熱電阻溫度傳感器時(shí)間常數多通道測試

摘要:為了準確獲取熱電阻的時(shí)間常數.解決階躍測試起始點(diǎn)難以確定及人為測試存在誤差等問(wèn)題,通過(guò)對不同響應時(shí)間的熱電阻輸出響應進(jìn)行了傳遞函數的測試與識別,開(kāi)發(fā)了一套多通道測試裝置。該測試裝置可以對不同輸出信號的熱電阻時(shí)間常數進(jìn)行同時(shí)測量,同時(shí)獲取多個(gè)熱電阻時(shí)間常數以及傳遞函數,實(shí)現多支熱電阻時(shí)間常數的全自動(dòng)測試。該系統可以準確測量不同熱電阻的響應時(shí)間,自動(dòng)化程度高、識別結果準確可靠，克服傳統方法人為誤差影響,可以在計量測試領(lǐng)域進(jìn)行推廣應用。
　　熱電阻是一種導體或者半導體的電阻式傳感器,近年來(lái),隨著(zhù)科技的發(fā)展,測試溫度傳感器動(dòng)態(tài).特性的方法越來(lái)越多。其中,時(shí)間常數作為動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)重要指標,如何準確快速地測量出其時(shí)間常數顯得十分重要。
　　基于時(shí)間常數測試裝置存在難以確定起始點(diǎn)、存在人為讀數誤差、效率低下等問(wèn)題,提出了一套全自動(dòng)的時(shí)間常數測試系統。一方面獲取了階躍響應的具體階躍點(diǎn),為后續分析提供了更為準確的數據;另一方面可以同時(shí)獲取多支溫度傳感器的時(shí)間常數,并對實(shí)際輸出數據進(jìn)行識別和擬合,建立了對應的數學(xué)模型，與理論的數學(xué)模型進(jìn)行比對,驗證了實(shí).驗數據的可靠性。
1測試系統設計
1.1時(shí)間常數計算理論
　　對于理想的溫度傳感器,其動(dòng)態(tài)特性通?？梢允褂脗鬟f函數來(lái)表示。給溫度傳感器提供一個(gè)階躍信號或者斜坡信號,隨后采集溫度傳感器的輸出信號,可以計算獲取其傳遞函數。其中一般的溫度傳感器為一階模型，其數學(xué)模型為:
 
　　由該式可知,當c(t)-T0=0.632(T1-T0)時(shí),t=T,由此可得出熱電阻的時(shí)間常數T的含義為:溫度傳感器輸出溫度的變化量由零到介質(zhì)溫度與熱電阻初始溫度之差的63.2%3.所用的時(shí)間。
　　上述公式適用于一般的溫度傳感器，例如熱電阻、熱敏電阻等。
1.2測試系統硬件設計
　　測試系統具體組成包括:計算機、多通道采集卡、電磁鐵開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)信號采集卡、電磁鐵、被測熱電阻若干、對射式光電傳感器、固定裝置、滑塊、滑軌、恒溫油槽等。其主要結構關(guān)系如圖1所示。
　　由上位機控制電磁鐵開(kāi)關(guān),用于控制滑塊及固定裝置下落,利用對射式光電傳感器確定被測溫度傳感器接觸恒溫油槽介質(zhì)的準確時(shí)間,多通道采集卡持續采集被測溫度,由上位機軟件內部的計時(shí)器記錄下產(chǎn)生光電信號到被測溫度達到階躍響應溫度的時(shí)間。最后把被測數據傳送至上位機,在上位機中生成實(shí)時(shí)圖像,輸出采集的數據以用于后續處理。
　　該裝置一方面有效地避免了起始點(diǎn)難以確定的問(wèn)題,另一方面避免了人工計算的誤差,并且可以多通道同時(shí)采集，以及對多支溫度傳感器同時(shí)進(jìn)行時(shí)間常數的測量。
 
1.3測試系統軟件設計
　　對于上位機軟件,其實(shí)現的主要功能為:
(1)接收下位機傳輸過(guò)來(lái)的電阻、電流、對射式光電傳感器開(kāi)關(guān)等信號,將電阻、電流等信號轉化為溫度信號,并將諸多模擬信號轉化為數字信號。
(2)控制電磁鐵的開(kāi)關(guān)信號,待溫度穩定后斷開(kāi)電磁鐵,使滑塊沿著(zhù)滑軌做自由落體運動(dòng)。
(3)提供計時(shí)器的功能,在對射式光電傳感器的信號變化時(shí)開(kāi)始計時(shí),直到溫度信號達到階躍信號的溫度點(diǎn)時(shí)停止計時(shí)。
(4)提供系統辨識工具包，對輸出數據進(jìn)行相關(guān)函數的辨識，獲取其實(shí)際的傳遞函數。并對輸出的數據,依據理論推導的公式進(jìn)行擬合,以獲取輸出函數。
2實(shí)驗設計與數據分析
　　熱電阻時(shí)間常數大小與傳熱介質(zhì)有著(zhù)較大的關(guān)系，因此只能測取在特定介質(zhì)下的具體時(shí)間常數。實(shí)驗中所采取的介質(zhì)均為硅油,所有提到具體.數值的時(shí)間常數均為在介質(zhì)為硅油時(shí)的時(shí)間常數。
　　在實(shí)驗中,采用標準鉑電阻作為標準器。其在硅油中的時(shí)間常數為15s。另外采用兩根普通鉑電阻作:為被測電阻。利用多通道采集卡同時(shí)獲取各個(gè)熱電阻的電阻值、對射式光電傳感器的開(kāi)關(guān)信號。其中設置多通道采集卡的采樣頻率為10Hz。.
2.1實(shí)驗步驟
具體實(shí)驗步驟如下:
(1)將被測溫度傳感器置于固定裝置上,固定裝置置于滑塊上。打開(kāi)溫度采集程序和電磁鐵開(kāi)關(guān),將滑塊吸附住。
(2)控制恒溫油槽達到固定點(diǎn)溫度,并等待溫度穩定。
(3)待溫度穩定后,斷開(kāi)電磁鐵開(kāi)關(guān),讓滑塊沿著(zhù)滑軌自由落下,待滑塊經(jīng)過(guò)對射式激光傳感器位置時(shí),傳感器輸出信號會(huì )產(chǎn)生變化,將其變化的時(shí)間點(diǎn)作為階躍響應的計時(shí)起始點(diǎn)。
(4)當溫度達到階躍溫度點(diǎn)時(shí)，內部計時(shí)器停止計時(shí)。待被測溫度傳感器達到恒溫油槽的溫度并穩定后,停止采集溫度。讀取上位機所記錄的經(jīng)過(guò)的時(shí)間數值即為時(shí)間常數。
(5)測試結束后，將被測數據導出,進(jìn)行函數擬合以及系統辨識。
2.2實(shí)驗結果:
　　按照實(shí)驗步驟對3根熱電阻進(jìn)行測試,待熱電阻冷卻后,共進(jìn)行3次重復試驗,其中一次被測溫度以，及開(kāi)關(guān)信號的數據如圖2所示。
 
　　讀取上位機顯示的時(shí)間常數,具體結果如表1所示。
 
　　后續對被測電阻輸出的實(shí)際溫度圖像進(jìn)行讀圖計算，求取時(shí)間常數,具體結果如表2所示。
 
　　計算測試結果的相對誤差如表3所示。
 
　　從表1~表3中可以看出，上位機軟件的內部計時(shí)器獲取的時(shí)間常數與利用采集數據圖像所計算的時(shí)間常數相對誤差小于2%，由此說(shuō)明,此法可以用于同時(shí)計算多支熱電阻的時(shí)間常數。
2.3擬合驗證
　　在獲取到溫度與開(kāi)關(guān)信號的數據后,將穩定后的終溫作為輸人信號,輸出溫度作為輸出信號,輸人系統辨識工具包中,可以獲取到其具體的傳遞函數,具體結果如表4所示。
 
　　從表4中可以看出,一階傳遞函數的理論值與實(shí)際辨識所得的傳遞函數誤差較小,并且符合理論推導的一階系統傳遞函數表達式。
　　最后對于輸出的溫度信號進(jìn)行輸出理論函數的擬合,具體結果如表5所示。
 
　　由表3~表5可知,系統辨識工具包輸出的傳遞函數與理論函數相符合,表明該測試裝置數據的準確可靠。
3結論
　　綜上所述,針對階躍起始點(diǎn)難以確定、人為測試誤差大等問(wèn)題,提出了一種利用對射式光電傳感器確定溫度傳感器階躍信號產(chǎn)生的起始點(diǎn)位置的多通道溫度傳感器時(shí)間常數測試裝置。通過(guò)對輸出數據.進(jìn)行作圖計算、系統辨識，輸出函數的理論擬合,得
出以下結論:
(1)通過(guò)上位機軟件內部計時(shí)器所記錄的時(shí)間常數與輸出數據作圖讀圖計算時(shí)間常數的結果對比顯示，其時(shí)間常數的計算誤差較小,解決了階躍起始點(diǎn)難以確定的問(wèn)題.避免了傳統人為計算的誤差。
(2)通過(guò)多通道采集卡同時(shí)采集電阻、電流等溫度傳感器的信號,可以對熱電阻、熱電偶等各類(lèi)工業(yè)傳感器的時(shí)間常數同時(shí)計算。實(shí)現不同溫度傳感器、多通道同時(shí)測試的功能,提高了測試的效率，降低了成本。
(3)利用上位機軟件對輸出數據進(jìn)行了系統辨識及輸出函數的擬合,計算出其具體傳遞函數及理論輸出函數,驗證了輸出數據的可靠性。推廣該裝置在時(shí)間常數測試方面的使用具有重要的意義。