基于快速熱電偶的溫度數(shù)據(jù)采集

[摘要]:針對(duì)熱噴涂的極端工況下瞬態(tài)溫度動(dòng)態(tài)診斷的難題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于快速熱電偶的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并對(duì)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(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于其它快速測(cè)溫的領(lǐng)域。
1.引言
　　大量研究表明在熱噴涂過(guò)程中單個(gè)熔滴粒子扁平過(guò)程的瞬態(tài)溫度變化對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤觀察單個(gè)粒子的整個(gè)扁平過(guò)程。
　　針對(duì)這一問(wèn)題根據(jù)雷諾力學(xué)相似性準(zhǔn)則1設(shè)計(jì)一個(gè)基于快速熱電偶的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過(guò)對(duì)低速粒子扁平過(guò)程溫度變化的研究來(lái)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(gè)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖2.1所示。下面分別對(duì)各組成部分進(jìn)行分析:
1)溫度傳感器
　　由于針對(duì)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(cè)溫范圍可達(dá)2300℃響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)。當(dāng)熱電偶探頭的溫度發(fā)生瞬態(tài)變化時(shí)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(hào)經(jīng)差分輸入到信號(hào)調(diào)理模塊。在測(cè)量過(guò)程中可以自動(dòng)更新受侵蝕或磨損的熱電偶結(jié)。
2)溫度信號(hào)調(diào)理模塊
　　溫度信號(hào)經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)-般為毫伏級(jí)較弱而且還有噪聲干擾需要經(jīng)過(guò)放大、隔離、濾波、激勵(lì)和線性化等信號(hào)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(hào)調(diào)理器通常含有一個(gè)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(mén)為快速響應(yīng)型熱電偶設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理,它主要由熱電偶信號(hào)放大、100kHz濾波器和冷端補(bǔ)償電路=部分組成?？焖贌犭娕夹盘?hào)調(diào)理器的主要性能參數(shù)如下:
●通道:DI(1個(gè)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(hào)范圍+100mV
●濾波器:100kHz
●冷端溫度測(cè)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(hào)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(shí)信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近熱電偶(或信號(hào)源)使得被測(cè)信號(hào)在受到傳輸信號(hào)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(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為可供計(jì)算機(jī)識(shí)別與處理的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)采樣定理理論上最低的采樣頻率必須是信號(hào)頻率的2倍,而實(shí)際.上工程中選用5~10倍,有時(shí)為了較好地還原原信號(hào)波形甚至更高一些。噴涂中的熔滴扁平凝固過(guò)程的溫度變化發(fā)生在10~20us之內(nèi),也就是50k~100kHz的信號(hào)頻率，為此測(cè)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(wú)論從采樣速度還是采樣精度上都能滿足熔滴扁平過(guò)程的溫度信號(hào)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：?jiǎn)螛O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(gè)單端以及32個(gè)差動(dòng)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(hào)調(diào)理模塊采用差分連接方式(DEF)而信號(hào)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(guò)DAQ采集卡A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)便可以通過(guò)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(chǔ)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(duì)象。金屬材料經(jīng)過(guò)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(guò)程的溫度數(shù)據(jù)采集,并經(jīng)過(guò)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(shí)間的增加,下降速率開(kāi)始慢慢減小最后.溫度趨近于室溫。
4.結(jié)束語(yǔ)
　　對(duì)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(shí)測(cè)量。由于該系統(tǒng)具有成本低操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于其它快速測(cè)溫的領(lǐng)域如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口爆發(fā)器內(nèi)壁的溫度采集研究。