高溫精度高溫度傳感器

摘要:針對航天器超高溫及相對復雜的惡劣環(huán)境,給出了一種能夠耐受2700℃高溫的傳感器探頭結構;并且根據傳感器需測量精度高的實(shí)際應用特點(diǎn)，提出了--種高精度的冷端補償方法，經(jīng)補償,超高溫溫度傳感器在全溫區保持著(zhù)高精度的溫度測量。經(jīng)傳感器結構參數仿真分析可以看出,傳感器通過(guò)隔熱材料后,其內部溫度可以下降到450℃左右。經(jīng)溫度試驗表明:設計的傳感器不僅能在超高溫溫度下實(shí)現溫度測量且非線(xiàn)性誤差控制在滿(mǎn)量程的0.25%，全溫區(0~2700℃)精度控制在滿(mǎn)量程的1.5%以?xún)?，能夠?shí)現傳感器在惡劣環(huán)境下的高低溫高精度測量。
0引言
　　隨著(zhù)航天器不斷向高端領(lǐng)域進(jìn)展,對航天器上搭載的各類(lèi)傳感器要求也越來(lái)越高。根據航天器上復雜惡劣的應用環(huán)境，對于接觸式的傳感器要求所使用的傳感器不僅要測量2000℃以上的超高溫，在全溫區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)重要的測量參數國。目前測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量超過(guò)2300℃的高溫，短時(shí)間測量可以達到2700C,能夠滿(mǎn)足航天器對測量的需求。熱電偶的材料一般都比較貴重，而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線(xiàn)把熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩定的控制端,但常常起不到補償作用，因此,還需要用冷端補償的方法來(lái)消除冷端對測溫的影響。
　　本文提出了一種高精度的冷端補償技術(shù),設計了能夠耐受超高溫的探頭結構,通過(guò)參數仿真及理論計算分析,將傳感器的非線(xiàn)性誤差控制在滿(mǎn)量程的0.25%,全溫區精度控制在滿(mǎn)量程的1.5%,經(jīng)傳感器結構仿真分析及溫度試驗，仿真測試結果表明:該超高溫溫度傳感器不僅能夠耐受2700℃高溫,在全溫區保持高精度的溫度測量,而且能夠實(shí)現傳感器在惡劣環(huán)境下的高低溫交替測量。
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轉換為微弱的電壓信號,通過(guò)補償導線(xiàn)將電壓信號傳遞給變換器。在變換器內部,將探頭的微弱信號進(jìn)行差分放大。同時(shí),鉑電阻與分壓放大電路組成冷端補償電路,冷端補償電路的輸出與探頭放大后的信號進(jìn)行加法運算得到精確的溫度信號，再經(jīng)調零點(diǎn)、滿(mǎn)量程電路輸出滿(mǎn)足要求的標準電壓信號。
 
　　傳感器采用熱穩定性可靠、耐高溫的鎢錸熱電偶作為感溫元件，并在冷端-40~70℃范圍內對傳感器進(jìn)行溫度補償，在實(shí)現高溫區溫度測量的同時(shí),實(shí)現低全溫區的高精度溫度測量。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)穩定性好,長(cháng)期使用溫度為2400℃,短期使用可最高達3000℃。
2溫度傳感器的探頭設計
2.1傳感器探頭結構設計
　　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計的重點(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計了隔熱保護套。
 
　　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)間內也應承受高溫，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,現對探頭進(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，外殼密度參數為7850kg·m~',導熱系數為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，還能夠對捆綁線(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。外殼密度參數為870kg.m~,導熱系數為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計
3.1熱電偶差分放大電路
　　鎢錸熱電偶產(chǎn)生的熱電勢非常微弱，要求電路的放大倍數比較大,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。因此本設計采用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)現較大的放大倍數,而且電路中的電阻均小于1MΩ,在實(shí)現較大放大倍數的同時(shí),消除了溫度漂移帶來(lái)的影響。
3.2調零點(diǎn)、滿(mǎn)量程電路
　　傳感器輸出要求為標準的信號,后端要進(jìn)行AD采集，因此要求電路輸出的模擬量信號為0.2-4.8V,通過(guò)調零點(diǎn)滿(mǎn)量程電路可以將輸出信號調理成標準信號,電路如圖6所示。
 
3.3高精度溫度補償電路
　　在實(shí)際檢測過(guò)程中,環(huán)境溫度等的改變均會(huì )對傳感器產(chǎn)生一定影響，要保證低溫區的高精度,就必須要對傳感器進(jìn)行高精度的溫度補償,如圖7所示。
 
　　溫度補償區間為-40~70℃,要對溫度區間內的溫度變化量進(jìn)行分析,由表1可以看出:-40~70℃區間內,鎢.錸偶絲熱電勢每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.根據鎢錸偶絲的變化量調節高精度溫度補償電路的電阻參數,將R6,R7設置成7.87kΩ,R2與R3之間相差100Ω即可實(shí)現在補償電路中每10℃的變化量平均值為1mV。
4實(shí)驗測試
4.1非線(xiàn)性誤差測試
　　變換器非線(xiàn)性誤差利用信號源代替探頭作為輸入值，鎢錸偶絲在0℃時(shí)對應的電動(dòng)勢為0mV,2700℃時(shí)對應的電動(dòng)勢為42.5583mV,用電壓表測量變換器各點(diǎn)輸出電壓值，記錄數據并擬合曲線(xiàn)，得到傳感器理論輸出值。各測試點(diǎn)測試值見(jiàn)表1..
 
　　非線(xiàn)性誤差計算公式為
 
4.2全溫區精度測試
　　在0~2700℃量程內均勻選取6個(gè)溫度點(diǎn)(50,590,1130,I670,2210,2700℃),連接傳感器探頭與變換器,分別測試變換器各點(diǎn)輸出值,并與理論輸出值對比,計算出理論值與輸出值之間的偏差。各測試點(diǎn)測試值見(jiàn)表2。
 
　　全溫區精度可以根據式(2)推算,全溫區最大偏差為0.734V,可以推算出傳感器精度為1.5%FS.
5結論
　　本文針對航天器較惡劣的使用環(huán)境，設計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,傳感器可實(shí)現對2700℃高溫環(huán)境空氣溫度的測量,并在冷端-40~70℃范圍內對傳感器進(jìn)行溫度補償，經(jīng)傳感器結構仿真分析與溫度試驗表明:設計的傳感器不僅能在超高溫溫度下實(shí)現溫度測量,而且非線(xiàn)性誤差控制在滿(mǎn)量程的0.25%,全溫區精度控制在滿(mǎn)量程的1.5%以?xún)?，能夠?shí)現傳感器在惡劣環(huán)境下的高溫、高精度測量。