專利名稱：適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種適用于微重力流體試驗(yàn)的多通道溫度采集系統(tǒng)，尤其涉及一種應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域內(nèi)的多通道溫度采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
熱電偶是最常用的溫度傳感器之一，其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，測溫精度高，在測控領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。但它本身具有非線性和冷端溫度補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜性。常規(guī)的熱電偶測溫中，在地面的冷端補(bǔ)償常采用冰點(diǎn)法、恒溫法等，這些方法都無法在空間實(shí)現(xiàn)，更無法滿足航天要求；在空間任務(wù)中大多采用硬件電路對熱電偶進(jìn)行線性化，如電橋電路等，雖然可以用于空間任務(wù)，但由于阻容器件存在精度問題，帶來一致性比較差，其補(bǔ)償?shù)木鹊?，而且給調(diào)試和標(biāo)定都帶來一定的困難，很難滿足目前航天任務(wù)高性能和高可靠性的需求；尤其是這些方法要在空間實(shí)現(xiàn)，必須采用宇航級抗輻射器件或883B級以上器件，而在這些器件中沒有熱電偶專用的放大器，只能使用通用的放大器，這使得設(shè)計(jì)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，體積功耗大，可靠性低，費(fèi)用高，對于多通道系統(tǒng)一致性差。
對于熱電偶的線性化，主要采用軟件非線性校正，如分段線性化、查表法等，但這些算法都有一定的精度損失，而且運(yùn)算速度慢，無法滿足航天任務(wù)高性能和高可靠性的要求。
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及空間任務(wù)對高性能需求的日益增強(qiáng)，現(xiàn)有的宇航級抗輻射器件/883B級以上器件已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前空間飛行器高性能系統(tǒng)的需求，使得高性能商用器件Commercial-Off-The-Shelf(COTS)在空間的應(yīng)用成為可能。目前在商用器件中有一些專用的帶有冷端補(bǔ)償和線性化的熱電偶放大器，如圖1所示的一種典型的電路實(shí)現(xiàn)的例子，它可用于傳感器為熱電偶的溫度采集系統(tǒng)，但還沒有相應(yīng)的軍品級以上的同性能器件產(chǎn)品。本實(shí)用新型在該系統(tǒng)中采用了一片商用器件。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，為了滿足空間飛行器高性能系統(tǒng)的需求，從而提供一種適用于微重力流體試驗(yàn)的，特別適用于航空航天系統(tǒng)中溫度傳感器為熱電偶的、高精度、體積小、費(fèi)用低、一致性好、可靠性高的多通道溫度采集系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的一種適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，包括安裝在微重力流體實(shí)驗(yàn)裝置中的熱電偶11、多通道切換模塊2、A/D采集模塊5和中央控制單元7；其特征在于，還包括輸入接口濾波電路1、熱電偶溫度采集模塊3、兩級信號放大模塊4、斷偶檢測報(bào)警模塊6和穩(wěn)壓電源模塊8；其中熱電偶11檢測到的信號由輸入接口濾波電路1接收，輸入接口濾波電路1對熱電偶的微小輸入信號進(jìn)行濾波；其中，N個(gè)熱電偶11的輸出端與輸入接口濾波電路1電連接，同時(shí)與多通道切換模塊2電連接；輸入接口濾波電路1，對熱電偶11的微小輸入信號進(jìn)行濾波；多通道切換模塊2用于對多路溫度通道的依次選通；它與熱電偶溫度采集模塊3電連接；同時(shí)與中央控制單元7的輸出端電連接；熱電偶溫度采集模塊3，采集多通道熱電偶的微小信號，并進(jìn)行線性化處理和冷端溫度補(bǔ)償，使得輸出為線性的絕對溫度；熱電偶溫度采集模塊3輸出端與兩級信號放大模塊4電連接；該熱電偶溫度采集模塊3還通過一斷偶檢測報(bào)警模塊6連接到中央控制單元7中CPU的I/O端口上，斷偶檢測報(bào)警模塊6，對多路通道的熱電偶狀態(tài)進(jìn)行檢測，對斷偶發(fā)出報(bào)警信號，該斷偶報(bào)警信號輸入到中央控制單元7；并且在該熱電偶溫度采集模塊3中專用熱電偶放大器AD595的電源輸入端還外接一穩(wěn)壓電源模塊8，向熱電偶溫度采集模塊3提供高精度+5V電；兩級信號放大模塊4，將熱電偶微小信號經(jīng)過兩級放大，使信號輸出電壓范圍在0-10V；兩級信號放大模塊4的輸出端與A/D采集模塊5的信號輸入端電連接；所述的兩級信號放大模塊4為通用精密放大器如OP37放大器。
A/D采集模塊5，采集模擬量溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入給中央控制單元7，中央控制單元7將采集的溫度數(shù)據(jù)標(biāo)以通道標(biāo)號；中央控制單元7，輸出通道選擇信號給多通道切換模塊2，可以選擇熱電偶的選通通道；接收A/D采集模塊5的溫度輸出值和熱電偶狀態(tài)信號，并將溫度數(shù)據(jù)和熱電偶狀態(tài)分別標(biāo)以通道號儲存。
在上述的技術(shù)方案中，所述的N根熱電偶11的N為1一以上的正整數(shù)。
在上述的技術(shù)方案中，所述的輸入接口濾波電路1，采用兩種獨(dú)石電容(獨(dú)石電容體積小，相對溫度變化率小)，對熱電偶的微小輸入信號進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)了空間對熱電偶微小信號的采集。
在上述的技術(shù)方案中，所述的兩級信號放大模塊4將熱電偶微小信號經(jīng)過兩級放大，使信號輸出電壓范圍在0-5V/10V。
在上述的技術(shù)方案中，所述的輸入接口濾波電路1采用兩種分別為0.1μ的和1.5μ的獨(dú)石電容。
在上述的技術(shù)方案中，所述的穩(wěn)壓電源模塊8，向熱電偶溫度采集模塊3提供高精度+5V電壓。
在上述的技術(shù)方案中，所述的多通道切換模塊2，采用了一片雙8路模擬開關(guān)芯片，每一路對應(yīng)一路熱電偶的一對差分信號，另有一路接地，采集一路溫度信號后采集一次接地信號，使采集的溫度信號不帶有殘留信號，采集精度高，實(shí)現(xiàn)了對多路溫度通道的依次選通采集。
在上述的技術(shù)方案中，所述的熱電偶溫度采集模塊3，采用了一片專用的熱電偶放大器AD595。
在上述的技術(shù)方案中，所述的斷偶檢測報(bào)警模塊6利用AD595的熱電偶檢測端和一個(gè)反相器、一個(gè)上拉電阻，AD595的熱電偶檢測端的輸出信號與TTL驅(qū)動(dòng)兼容，當(dāng)某一路熱電偶斷線時(shí)，AD595會輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過反相器后變成高電平，發(fā)出報(bào)警信號，中央控制單元7可以查詢到此信號并記錄相應(yīng)的熱電偶通道號。
在上述的技術(shù)方案中，本實(shí)用新型的系統(tǒng)適用于對多通道的、溫度傳感器為熱電偶、測溫穩(wěn)定度要求高的溫度微小信號進(jìn)行采集。通過切換模擬開關(guān)完成多個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)采集；經(jīng)過熱電偶放大器后，完成了非線性的線性化處理和冷端補(bǔ)償，并將熱電偶信號放大，線性輸出絕對溫度值10mv/℃，經(jīng)過第二級運(yùn)放放大后，使得信號輸出范圍為0-5V/10V，對應(yīng)于流體試驗(yàn)裝置全溫度范圍如(0--120℃)；經(jīng)A/D采集模塊5將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入給中央控制單元7，并相應(yīng)地標(biāo)上通道標(biāo)號；中央控制單元7采集熱電偶狀態(tài)信號，可以檢測熱電偶斷偶情況。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型的系統(tǒng)由于采用了熱電偶溫度采集模塊3，它是一片專用的熱電偶放大器(目前器件等級是工業(yè)級商用器件，待該器件有軍品級以上同性能產(chǎn)品時(shí)也適用該系統(tǒng))，使系統(tǒng)輸出為絕對溫度，并且與實(shí)際溫度呈線性關(guān)系，避免了復(fù)雜的冷端溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償帶來的精度的損失和龐大的硬件系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，易于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和標(biāo)定。
本實(shí)用新型的系統(tǒng)測溫穩(wěn)定度達(dá)到0.1℃，提高了系統(tǒng)性能；本實(shí)用新型的系統(tǒng)還可以檢測熱電偶斷偶情況，使地面人員及時(shí)掌握空間運(yùn)行情況；本實(shí)用新型的系統(tǒng)極大地降低體積、功耗、重量，適應(yīng)空間實(shí)現(xiàn)；本實(shí)用新型的系統(tǒng)由于采用了多通道切換模塊2，其多通道一致性好，適用于多路通道的測量，使多路通道的測量結(jié)果具有很強(qiáng)的可比性。


圖1是典型的現(xiàn)有電路實(shí)現(xiàn)的多通道溫度采集系統(tǒng)組成圖圖2是本實(shí)用新型的一種適用于微重力流體試驗(yàn)的多通道溫度采集系統(tǒng)組成圖圖3是斷偶檢測報(bào)警模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖具體實(shí)施方式
如圖2所示，本實(shí)施例的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，由以下硬件組成輸入接口濾波電路1，多通道切換模塊2，熱電偶溫度采集模塊3，兩級信號放大模塊4，A/D采集模塊5，斷偶檢測報(bào)警模塊6，中央控制單元7，穩(wěn)壓電源模塊8。
參考圖2，采用T型銅-康銅熱電偶11共6根；每根熱電偶11接到系統(tǒng)的輸入接口濾波電路1上；系統(tǒng)的輸入信號----熱電偶微小信號經(jīng)過輸入接口濾波電路1連接至多通道切換模塊2中多路模擬開關(guān)，如果熱電偶通道數(shù)為N，則輸入接口濾波電路1由2N個(gè)獨(dú)石電容組成，每一路由2個(gè)獨(dú)石電容組成，分別為0.1μ的獨(dú)石電容和1.5μ的獨(dú)石電容，對熱電偶的微小輸入信號進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)了空間對熱電偶微小信號的采集。
如圖2所示，多通道切換模塊2采用了一片雙8路模擬開關(guān)芯片，每一路對應(yīng)一路熱電偶的一對差分信號，另有一路接地，采集一路溫度信號后采集一次接地信號，目的是使采集的溫度信號不帶有殘留信號，采集精度高，通過中央控制單元7輸出通道選擇信號而改變模擬開關(guān)的接通的通道，實(shí)現(xiàn)對多路溫度通道的依次選通采集。
如圖2所示，熱電偶溫度采集模塊3采用了一片商用器件AD595--專用的熱電偶放大器，可以直接與T型熱電偶連接，具有非線性補(bǔ)償和冷端溫度補(bǔ)償功能，采集熱電偶的微小信號，并進(jìn)行線性化處理和冷端溫度補(bǔ)償，輸出為線性的絕對溫度，經(jīng)調(diào)節(jié)外圍電路阻抗匹配，可以使其輸出為線性、低阻抗電壓輸出，輸出值為10mv/℃。本實(shí)用新型推導(dǎo)出AD595針對T型熱電偶的電壓輸出公式為AD595output＝(TypeT Voltage+19)×247.3因此，T型熱電偶電壓為Type T Voltage＝(AD595output/247.3)-19如圖2所示，兩級信號放大模塊4為一通用放大器，將熱電偶微小信號經(jīng)過專用的熱電偶放大器和一片通用放大器兩級放大，調(diào)整通用放大器的放大倍數(shù)，使信號輸出電壓范圍在0-5V/10V；如圖2所示，A/D采集模塊5采用12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器A/D574，它采集模擬量溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入給中央控制單元7，中央控制單元7將采集的溫度數(shù)據(jù)標(biāo)以通道標(biāo)號。
如圖3所示，斷偶檢測報(bào)警模塊6采用專用的熱電偶放大器AD595和一個(gè)反相器、一個(gè)上拉電阻，利用專用的熱電偶放大器AD595的熱電偶狀態(tài)檢測端進(jìn)行斷偶檢測，其報(bào)警輸出能力強(qiáng)，與TTL驅(qū)動(dòng)兼容。當(dāng)某一路熱電偶斷線時(shí)，AD595會輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過反相器后變成高電平，發(fā)出報(bào)警信號，中央控制單元7可以查詢到此信號并記錄相應(yīng)的熱電偶通道號。
n路溫度傳感器熱電偶安裝在微重力流體實(shí)驗(yàn)裝置中，熱電偶輸出的電壓弱小信號經(jīng)過輸入接口濾波電路1濾波后，連接至多通道切換模塊2；多通道切換模塊2的通道選擇由中央控制單元7控制，對于選定的一個(gè)通道，熱電偶的電壓弱小信號經(jīng)過多通道切換模塊2送入熱電偶溫度采集模塊3；由穩(wěn)壓電源模塊8供電的熱電偶溫度采集模塊3，將該熱電偶的電壓信號放大、冷端補(bǔ)償、非線性校正后輸出至兩級信號放大模塊4，經(jīng)過第二級放大，信號被放大為0-5V/0-10V，該信號被A/D采集模塊5采集，模擬信號被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后送給中央控制單元7，中央控制單元7將該信號存儲；同時(shí)，熱電偶溫度采集模塊3可以檢測到熱電偶的工作狀態(tài)，將其送入斷偶檢測報(bào)警模塊6，從而將斷偶信號送至中央控制單元7。由中央控制單元7控制通道選擇信號，切換至接地的通道，以上完成一個(gè)通道的溫度采集。由中央控制單元7控制通道選擇信號，切換至下一個(gè)通道，直至完成所有的信號通道的溫度采集，再依次循環(huán)往復(fù)。
權(quán)利要求1.一種適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，包括安裝在微重力流體實(shí)驗(yàn)裝置中的熱電偶(11)、一用于對多路溫度通道的依次選通的多通道切換模塊(2)、一采集模擬量溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)的A/D采集模塊(5)，和一接收A/D采集模塊(5)的溫度輸出值和熱電偶狀態(tài)信號，并將溫度數(shù)據(jù)和熱電偶狀態(tài)分別標(biāo)以通道號儲存，和輸出通道選擇信號給多通道切換模塊(2)的中央控制單元(7)；其特征在于，還包括一對熱電偶的微小輸入信號進(jìn)行濾波的輸入接口濾波電路(1)、一個(gè)對熱電偶的微小信號進(jìn)行線性化處理和冷端溫度補(bǔ)償，使得輸出為線性的絕對溫度的熱電偶溫度采集模塊(3)、兩級信號放大模塊(4)、斷偶檢測報(bào)警模塊(6)和穩(wěn)壓電源模塊(8)；其中n路溫度傳感器熱電偶安裝在微重力流體實(shí)驗(yàn)裝置中，熱電偶輸出的電壓弱小信號經(jīng)過輸入接口濾波電路(1)濾波后，連接至多通道切換模塊(2)；多通道切換模塊(2)的通道選擇由中央控制單元(7)控制，對于選定的一個(gè)通道，熱電偶的電壓弱小信號經(jīng)過多通道切換模塊(2)送入熱電偶溫度采集模塊(3)；由穩(wěn)壓電源模塊(8)供電的熱電偶溫度采集模塊(3)，將該熱電偶的電壓信號放大、冷端補(bǔ)償、非線性校正后輸出至兩級信號放大模塊(4)，經(jīng)過第二級放大，該信號被A/D采集模塊(5)采集，模擬信號被轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后送給中央控制單元(7)，中央控制單元(7)將該信號存儲；同時(shí)，熱電偶溫度采集模塊(3)可以檢測到熱電偶的工作狀態(tài)，將其送入斷偶檢測報(bào)警模塊(6)，從而將斷偶信號送至中央控制單元(7)；由中央控制單元(7)控制通道選擇信號，切換至接地的通道，以上完成一個(gè)通道的溫度采集；由中央控制單元(7)控制通道選擇信號，切換至下一個(gè)通道，直至完成所有的信號通道的溫度采集，再依次循環(huán)往復(fù)。
2.按權(quán)利要求1所述的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，其特征在于所述的兩級信號放大模塊(4)為通用精密放大器，該兩級信號放大模塊(4)將熱電偶微小信號經(jīng)過放大，使信號輸出電壓范圍在0-5V/10V。
3.按權(quán)利要求1所述的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，其特征在于所述的輸入接口濾波電路(1)采用兩種獨(dú)石電容，分別為0.1μ的獨(dú)石電容和1.5μ的獨(dú)石電容。
4.按權(quán)利要求1所述的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，其特征在于所述的穩(wěn)壓電源模塊(8)，向熱電偶溫度采集模塊(3)提供高精度+5V電壓。
5.按權(quán)利要求1所述的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，其特征在于所述的多通道切換模塊(2)，采用了一片雙(8)路模擬開關(guān)芯片，每一路對應(yīng)一路熱電偶的一對差分信號，另有一路接地，采集一路溫度信號后采集一次接地信號，使采集的溫度信號不帶有殘留信號，采集精度高，實(shí)現(xiàn)了對多路溫度通道的依次選通采集。
6.按權(quán)利要求1所述的按權(quán)利要求1所述的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，其特征在于所述的熱電偶溫度采集模塊(3)，采用了一片專用的熱電偶放大器AD595。
7.按權(quán)利要求1所述的按權(quán)利要求1所述的適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，其特征在于所述的斷偶檢測報(bào)警模塊(6)利用專用的熱電偶放大器AD595進(jìn)行斷偶檢測，當(dāng)某一路熱電偶斷線時(shí)，AD595會輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過反相器和上拉電阻后變成高電平，發(fā)出報(bào)警信號。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種適用于航空航天系統(tǒng)中的多通道溫度采集系統(tǒng)，包括接口濾波電路、多通道切換模塊、熱電偶溫度采集模塊、兩級信號放大模塊、A/D采集模塊、斷偶檢測報(bào)警模塊、中央控制單元和穩(wěn)壓電源模塊；其中溫度傳感器為熱電偶、對溫度微小信號進(jìn)行采集，通過切換模擬開關(guān)完成多個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)采集；經(jīng)熱電偶放大器后，完成了非線性的線性化處理和冷端補(bǔ)償，并將熱電偶信號放大，線性輸出絕對溫度值10mv/℃，經(jīng)過第二級運(yùn)放放大后，使得信號輸出范圍為0－5V/10V，對應(yīng)于流體試驗(yàn)裝置全溫度范圍如(0－120℃)；經(jīng)A/D采集模塊將溫度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入給中央控制單元。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、溫度測量穩(wěn)定度高，一致性好。
文檔編號G01K13/00GK2783289SQ20042012191
公開日2006年5月24日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者姜秀杰, 汪大星, 陳小敏, 孫輝先 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心