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喻尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于计算机的自限温伴热带电气性能测试系统 摘要 自限温伴热带是一种理想的发热元件，是具有一定科研价值及市场推广 应用价值的高新技术产品。这种产品最大韵特点是能够根据环境温度的变化 来自动的调节其发热功率，因此被广泛地应用于石油、化工及民用等领域。 目前，这种产品在国内的用量非常大，仅国内生产该产品的企业就有几十 家。在这些企业中，尤其一些中、小型生产厂家，产品的检测手段落后，多 数是靠手工操表去检测产品的质量。随着基础材料的技术进步，自限温伴热 带在国内将有很大的发展，迫切需要提供一套规范的、自动化程度较高的测 试系统。 为此，本课题设计并研制了一套以功率、电压和温度为主要测试参数， 可同时测量5 个试样的基于计算机的自动测试系统。整个测试系统由硬件和 软件两部分组成。其中，硬件部分主要包括：试样箱体、传感器、数据采集 卡和计算机。试样箱体是用来放置试样；传感器实现包括电压、功率和温度 等模拟量的测试；数据采集卡的作用是进行数据采集；计算机用来实现显 示、数据处理和存储等功能。本文对硬件的各个环节进行了仔细分析、选取 和设计。软件部分的主要工作是用c + + b u i l d e r 对数据采集卡进行编程，其 主要功能包括：实现对数据采集卡工作的控制，对所采集信号的处理，显示 和保存等。实验证明，本测试系统具有测试准确、易操作、自动化程度高等 优点。 本系统的研制，为伴热带的生产企业及其用户提供了一种规范且经济的 检测手段。 关键词自限温伴热带；正温度系数；电气性能；测试系统 坠堡堡塞三查兰三兰竺圭耋堡丝兰 t h ee l e c t r i cp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e mb a s e do i l c o m p u t e r f o rs e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l e a b s t r a c t t h es e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l ei sai d e a lh e a t i n gc o m p o n e n ta n di sc a l l e d a st h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yp r o d u c tw i t ht h ev a l u eo fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n i tc a na d j u s th e a t i n gp o w e ra c c o r d i n gt oe n v i r o n m e n t s s o ，i ti su s e d w i d e l yi np e t r o l e u m ，c h e m i s t r ya n dc i v i lf i e l d s n o w , t h e r ea r el o t so ft h e p r o d u c t sa n dm a n u f a c t u r e r s i no u rc o u n t r y t h e i r t e s t i n g m e t h o dt os e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l e si sm a n u a la n dn o ta d v a n c e d ，e s p e c i a l l ya tm e d i u ma n d s m a l ls i z e de n t e r p r i s e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb a s i cm a t e r i a lt e c h n o l o g i e s ， s e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l e sw i l l b ea p p l i e db r o a d l y s o ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o par e g u l a ra n da u t o m o t i v et e s t i n gs y s t e mf u ri t a t e s t i n gs y s t e mf o rs e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l ei sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a nm e a s u r et h ep o w e r , v o l t a g ea n dt e m p e r a t u r eo f5s a m p l e sa tt h es a m e t i m e t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d e s t h eb o xf u r s a m p l e s ，s e n s o r s ，ad a t ac o l l e c t i o nb o a r d a n dac o m p u t e r t h e f u n c t i o no ft h eb o xs u p p l ya na d j u s t e dc o n d i t i o nf o rs a m p l e s t h ef u n c t i o n so f s e n s o r sa r er e s p e c t i v e l yt e s t i n gv o l t a g e s ，p o w e r sa n dt e m p e r a t u r e so fs a m p l e s t h ed a t ac o l l e c t i n gb o a r dc a nc o l l e c ta n a l o gs i g n a l sa n dc o n v e r tt h e mt od i g i t a l s i g n a l s t h ep r o c e s s ，d i s p l a ya n ds t o r a g eo fd a t aa r ec o m p l e t e dw i t ht h ec o m p u t e r e v e r yp a r to ft h eh a r d w a r ei sc a r e f u l l ys e l e c t e da n dr e s e a r c h e d c o m p i l i n g p r o g r a m m et od a t ac o l l e c t i n gb o a r di sm a i n l yt a s ko fs o f t w a r e t h ef u n c t i o n so f t h es o f t w a r ea l et oc o n t r o l lt h ed a t ac o l l e c t i n gb o a r da n dp r o c e s sd a t ae t c t h e e x p e r i m e n t sh a v et e s t i f i e dt h ef a c tt h a tt h et e s t i n gs y s t e mi se x a c t ，a u t o m a t i ca n d e a s i l l yo p e r a t e d t h ed e v e l o p m e n to ft h i sm e a s u r i n gs y s t e mp r e s e n taw i s ec h o i c ef o rs m a l l a n dm e d i u mm a n u f a c t u r e so fs e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l e i i 坠竺堡兰三查兰三兰堡圭兰堡篁兰 k e y w o r d s s e l f - r e g u l a t i n gh e a t i n gc a b l e ；p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t e l e c t r i cp e r f o r m a n c e ；t e s t i n gs y s t e m i l i 堕尘堡堡三銮兰三兰堡圭兰堡丝圣 1 1 引言 第1 章绪论 p t c ( 正温度系数) 电伴热带又名自控温加热电缆或自限温伴热带( 本论文 中称其为自限温伴热带) ，是当今应用最广泛和最理想的发热元件，近l o 多年来 国内研究十分活跃“1 。自限温伴热带是一种具有科研价值及市场推广应用价 值的高技术产品，采用它取代传统的蒸汽伴热及电阻丝加热是科技进步的必然 产物。自限温伴热带在工业上广泛应用于油气田及化工厂区管道、阀门、监检 仪表的防冻保温，促进流体的流动等；在民用上可制作新一代环保、节能、安 全型电热毯、医疗器件及用于太阳能上水管线防冻保温，市场前景极其广阔。 尤其是有机p t c 复合材料的应用，使得自限温伴热带的加工更加容易，目前， 美 虱r a y c h e m 公司的伴热电缆在全球的用量已达n 2 亿多万米以上，占全球总 量6 0 以上“。我国对这种产品的进口量也非常之大，每年花费巨额购买该产 品，主要用于西北和东北地区的油气集输管道。随着需求量的迅速增长，现在 国内也开始把自限温伴热带作为重点项目来开发，很多厂家也开始在这方面大 量的投入技术和资金，生产了很多类型的自限温伴热带产品。 随着自限温伴热带的种类和数量的增加，厂家和用户对产品的质量也越来 越重视，由于这类产品是国外的保密技术，而且国内所生产的这类产品还没有 统一的质量标准和检测手段，所以有必要尽快地形成质量评估体系和研制成自 动化的检测设备。 1 2 自限温伴热带的工作原理及发展过程与现状 1 2 1 自限温伴热带的工作原理 自限温伴热带是基于材料的电阻温度特性原理设计的，其结构如图1 1 所 示。图1 2 是伴热带的等效原理电路。图1 3 解释了p t c 材料的特性同时也说 明了伴热带的工作原理。炭黑( c b ) 与具有一定结晶物的高聚物共混后，由于其 具有高度的分散性、巨大的表面积以及和高聚物之间的强烈作用，粒子之问就 形成了网状结构的导电通路”1 。经交联处理以后，使其具有较强的“记忆效 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 一：一 。窿程卜l ；至 图1 - 1 伴热带内部结构图图1 - 2 伴热带等效原理图 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f h e a t i n gc a b l ef i g 1 - 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f h e a t i n gc a b l e 应”“1 。常温下，导电粒子均匀分布于高聚物基体中，因隧道效应电流得以通 过，形成良好的导电性。一旦环境温度发生变化，即通过发热体体积变化及导 电粒子隧道效应的增减来调节通过自身的电流，具体工作原理可解释为：1 温 度降低，高聚物基体收缩，导电粒子间距缩小，形成更多的导电通路，反映在这 一区域的电阻减小，电流增加，电热带输出功率增加；2 温度升高，高聚物基体 膨胀，导电粒子间距增大，切断了原来部分接触不紧密的导电通路，反映在这 一区域的电阻增加：3 当温度再高时，进入基体微观“剧烈膨胀”状态，使大 量导电粒子脱离相互间的接触，几乎所有导电通路都中断，反映在这一区域有很 高电阻，只有微少电流通过，输出功率甚微。上述过程随温度变化反复进行， 发热体根据自身温度变化按比例输出热量，最后达到发热与散热的平衡，使这 一区域的温度保持恒定，达到近乎完美的自限温效果。“。 a 趔 嶷 脚 图1 - 3 伴热带加热原理图 f i g ，1 - 3t h ep r i n c i p l eo f h e a t i n gc a b l ea tw o r k i n g 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 2 自限温伴热带的发展过程及其前景 聚合物中的p t c 效应最初是由f r y d m a n 于1 9 4 5 年发现的”1 。为了解释这 种电阻随温度变化的现象，k o h l e r 于1 9 6 6 年提出了聚合物与炭黑问热膨胀系 数的差异是产生p t c 效应的原因”“。我国科研人员从8 0 年代开始对这一材 料进行研究开发工作，先后研制成功自限温伴热带、p t c 过流保护元件等一系 列高新技术产品，其中最具代表性的是自限温伴热带。 象所有新产品一样，自限温伴热带从诞生之初到现在，也经历了一段曲折 的发展过程。起初，伴热带产品的发展始终受到其性能稳定性和加工困难的影 响，直到有机p t c 材料和交联技术的投入应用，使上述问题得以解决“。经 过几年的实际应用，用户才逐渐认识到了这种高科技产品诸多优点，产品需求 量也逐年增加。据初步估计，现在石油行业每年使用伴热带在六十万米左右， 加上化工、机械等其它行业的零散需求量，每年各类电加热带的市场需求量 达七十万米左右“。如今，国内自控温电加热带的生产企业已近百家。但就 掌握的情况来看，大部分厂家并没有完全掌握生产的关键技术，都处于一种低 水平重复状态，它们的特点是技术落后，品种单一，质量差，缺乏竞争力。 尽管自控温电热带自研制成功投放市场已近2 0 年，但其发展还很缓慢。 至今，其大部分产品仍局限于石油、化工及机械行业的管道、罐体、阀门、仪 表等处的防冻、保温，其更加广阔的应用领域还有待于不断地拓展。对于自限 温伴热带今后的研究及发展，应侧重于以下两个方面：一是在提高耐温等级 ( 1 5 0 以上) 和使用长度( 3 0 0 m 以上) 两方面寻求突破”3 ，如市场急需高温自控 温电热带，以用于如各类蒸汽管道、沥青槽车等处的加热、保温：在输油管道 作业中，大量需要长距离地埋电热带等；另一方面就是民用产品的开发，这 是自控温电热带今后发展的主要方向。现今，利用自控温电热带的p t c 效应， 已试制出部分民用产品并有少量投入市场。如治疗风湿、腰腿疼的电热座垫、 电热腰带等。还有许多待开发的产品适宜使用电热带，如：油箱、水箱的保温 套；汽车、候车室、体育场馆电热座椅；农用温室大棚，育苗床等等。作为一 种无污染产品，它还可以用于粮食、药品、酒糟等物的烘干以及作物发酵、 酿造等行业；对北方的飞机场、重要公路和建筑屋顶等处的融雪以及室内的取 暖等等都可以考虑应用自限温伴热带。可以相信，每一种民用产品研制成功并 推广开来，都将有一个巨大的市场。自限温伴热产品民用化，将为电热带研制 和生产提供更大的发展空间。 啥尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 1 3 国内外伴热带测试技术简介 国外的公司，比如技术比较成熟的瑞侃公司，不仅在伴热带产品本身的制 造技术上比较成熟，而且在性能测试系统方面也已经做的比较完善。但是国外 的有关自限温伴热带和其测试设备的技术是不对外公开的。根据所掌握的资 料，在国内对热敏电阻器件的性能测试的确有人研究，从收集到的文献来看， 主要有：温殿忠等人于1 9 9 7 年研究的p t c 电阻热耗实验仪“，付明等人于 1 9 9 8 年研究的p t c r 恢复时间自动测试仪“，周东祥等人于1 9 9 9 年研究的限 流用p t c r 耐雷电波仪“，李银祥等人于1 9 9 9 年研究的p t c r 残余电流测试 仪“”，姜胜林等人于2 0 0 0 年研究的多工位p t c r 自动耐电压测试仪“，董浩斌 等人于2 0 0 1 年研究的全自动p t c 电流一时间特性测试仪“，潘武飞等人于 2 0 0 1 年研究的耐电压自动测试仪。“等等。从资料上看，国内关于p t c 特性的 测试的设备的研究都是针对材料或者是热敏电阻器件的，而对于自限温伴热带 性能测试的自动测试设备却没有人去研究。 1 4 本课题的意义 测试设备是人类认识自然和改造自然的有力工具，涉及到国民经济的各行 各业。著名科学家王大珩院士论述道：“仪器仪表是标志现代高新技术发展的 一项前沿科技领域；是实现产业技术改造和技术更新的重要组成部分；是进行 现代科学技术研究和发展的必备技术支柱：是实施产品质量监督与管理的有力 物质保证”“。从获得诺贝尔物理奖的统计来看，百分之五十得益于仪器或测 试手段的发明创造。清华大学殷纯永教授发表了“没有测试就没有科学”的 论文，测试技术的领先程度决定了科研和生产的先进程度和竞争能力”“。现代 技术的发展，多学科技术的交叉综合运用，管理工作的计算机化、网络化，使 传统测试方法、测试目的、测试过程和测试结果的处理等观念发生了变化”。 测试、数据采集、控制之间的界限日趋模糊；而测试、维护、诊断、修理、数 据处理管理一体化的模式正逐渐地被人们所接受；对研制设计、生产制造、 使用维护、库存维修等各环节一体化日趋迫切；对测试的现场化、远地化、网 络化和对测试系统的自校准、自诊断、自感知提出了新的要求。对自限温伴热 带的性能测试也面临着测试手段的革新。 对自限温伴热带的阻温特性( 或功温特性) 的检测是产品生产和应用选型过 程中不可缺少的重要环节，目前国内生产厂家在生产过程中的检测多是基于手 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 工检测，即用万用表、温度计等测量工具，分时段的读取温度和电流、电压等 数据，然后描绘出该样品的阻温特性或功温曲线，及其它技术参数。从提高生 产效率和产品质量的角度上讲，这种手工测试方法显然是过于落后。 阻温特性f 或功温特性) 是自限温伴热带最主要的性能指标，因为从阻温特 性上能看出伴热带的其它特性，如：标称功率、起动电流等性能参数。但是前 提是所测得的电阻和温度数据必须足够的多，即接近于连续的值，因此，就需 要套能自动测试自限温伴热带自控特性的设备。但目前在国内还没有一套成 熟的设备专供自限温伴热带测试用，本论文正是基于此情况，研究了一套专门 供自限温伴热带的电气性能测试的自动测试系统。 自限温伴热带产品正逐渐被更多的行业所接受，生产这种产品的厂家也越 来越多，而伴热带的价格也很高，最贵能达到每米几十元甚至上百元的价格， 而限制产品价格的主要因数就是它的质量和生产效率的问题，因此如果有一套 能够自动测试产品性能的设备，必将受到国内生产企业的欢迎。本文所研制的 测试系统在不包括计算机的情况下价格将控制在一万元以内，以便于一些中、 小型的生产厂家的应用。 1 5 本课题研究的主要内容 根据目前国内外自限温伴热带性能检测方法和手段的发展状况，开发自限 温伴热带自动测试系统是十分必要的。为此，确定本文研究的内容如下： 1 、对自限温伴热带性能的评估体系进行探讨和分析： 2 、对伴热带电气性能的主要参数：温度、功率和电压实现自动钡4 试； 3 、用c + + b u i l d e r 语言编写数据采集和处理等功能的界面； 4 、对自限温伴热带实验时的箱体和直流电源进行设计； 5 、在不同环境下对伴热带进行测试，分析其性能。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章测试系统的整体方案设计 自限温伴热带的性能是决定其被接受程度的重要因素。对自限温伴热带性 能的评价，目前国家还没有统一的标准。企业中对该产品性能的评价一般是结 合相关电缆产品的国家或企业标准后再制定自己的企业标准。”。对于自限温伴 热带的性能评价，总的来说可以归结为以下评价内容：耐压试验、耐水试验、 耐化学试剂试验、机械强度试验( 室温弯曲率和冷弯曲率) 以及考察伴热带p t c 特性和稳定性的电气性能试验。从不同的评价内容考虑，有不同的性能评价参 数。例如，兰州石油化工研究院对耐压试验的评价标准为：在导线与绝缘之间 施加2 5 0 0 v 直流电压t 分钟，若无闪烙或裂纹则算通过；对耐水试验是按照 i e e e 标准5 1 5 ：1 9 8 3 第5 1 3 部分：对耐化学试剂试验和弯曲性等也都按照相应 的参考标准给出了评价参数和要求。而对于评价伴热带p t c 特性和稳定性的电 气性能的参数一般有：自控特性( p t 或r - t ) 、起动电流、热稳定性以及标称功 率和维持温度等。 2 2 待测参数的确定 本课题的目的是实现对自限温伴热带电气性能的测试及描述，为了尽量全 面地描述伴热带的电气性能参数，同时又兼顾测试设备的造价问题，本课题通 过反复论证，最终决定以工作电压( 考虑到电源电压的波动性) 、发热功率和伴 热带工作时的表面温度为基本测试参数。通过电压和功率值可以间接地得到电 流和电阻值，这样本测试系统通过对以上三个参数的直接测试，即可对自控特 性、起动电流、维持温度、标称功率以及热稳定性等性能参数进行描述。 2 3 测试系统的组成 本自限温伴热带性能测试系统可同时测量5 个伴热带试样。对每个试样的 表面温度t 和发热功率p 用相应的传感器进行分别测试，另外，由于5 个试样 是并在一起用一个工作电源来供电，所以对电压值的测试只需一个电压传感 器。因此本系统中共有1 1 个被测量。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 测试系统将以数据采集板a d 7 2 0 2 为核心，以相应的传感器为测试手段， 用c + + b u i l d e r 语言制作控制数据采集和处理的操作界面，最终实现基于计算 机的伴热带电气性能的自动测试。其中计算机是数据采集卡的载体，其功能主 要是控制数据采集卡的工作状态，另外还要完成对所测数据的分析、处理以及 对相应的图形进行实时显示等功能。 2 3 1 系统硬件的总体结构 根据测试系统的功能，整个测试系统可以划分为四部分：试品箱( 将试样 放入其中，提供一致的测试环境) 、传感器( 测试温度、电压和功率) 、数据采集 卡和计算机，除此之外还有温度传感器的外围电路和各个传感器的直流驱动电 源。本论文中的自限温伴热带性能测试系统整体组成框架如图2 1 所示。 试品箱的作用是为被测试品提供一个标准的测试环境；本测试系统可同时 测量5 个试样，即箱体中可以均匀地放置5 根一米长的伴热带。另外箱体本身 可以控制温度，以便为测试提供统一的温度环境。 测试系统的第二部分为传感器部分，包括温度传感器、电压传感器和有功 功率传感器。其功能分别是测量温度、电压和发热功率等信号。 数据采集卡是镶嵌在计算机的p c i 插槽中，其功能是实现上述三种模拟信 号进行采集，并将数据传入计算机。 计算机上的操作界面可以控制数据采集卡的工作，而且可以即时地显示所 采集到的数据和相关图象，同时还能对所采集到的数据和图像保存，以便作其 它处理。 图2 - 1 测试系统硬件结构框图 f i g 2 - 1t h eh a r d w a r ef r a m eo f t h et e s t i n gs y s t e m 2 3 2 系统软件的总体结构 本自限温伴热带性能测试系统软件的功能主要有：控制数据采集模块完成 对被测模拟信号的采集；对采集到的数据进行分析和处理；驱动外围器件完成 显示和打印等功能。本系统的软件采用c + + b u i l d e r 编制界面以及采集控制程 序，在整个软件开发中，各路信号的数据存储和显示是关键点，同时兼顾伴热 带产品性能的其它要求，使软件部分的功能尽量完善。本测试系统软件的总体 结构如图2 2 所示。 2 4 本章小结 图2 - 2 测试系统软件流程图 r i g 2 - 2t h es o f t w a r ef l o wc h a r to f t h et e s t i n gs y s t e m 描述了本测试系统的总体功能，同时对自限温伴热带的性能评价进行了探 讨，并确定了其电气性能的待测参数。对测试系统的硬件组成和软件流程进行 了简单的介绍。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第3 章测试系统的硬件设计 3 1 试品箱的设计 试品箱体的功能是为实验提供一个统一的测试环境，同时又能为不同电压 等级的伴热带提供工作电源。因此整个箱体内部可以划分为两部分空间，一部 分是用来盛放试样的，另一部分是用来放置实验用的电源变压器。为了调节温 度方便，内部还设有温度控制装置。箱体的外型如图3 1 所示，操作面板的上 部设有供选择工作电压等级的开关、电压表以及温度表；下部为总电源开关以 及温度调节装置。图3 2 所示的由绝缘隔开的两个金属环是用来挂放伴热带试 样用的。两金属环之问有5 个位置空出，可放置5 伴热带试样，测试时，只需 绝缘部分 电极 图3 - 1 试样放置箱体的结构图图3 - 2 放置试样的扇形图 f i g 3 - 1t h ee x t e r n a lf i g u r eo f s a m p l eb o xf i g 3 - 2t h ef r a m ef o rs a m p l e 把伴热带的两根导线的引线分别搭在两个环上。考虑到试样之间的热量交换问 题会对彼此的受热造成差异，所以5 个试样之间的间隔是等间距的。两个金属 环相当于两个电极与工作电源相接。为了移动箱体方便，在箱体的底部可安上 四个小轮，在上部安有扶手。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 温度传感器及其外围电路的设计 3 2 1 温度传感器的选择 温度是本测试系统中的三个测试参数之一。常用的温度传感器有：电阻式 温度传感器( 如铜电阻c u 5 0 ，铂电阻p t l 0 0 ) 、半导体热敏电阻( 如m f 2 5 k ) 、热 电偶和集成电路温度传感器( 如a d 5 9 0 ) 。这几种传感器的共同点是都能把温度 信号通过变送电路转变成电信号。热电阻的优点是测量精度很高，缺点是热响 应慢，耐振动和耐冲击性差，成本高，不适合测量高温区；热敏电阻的优点是 可测量到小范围内的温度，变化率较大，固有电阻大，无需延长导线时的误差 补偿，缺点是变化率非线性，不适合测量高温区；热电偶的优点是可测量到小 范围内的温度，热响应快，耐振动和耐冲击，可以测量高温区，缺点是变化率 小，需修正冷接点温度。 本文从灵敏度、线性度、测温范围、稳定性及性价比等因素综合考虑，决 定选用a d 5 9 0 集成电路温度传感器，它体积很小可以放在金属套管里。测量 时，把a d 5 9 0 放在铁制的套管中，使其处于套管的中部位置，同时套管中填 满导热性能良好的刚玉粉末。 3 2 2a d 5 9 0 集成温度传蒜器的工作原理 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b - e 结压降的不饱和值v b e 、热力学温度t 和通过发射极电流i 的3 1 式所示的关 系来实现对温度的检测： k 。：k t 1 n 1 ( 3 1 ) 。 q 式中世一波尔兹常数： 仃一电子电荷绝对值。 a d 5 9 0 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源“7 “2 ，其原理 图如图3 3 所示。经过推导之后，可获得电路总的工作电流： l o = 而3 k l n 8 r ( 3 - 2 ) = 一 i j - zj g ( 民一也) 、7 式中q 一电子电荷量： 丁一被测温度。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 幽3 - 3a d 5 9 0 内部原理图 f i g 3 3t h es c h e m a t i co f a d 5 9 0 3 2 3a d 5 9 0 集成温度传感器的特点及基本应用电路 a d 5 9 0 作为集成温度传感器，其基本特点为： 1 、流过器件的电流( 1 a a ) 等于器件所处环境的热力学温度( 开尔文) 度数， 即： 争_ l ( 叫k ) ( 3 - 3 ) 式中卜流过器件( a d 5 9 0 ) 的电流( g a ) ： 卜热力学温度( k ) 。 2 、a d 5 9 0 的测温范围为一5 5 + 1 5 0 。 3 、a d 5 9 0 的电源电压范围为4 v 3 0 v 。电源电压可在4 v 6 v 范围变 化，电流厶变化1 1 t a ，相当于温度变化1 k 。a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压 和2 0 v 反向电压。 4 、输出电阻为7 1 0 m q 。 5 、精度高。a d 5 9 0 共有i 、j 、k 、l 、m 五档，其中m 档精度最高， 在- 5 5 + 1 5 0 范围内，非线性误差为o 3 。 a d 5 9 0 本身是一集成模块，在实际测量当中要根据具体要求配合适当的外 围电路来应用。因为它相当于一个恒流源的作用，在测温时，最基本的应用电 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 路如图3 - 4 所示。 因为流过a d 5 9 0 的电流与热力学温度 成正比，当电阻r l 和电位器r 2 的电阻之 和为1 k q 时，输出电压随温度的变化 为1 m v k 。但由于a d 5 9 0 的增益有偏 差，电阻也有误差，因此应对电路进行调 整。调整的方法为：把a d 5 9 0 放于冰水混 合物中，调整电位器r 2 ，使 v o = 2 7 3 2 m v 。或在室温下( 2 5 1 条件下调 整电位器，使v o = 2 7 3 2 + 2 5 = 2 9 8 2 ( m v ) 。但 这样调整只可保证在0 或2 5 附近的精度 较高。 9 0 v o 图3 - 4 a d 5 9 0 的典型应用图 f i g 3 - 4t h et y p i c a la p p l i c a t i o no f a d 5 9 0 3 2 4 本测试系统中a d s 9 0 的外围电路设计 本论文中的白限温伴热带性能测试系统可同时测量5 个试样，对温度的 测量，采用5 个a d 5 9 0 测量，即5 路温度信号。具体的外围电路设计成如图 3 5 所示，整个电路可以分为5 部分，输出从场，到v o j ，a d 5 8 1 是高精度集 成稳压器，输入电压最大为4 0 v ，输出1 0 v ，由于a d 5 8 l 的价格较昂贵，为 了弥补其对5 个运放同时供电而功率不足的问题，本电路中采用了电压跟随 器l m l 2 4 ，使5 个测温电路可以共用一个基准电源。此电路的特点是输出的 电压值可以直接对应摄氏温度。以其中的第一路为例，电位器r 2 用于调整零 点( 0 时输出电压值为零) ，r 4 用于调整运放l f 3 5 5 的增益。在本测试系统 中，要求伴热带的最高表面温度为1 5 0 ，同时还要满足运放的输出不能超 过数据采集卡的输入范围，所以本电路的具体标定方法是：把电路连接好 后，把装有a d 5 9 0 的金属套管放在冰水混合物环境( 0 ) 中，调整r 2 ，使输 出广o ，然后再放入沸水中( 1 0 0 ) ，调整r 4 使v o j = 6 v 。如此反复调整多 次，直至0 时，v o ，= 0 m v ，1 0 0 时，= 6 v 为止。最后在室温下进行校验 【2 9 j 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图3 5 温度传感器的外围电路原理图 f i g 3 - 5t h ec o n v e r s i o nc i r c u i to f t e m p e r a t u r es e n s o r 3 3 功率值测量的实现 功率的测量可以分为有功功率的测量和视在功率的测量等。由于自限温伴 热带是属于发热产品，而且有功功率的测量结果将有助于对其他参数的分析， 所以本测试系统中采用有功功率传感器直接测试试样的发热功率。本测试系统 中选用的是北京虹润公司生产的单项有功功率传感器。 3 3 1 单相有功功率传感器的工作原理 传感器中所用的功率芯片的原理图如图3 - 6 所示，图中两个a d c 电路将 电流传感器和电压传感器送入的电压信号进行数字化。这个模拟输入结构大大 简化了传感器接口电路，并提供了很大的动态范围，同时简化了滤波器的设 计。电流通道( v 1 通道) 的高通滤波器( h p f ) 去掉了电流信号里的全部直流成 分，从而减少了有功功率计算中由电压或电流信号偏移带来的不精确性。有功 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 功率的计算可由瞬时功率信号获得。瞬时功率等于电流与电压信号的乘积。低 频输出f l 、f 2 可由有功功率的积累来获得，即输出平均有功功率。低频意味 着在输出脉冲之间的长时间积累。因此，输出频率正比于平均有功功率。平均 有功功率的信息积累( 如用一计数器) 可得到有功能量。相反地，c f 脚输出高频 率可缩短积累时间，其输出频率正比于瞬时有功功率。 图3 - 6 功率传感器内部原理图 f i g 3 6 i h ep r i n c i p l ep i c t u r eo f p o w e r s e n s o r 3 3 2 功率传感器的外形结构和其接线方式 ( a ) 实物例( b ) 连线方式 图3 7 功率传感器的实物与连接原理图 f i g 3 - 7t h ep r a c t i c a l i t ya n dt h ec o n n e c t i n gm a n n e ro fp o w e rs e n s o r 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 功率传感器外形图与连线方式如图3 7 所示，其中电流输入端是通过电 流互感器来隔离输入，引脚1 接直流电源，引脚4 和6 是电压输入端，引脚 3 接地，引脚5 为电压输出端。 3 4 电压有效值测量的实现 虽然工作电压在名义上是固定值，其实是有一定的波动，为了能够比较 精确地描绘出自限温伴热带的各种特性曲线，得到准确的电压值是必要的。 本论文中采用了型号为v 6 4 1 2 b u 的有效值电压测量传感器”。原理框图 如图3 8 所示。输入的交流电流、电压信号由特制隔离模块隔离，再由真有效 值直流( t r m s d c ) 转换电路转换成直流电压，经滤波放大后输出标准直流电压 v z ：0 5 v ，o l o w ，1 5 v 等。虚框内为备选输出方式( 若经专用v 厚膜集成 电路，则输出标准直流电流i z ：o 2 0 m a ，4 2 0 m a 等；或经专用v f 厚膜集 辕入 信号 图3 - 8 电量隔离传感器原理框图 f i g 3 - 8t h ep r i n c i p i u md i a g r a m o f e l e c t r i c a li s o l a t i o ns e n s o r 成电路输出频率量f k ：0 5 k h z 等) 。本测试系统中直接采用电压输出，传感 器使用辅助电源+ 1 2 v 或+ 2 4 v ( 本系统中采用统一的1 2 v 电源供电) 。传感器综 合精度为0 5 级。该产品的主要特点是温漂小、测量精度高、性能价格比好， 适用于正弦波、非正弦波( 矩形波、三角波、锯齿波及其它有较大失真波形) 的 电流、电压值隔离测量。 本测试系统中伴热带的工作电压测试的连接方式如图3 9 所示，伴热带其 中一端的两根导线接头与电压传感器的输入端相连，传感器与后续设备靠近， 输出端通过引线接至数据采集卡，进行a d 处理，处理后的信号输入计算机， 同时由计算机等控制采样、处理。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 、- 图3 9 电压传感器应用原理框图 f i g 3 - 9t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f v o l t a g es e n s o r 3 5 传感器用直流电源的设计 本论文的测试系统中，功率传感器和电压传感器都要用型j + 1 2 v 的直流驱 动电源；另外在温度传感器的外围电路中，运算放大器l f 3 5 5 需要1 5 v 的双 图3 1 0 传感器用直流电源原理图 f i g 3 - 1 0t h es c h e m a t i co f e l e c t r i c a ls o u r c ef o rs e n s o r 极性电源，基准电源a d 5 8 1 也要供以一定范围的直流电源，因此从系统地整体 设计出发，本论文设计了一个能同时提供+ 1 2 v 和1 5 v 的共地的直流电源，其 原理图如图3 1 0 所示，电源的结构比较简单，由一个变压器经整流桥和滤波电 容，再输入相应的稳压模块，经稳压模块输出的电压再用电容来滤波，得到了 复合要求的电源波形”1 “3 “。 为了观察所设计的直流电源的电压波形，本论文中用示波器对该直流电源 进行了测试，图3 1 1 和图3 1 2 是从示波器直接拷贝的图形，图3 1 1 为+ 1 2 v 的电 压波形，图中垂直方向上每一大格表示5 v ，光标处所显示的瞬时值为1 1 9 v ， 脉动电压值为2 0 0 m v ，纹波系数约为1 7 ，图3 1 2 为1 5 v 的电压波形。与图 3 1 1 相似，其纹波系数约为2 ，均符合传感器和功率运放的供电要求。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 图3 1 11 2 v 直流电源的电压波形 f i g 3 11t h ev o l t a g ew a v eo f1 2 ve l e c t r i c a ls o u r c e o 念! ! ：! ；舞；一：；1 0 4 u g h 峙； c h i n i 奠鼍 矗o 誊善 j f ：hi 砸辛 ：二 j 恃辛 ： 。 ( ：h z 肉蝴 4 无势幸i 拆i c h 2g 嘲率 无棼毒_ 举桥： 4 u j uvl u u - jv u l 一_ li io li一-l。_il d - l 一_ lj 1 一，j _ ，_ l 1 一一 ： 蝻- 叶o o o o o os 图3 - 1 2 1 5 直流电源的电压波形 f i g 3 - 1 2t h ev o l t a g ew a v eo f + 1 5 v e l e c t r i c a ls o w e 3 6 数据采集的实现 3 6 1 概述 所谓采集卡是具有一定数据采集和处理等功能的集成模块，一般由专业的 厂家制作好后供用户选用，用户也可以根据自己的要求定做或白行开发。常用 的与微型计算机相连接的数据采集卡一般由传感器、模拟多路开关、程控放大 器、采样保持器、a d 转换器等部分所组成。在自限温伴热带性能测试系统 中，数据采集部分负责信号的采集和初步处理，起到传感器与计算机之间连接 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的桥梁作用，所以是该测试系统的一个关键的组成部分。本论文中“数据采 集”的意义是指将模拟量( 电压信号) 采样、转换成数字量后，由计算机进行存 储、处理、显示或打印的过程，相应的系统即为数据采集系统”。本系统具有 数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、二次数据计算、屏幕显示、数据存 储和打印等功能。 3 6 2 数据采集卡a d 7 2 0 2 3 6 2 1 数据采集卡的选择 采集卡是本自限温伴热带性能测试系统的一个重要组成部分。选用采集卡 时一般要考虑采样的同步性、采样的分辨率，采样的速度以及性价比等问题。 本测试系统中，待测量为5 个温度信号，5 个功率信号，1 个电压信号，所以 通道数至少应为1 l 路( 单端输入) ，可以不考虑同步性问题。结合对温度、功率 和电压的精度要，本文选用北京瑞博华控制技术有限公司生产的5 0 k s p s 通 道、1 2 位、单端3 2 通道同步采集a d 板p c i a d 7 2 0 2 ( 8 路开入8 路开出2 路 脉冲计数) 。 3 6 2 2 性能特点该板采用p c i 总线接口，通过采用高速和较高精度的a d 芯 片、高密度f p g a ( 可编程门阵列) 逻辑芯片、较为精细地布线以及优良的制版工 艺，实现了高速、高精度实时数据采集，具有以下性能特点： 1 a d 高精度误差小于+ 一0 5 l s b 。 2 a d 高速度单通道采集速度达到1 0 0 k s p s ( s a m p l ep e rs e c o n d ) ，多通道 方式也能够达到9 0 k s p s 以上，特别适合于工业控制中的数据采集。 3 a d 硬件定时板上提供硬件定时器，可以根据需要发出定时中断，采集 软件在定时中断程序中采集，从而保证准确地时间基准，适于大部分的工业实 时控制和高速数据采集的应用，特别是在w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 的环境下，由于 p c 系统很难提供高精度的定时，采用该板的定时器，能够提供高精度的定时， 同时能够实现较高精度的数据采集，因此，在w i n d o w s 环境下采用该板具 有较高性价比。 4 高抗干扰性该板通过光电隔离技术，保证了系统的精度，在各种工业环 境中都能够实现高精度的数据采集。 5 合理的结构该卡采用紧凑的半长卡结构。 3 6 2 3 性能指标其性能指标主要包括a d 的性能指标和接口。a d 的性能 指标： 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 a d 位数：1 2 位； 2 a d 通道数：单端方式3 2 通道： 3 a d 系统数据采集实际贯通率：1 0 0 k s p s 通道； 4 a d 芯片转换速度：1 0 0 k s ； 5 a d 采样幅值综合误差：+ 一0 5 l s b ； 6 a d 输入电压范围：一5 v + 5 v 或0 v + 1 0 v ； 7 a d 输入阻抗：1 0 m q ； 8 中断源：定时器中断。 接口： 1 总线方式：3 2 位p c i 总线； 2 接头方式：d b 3 7 ( 针式) ； 3 工作温度：o 一7 0 。 3 6 2 4k o 板工作原理简介a d 7 2 0 2 板的硬件组成原理框