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摘 要：在现有设备条件下设计出适合弹底结构和密封要求的装置底部温度测量系统。在与装置同步运动下安全、准确、快热响应、实时记录模拟信号，并转换成温度数值。该设计可成为通用型温度测量设备，用于不同工况和条件下。
关键词：热电偶;放大器;数据记录仪;DasyLab
需测量某装置发射过程中装置底部外表面温度，因装置密闭在发射筒内且测点位置是随着装置移动，故不可采用传输电缆随装置飞行;无线测量受瞬态爆炸高温的发射环境和密封钢体信号传输的影响也不适合采用。综合试验环境条件和现有测量设备，决定采用内测法完成此项任务。
1 测量方案的确定
1.1 试验条件与要求
设计部门提出要准确测量发射过程中装置在发射筒内运行时的弹底温度，故传感器随装置同步运动，传感器探头工作环境为高压燃气蒸汽混合、瞬间冲击力大、温度变化快速剧烈，测量系统要耐受装置高速冲击地面产生的振动和撞击。
1.2 测量方案设计
1.2.1 信号传输方式
因发射筒材质是不锈钢，筒壁厚，为密闭环境。若采用无线通信传输数据，需将接收端靠近发射筒附近，但安全质量部门要求不允许在发射时发射筒周围有其他人和物品存在;且发射筒密闭，现有无线设备实测的传输信号质量极差，根本无法实现实时通信记录数据。故选择有线测量方法。
1.2.2 传感器选择
测温使用的方法极多，市场上成熟产品琳琅满目，但实际工作要以实用为特点，试验要求测试产品高质量、耐用性、稳定性、高性价比，故本试验中观测型、热辐射型等较复杂方法不予考虑。
常用的探头型传感器有数字型温度传感器、热释电型红外测温器、热电偶、热电阻、热敏电阻等。依据测量范围、频响速度、承受冲击、封装安装难易、信号识别转换与存储等多方面考虑，将常使用的探头型测温传感器特性列表，以选择适合于本试验的传感类型，如表1所示。
由于本部门采编器只能输入模拟信号，综上对比选用K型热电偶作为本试验的传感器。
1.2.3 测量系统设计
如图1所示，数据记录仪和采编器是现有设备，需依据这两者工作指标和使用特性设计信号放大器，考虑到信号输出质量将放大器做成带隔离输出特性，故本文重点工作为依照这两者的工作指标设计实现隔离放大器和将采集到的电压数据转换为温度值结果。
2 隔离信号放大器的设计
2.1 设计要求
市场上普遍的温度变送器或温度变送模块采用24 VDC供电，4～20 mA电流信号或者0～5 V电压信号输出，因装置内部无法提供220 V交流电，故无法使用标准化模块电源为信号放大器供电，且内部供电由数据记录仪自带的电池给采编器、数据记录仪供电，供电范围为0～15 V，所以电路中需包含安全供电电路、放大单元、线性化单元、电压电流转换、自校正电路、电压调整单元、反响保护电路、冷端补偿器等。
2.2 选型、电路图与实物图
BONENS 3296博能斯3296系列，密封式精密可调电位器。
HCNR201高线性模拟光耦，用于模拟信号的隔离，其LED的非线性和漂移特性几乎可以被完全消除，输出二极管产生一个跟LED的光输出线性相关的光电流，光电二极管之间的密切配合和封装的先进设计确保了其光耦的高线性和稳定增益特性，其可用于要求良好稳定性、线性、带宽、低成本的设计中，超低非线性：0.01%，低增益温度系数：65×10-6/℃，带宽>1 MHz，贴片安装。
OPO7CP 高精度低失调电压精密运算放大器，用于微弱信号放大，极低输入失调电压-10 μV，极低输入失调电压温漂0.2 μV/℃，长期稳定性0.2 μV/MO，低输入偏置电流（±1）nA，2.3 采编器与数据记录仪
采编器、记录仪技术指标如表2所示。
传感器信号进入采编器后，经信号调理、滤波、ADC模数转换后FPGA采集编码，然后以串行数字信号送给数据记录仪。数据记录仪由RS4222接口电路模块、FPGA、USB模块、电源模块、存储模块组成，采编器在数据记录仪统一发出的同步采集CLK的控制下进行采集、编码，并转换为RS422串行才输出，记录仪可对连接的采编器3路RS422进行数据接收。其中使用的固态存储器能够承受大冲击、大过载的恶劣环境。组成结构如图3所示。
2.4 产品主要技术指标
隔离放大器的主要技术指标如下：
供电参数：供电 9～15 VDC，反接保护，功耗<0.5 W。
输入参数：输入信号范围-10～50 mV，输入阻抗>10 MΩ。
输出参数：输出信号范围0～5 V，3带载能力≤500 Ω（电流输出）。
电气特性：精度0.1%F.S，温漂系数≤0.005% F.S./℃，响应时间：≤100 μs。
隔离特性：EMC标准 IEC61326-1、GB/T18268，电源、输入、输出三端隔离，绝缘电阻≥100 MΩ，工作环境﹣20～70 ℃。
安装方式：DIN35 mm导轨式，防护等级：IP20。
低功耗设计，有效减少发热和温升;有断偶断线报警指示，断线隔离放大器输出电压约为6.2V，虽超出记录仪的接受范围，但短时间内不对记录仪构成输入损害，真实试验时间较短，试验前后能及时发现断偶断线故障。
3 模拟信号检验
3.1 测量准确度检验
FLUKE 5560 A Calibrator（以下称5520 A）是高精度校准仪，能依据标准热电势表输出模拟温度值和与其对应的热电势值，将热电势值作为输入信号接入放大器，让放大器处于工作状态，连续地输出并记录两者的数据，将两者作同一张图对比（见图4）。结果显示模拟信号从室温开始至900 ℃左右，两者的重合度一致，基本保持在1 ℃左右的差值，以真实试验预示值计算精度保持在1%以下，符合试验设计要求。
4 测量系统组建与调试
測孔位置采用M18×1.5的通孔螺纹，将裸K型热偶丝使用不锈钢管封装，安装处使用铜与橡胶组合的垫片保证气密性，保证足够长的热电偶丝连接到隔离放大器，给放大器供电，输出信号连接采编器，采编器连接记录仪，记录仪通过脱落接插件连接地面测试仪。整体测量系统组建如图5所示。
全系统组成后，给予温度探头温度变化，进行数据记录，然后通过数据处理软件将记录仪内数据导入计算机，采用DasyLab6.0软件将数据查表得到最终数据。
5 结语
将实际试验测量数据结果对比布置于发射筒筒底和筒壁的温度测量系统获取的数据，两者趋势和数值匹配度较高，有效地印证了该设计方案的可行性，证明了获取的数据真实可靠，可用于试验燃料分析和设计工况的改进。
[参考文献]
[1]松井邦彦.传感器应用技巧141例[M].梁瑞林，译.北京：科学出版社，2005.
[2]杨建国.你好，放大器（初始篇）[M].北京：科学出版社，2015.