèi),也就是50k~100kHz的信號頻率，為此測溫裝置選用了插入式高性能數(shù)據(jù)采集卡DAQ2204這款數(shù)據(jù)采集卡的最高采樣頻率可達(dá)3MHz,而且有著12位的A/D分辨率無論從采樣速度還是采樣精度上都能滿足熔滴扁平過程的溫度信號的采集。插入式DAQ2204的主要性能參數(shù)如下:
●接口類型32位PCI總線即插即用
●采樣頻率最高可達(dá)3MHz
●分辨率:12位AD分辨率
●量程：單極性輸入最大+10V最小+0.05V
雙極性輸入最大0~10V最小0~0.1V
●通道數(shù)64個單端以及32個差動模擬量輸入通道
●觸發(fā)模擬數(shù)字觸發(fā)硬件/軟件觸發(fā)
●數(shù)據(jù)傳輸模式軟件輪詢、FIFO半滿中斷及支持Scatter/Gather功能的總線主控DMA
　　需要注意的是,熱電偶與信號調(diào)理模塊采用差分連接方式(DEF)而信號調(diào)理模塊與DAQ數(shù)據(jù)采集卡采用的是參考地單端連接方式(RSE)這樣的連接方式能有效地避免環(huán)境及回路造成的干擾。經(jīng)過DAQ采集卡A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號便可以通過基于PC機(jī)的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行獲取、處理、分析、顯示和存儲等操作。
3.實(shí)驗(yàn)研究

　　實(shí)驗(yàn)采用Zn--AI合金為材料研究對象。金屬材料經(jīng)過高頻感應(yīng)加熱器與石墨容器可生成直徑為3.60-5.29mm,與基體的碰撞速度為3.28m/s的熔滴。圖2.2為在不銹鋼基體上熔滴扁平過程的溫度數(shù)據(jù)采集,并經(jīng)過一系列濾波處理后Zn-Al熔滴的溫度變化曲線。溫度曲線是先急劇升高到峰值，然后快速下降隨著時間的增加,下降速率開始慢慢減小最后.溫度趨近于室溫。
4.結(jié)束語
　　對比熔滴直徑約2mm的鉛錫熔滴以1.6--3.3m/s的速度碰撞在冷的(20-25℃)平坦光滑的不銹鋼基體表面其扁平變形發(fā)生在約5~20ms內(nèi)。結(jié)果表明是成功的能夠?qū)釃娡恐腥鄣瘟Ｗ訙囟茸兓M(jìn)行實(shí)時測量。由于該系統(tǒng)具有成本低操作簡單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于其它快速測溫的領(lǐng)域如發(fā)動機(jī)進(jìn)口爆發(fā)器內(nèi)壁的溫度采集研究。