運載火箭推進劑溫度地面高精度測量系統(tǒng)設計

梁艷遷，梁建國，張 眾，陳 超2，古艷峰，朱亮聰

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109； 2.華東計算機技術研究所，上海 201808)

0 引言

運載火箭貯箱用于存放運載火箭發(fā)射所需的推進劑，包括燃料箱及氧化劑箱。根據(jù)運載火箭發(fā)射流程，貯箱加注推進劑結束至發(fā)射還需要12～24 h，特殊情況下可能延遲數(shù)日。這期間貯箱溫度會隨著環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化，這個變化可能會引起貯箱內(nèi)氣壓上升等后果[1]。因此需要對運載火箭貯箱內(nèi)推進劑溫度進行實時監(jiān)測。

鉑電阻溫度傳感器是一種應用十分廣泛的測溫傳感器，其原理是鉑電阻元件的阻值隨溫度變化而變化，通過測量阻值可對應得到具體溫度。鉑電阻溫度傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好的特點，是運載火箭領域中的一種常用傳感器[2]。

本文針對運載火箭貯箱內(nèi)推進劑溫度測量需求，設計了一種地面溫度測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)采用鉑電阻作為溫度測量傳感器，配合地面測溫裝置進行溫度數(shù)據(jù)采集及處理，可測量并記錄運載火箭加注過程及加注后至發(fā)射前的各貯箱推進劑溫度變化情況，為火箭加注后采取保障措施提供依據(jù)，同時為飛行結果分析提供射前實測溫度數(shù)據(jù)。

1 推進劑測溫原理及系統(tǒng)設計

推進劑測溫系統(tǒng)歸屬于火箭附加系統(tǒng)，主要用于測量并記錄火箭加注過程及加注后各貯箱內(nèi)推進劑溫度變化情況，為火箭加注后采取保障措施提供依據(jù)，同時為飛行結果分析提供射前實測溫度數(shù)據(jù)由地面測溫系統(tǒng)(包括數(shù)字式溫度測試儀、測溫地面電纜等)與箭上加注溫度傳感器一起，完成測量、顯示、記錄、保存箱內(nèi)溫度的工作。推進劑測溫系統(tǒng)組成框圖見圖1。

圖1 推進劑測溫系統(tǒng)原理圖

為提高測量精度，消除導線電阻對測量的影響，本次推進劑溫度測量中的鉑電阻溫度傳感器采用四線制接法[3]。地面測溫裝置中的調(diào)理電路采用恒流源方式，將測試電流加在被測鉑電阻上，電阻兩端產(chǎn)生的差分電壓經(jīng)運放放大后由AD采集，測得的電壓值根據(jù)電流反算成被測電阻的電阻值，再由測得的電阻值經(jīng)電纜阻值補償后根據(jù)熱敏電阻溫度～阻值(R-T)曲線獲得的溫度值。

地面測溫裝置包括阻值采集模塊及數(shù)據(jù)處理顯示模塊，其原理如圖2所示。阻值采集模塊可對8路鉑電阻傳感器進行測試，為防止相互干擾，各通道的信號調(diào)理電路和AD采集電路的地線及電源線相互隔離。各模塊作用如下：

圖2 地面測溫裝置原理框圖

信號調(diào)理電路產(chǎn)生高精度阻值測試所需的恒電流源并對輸入的信號進行濾波處理，AD采集電路將信號調(diào)理電路加在溫度傳感器采樣電阻兩端電壓轉(zhuǎn)化為16位數(shù)字量信號；SPI隔離電路將采樣電路與控制電路間地線隔離，并產(chǎn)生模擬采樣電路所需工作電源；FGPA電路負責USB通信，并控制多路SPI/I2C的串行模擬量采集和模擬指令控制輸出。所采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理顯示模塊進行數(shù)據(jù)處理、顯示及保存。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號調(diào)理電路設計

信號調(diào)理電路包括恒流源以及差分放大電路，如圖3所示。

恒流源電路是鉑電阻溫度測試的關鍵部分[4]，恒流源的穩(wěn)定性及輸出電流的大小對溫度測試的準確度有很大影響[5]。為減小鉑電阻的自熱效應，并保證信噪比，設計了一個可以產(chǎn)生1 mA恒定電流的恒流源。該恒流源中選用高精度電壓基準芯片ADR4525產(chǎn)生2.5 V參考電壓，該芯片輸出電壓噪聲為1.25 μVp-p，初始電壓偏差為±0.02%。運放選用Maxim公司的低噪聲、低失調(diào)、高開環(huán)增益雙極性運算放大器OP07。運放正端接2.5 V參考電壓，輸出端通過三極管2N3700進行反饋，可提高電流負載能力。調(diào)節(jié)電阻RREF選用2.5 kΩ高精度電阻，可穩(wěn)定輸出1 mA電流。

圖3 信號調(diào)理電原理圖

經(jīng)查表，鉑電阻傳感器測溫范圍內(nèi)的電阻值為0～125 Ω，1 mA電流經(jīng)過后壓降在0.125 V以內(nèi)。為精確測量，采用儀表放大器AD620對信號進行差分放大，放大倍數(shù)設置為10。AD620具有低噪聲、寬增益帶寬、高共模抑制比等優(yōu)點[6]，適用于進行小信號的信號調(diào)理，能有效減少系統(tǒng)中共模干擾對采集電路的影響[7]。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設計

信號經(jīng)差分放大后傳遞給后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集。如圖4所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用的A/D芯片為LTC2462，該芯片為16位△Σ型A/D轉(zhuǎn)換器，其增益誤差為0.01%，偏移誤差為2LSB，并具有2 ppm/ ℃的漂移性能[8]。LTC2462為SPI接口，各路A/D芯片輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)SPI隔離芯片LTM2883隔離后，送入主控芯片F(xiàn)PGA進行處理。LTM2883是一種電流數(shù)字型隔離器，在輸入輸出邏輯接口之間提供了2500VRMS的隔離度，適用于接地環(huán)路的隔離。通過各路溫度測量電路的隔離，可有效減小各路之間的相互干擾，提高測量精度[9]。

圖4 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖

3 軟件設計

地面測溫裝置包括兩種軟件，1)硬件控制軟件，由FPGA實現(xiàn)，對應如下功能：對USB協(xié)議芯片進行控制，實現(xiàn)阻值采集模塊與上位機數(shù)據(jù)處理顯示模塊通信；對多路SPI接口的A/D轉(zhuǎn)換器控制和采集，并進行數(shù)據(jù)調(diào)度。2)上位機軟件用于進行數(shù)據(jù)處理及顯示，具備以下功能：通過USB發(fā)送控制指令，接收采集數(shù)據(jù)；對采集數(shù)據(jù)進行顯示、保存等處理；對保存數(shù)據(jù)進行回放和檢索。

軟件工作流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

測溫設備上電后，先進行設備自檢，然后在FPGA的控制下以一定速率并行采集8路獨立隔離的16位模擬量值，并不斷刷新FPGA內(nèi)的與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通信的UART的發(fā)送緩沖區(qū)；上位機軟件按設定速率向溫度阻值采集模塊發(fā)送取采樣值指令，并將從溫度阻值采集模塊反饋的模擬量按公式轉(zhuǎn)化為阻值，經(jīng)補償后獲得對應通道鉑電阻溫度傳感器阻值，再將這個阻值根據(jù)公式轉(zhuǎn)化為溫度值進行相應顯示和存儲處理，從而完成溫度阻值的采集功能。

4 系統(tǒng)標定及誤差分析

為了真實反映推進劑溫度情況，需要保證地面測溫裝置的可靠性以及溫度測試的準確性[10]。設計時采用了自檢設計及校準設計，具體如下：

4.1 自檢設計

設備自檢是為了保證測溫系統(tǒng)加電前自身工作正常、安全可靠。本裝置自檢策略是在給鉑電阻溫度傳感器加電測試前，先對已連接的測試電纜進行阻值測試，并將測試值與事先設定阻值參數(shù)進行比較，如在正常范圍內(nèi)，可以確認測溫系統(tǒng)的信號調(diào)理電路、隔離及AD采集電路、FPGA控制電路、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟硬件以及溫度傳感器測試鏈路連接都正常。這樣就可以通過自檢測試確保推進劑地面測溫系統(tǒng)工作正常情況下將測試通路切換到溫度傳感器通路進行溫度監(jiān)測，從而實現(xiàn)對推進劑溫度的連續(xù)監(jiān)測。此外測試通路阻值也可以作為帶線路測量時的電纜補償值，從而獲得精確的溫度傳感器阻值。

4.2 校準設計

對于測溫系統(tǒng)，相關參數(shù)實際值與設計值之間會有一定的偏差，不同元器件間也會有一定的不一致性，為了提高測試精度，引進一個校準系數(shù)F，通過對比標準電阻獲得校準系數(shù)，再通過軟件實現(xiàn)校準補償。

為了簡化校準操作，方便設備使用，測溫系統(tǒng)校準采用一個高精度、高穩(wěn)定度具有溫度補償功能電阻來模擬鉑電阻溫度傳感器。該電阻值預先通過高精度萬用表(0.000 1 Ω@100 Ω)進行校準測試，并換算成標準溫度值。將該電阻采用四線制方式連接到測溫裝置測試插座入口，測溫裝置對該電阻進行阻值測試并根據(jù)顯示換算的溫度實測值與校準值偏差進行軟件計算修正系數(shù)F修正，修正后再進行阻值測試和偏差值判別，反復進行直至測試值與校準值偏差到允許范圍內(nèi)，記錄和存儲軟件計算系數(shù)F。8個測溫通道都按此操作步驟分別進行，從而完成設備標定和校準。正常使用時則將測試阻值乘上該系數(shù)F再換算成相應溫度值。

4.3 精度和穩(wěn)定度分析

根據(jù)測溫裝置中的阻值采集電路，對于恒流源方式采集來說，測試的穩(wěn)定度主要取決于一些關鍵元器件的穩(wěn)定性，具體分析參見表1。

表1 元器件對測試穩(wěn)定性分析表

從上述信號調(diào)理電路中各器件電路功能分析，對于表1中器件，其溫度系數(shù)都在5 ppm/℃(5×10-6/℃)以下，當工作溫度在-10～+60 ℃范圍內(nèi)變化時，最大溫漂為0.03%(60 ℃×5×10-6/ ℃)。按鉑電阻阻值100 Ω量級，阻值溫漂為0.03 Ω左右小于0.038 Ω/0.1 ℃，因此能夠達到測試穩(wěn)定度小于0.1 ℃的測試精度。

鉑電阻常溫阻值為100 Ω@0 ℃，對應溫度系數(shù)為0.38 Ω/ ℃，對于1 mA恒定電流和10倍采樣電壓運放放大比例，任務書0.1 ℃對應采樣電壓為0.4 mV。測溫裝置中選用的AD芯片為LTC2462，其輸入電壓范圍為-1.25～+1.25 V，采樣位數(shù)為16位，每LSB對應約為0.04 mV，約為0.1 ℃對應采樣電壓為0.4 mV的十分之一，因此本設計采樣精度能夠達到溫度分辨率+0.1 ℃，顯示精度0.01 ℃的指標，滿足推進劑測溫需求。

4.4 溫度采集和顯示設計

為了消除測溫設備屏幕顯示溫度值變化有停頓現(xiàn)象，對溫度采集模塊與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通訊協(xié)議開展設計。

根據(jù)測溫設備技術方案，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與溫度阻值采集模塊通信采用UART接口，每次通信由測溫程序發(fā)起，發(fā)送包括控制指令、數(shù)據(jù)回傳指令(取采樣值指令)或數(shù)據(jù)回送指令，采溫程序識別測溫程序指令進行相應操作。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端接受UART數(shù)據(jù)時，根據(jù)通信協(xié)議一次要接受多個字節(jié)數(shù)據(jù)，因此會采用幀方式，即事先設定接受數(shù)據(jù)個數(shù)，PC的硬件電路會根據(jù)設定參數(shù)自動接收數(shù)據(jù)并進行計數(shù)，當接收計數(shù)個數(shù)與設定值一致時會自動更新接收狀態(tài)位，測溫程序在發(fā)出通信指令后如需接受數(shù)據(jù)就會不停查詢該狀態(tài)位，如狀態(tài)位有效就從接受緩沖區(qū)中取走設定個數(shù)的數(shù)據(jù)進行處理，同時會復位接受狀態(tài)位。

測溫程序?qū)貍鲾?shù)據(jù)處理時會判斷幀頭，校驗字節(jié)等，如出現(xiàn)異常會認為本次通信數(shù)據(jù)不可靠，判定當次接受數(shù)據(jù)不采用，同時延后10 s啟動新一次數(shù)據(jù)收發(fā)流程。由于UART通信本身存在一定的誤碼率，同時測溫設備內(nèi)部通信傳輸物理鏈路受電磁干擾時也可能在產(chǎn)生多余數(shù)據(jù)，從而干擾通信。

考慮上述可能存在的故障狀態(tài)，通過測溫程序優(yōu)化設計，取消10 s定時重發(fā)機制，并設定當串口接受數(shù)據(jù)判斷有錯誤時及時重發(fā)，最多重發(fā)三次，如連續(xù)三次出錯，則表明設備通信接口間有故障且不能恢復，并通過軟件提醒功能在程序界面報警。

同時為了進一步增加系統(tǒng)可靠性，測溫程序在發(fā)送“取采樣值指令”前，先取空UART的接受緩沖區(qū)，以盡可能避免因干擾或上幀通信異常造成UART接受緩沖區(qū)有多余字節(jié)對下一幀通信影響，提高串口通信的容錯和自恢復能力。

測溫系統(tǒng)溫度采集和顯示功能模塊在4臺測溫設備上經(jīng)過累計不小于20小時連續(xù)常溫帶電老練，工作正常，驗證了溫度采集和顯示功能模塊可靠性和穩(wěn)定性，如表2所示。

表2 溫度顯示穩(wěn)定性測試記錄情況

5 試驗結果及應用情況分析

在實驗室恒溫箱中對推進劑地面測溫裝置進行了測試，測試數(shù)據(jù)見表3。通過測試數(shù)據(jù)對比，本測溫裝置在各溫度點的誤差值均在0.01 ℃內(nèi)。并將本測溫系統(tǒng)與火箭加注系統(tǒng)進行對接，連接推進劑貯箱中鉑電阻溫度傳感器進行測試，測試數(shù)據(jù)均滿足要求。

表3 溫度測試數(shù)據(jù)列表

推進劑測溫系統(tǒng)參與了長征四號丙運載火箭完成發(fā)射嫦娥四號中繼衛(wèi)星任務，該任務為長征四號運載火箭首次在西昌衛(wèi)星發(fā)射場執(zhí)行發(fā)射任務，如圖6所示。5月20日8:30開始進行推進劑加注本次發(fā)射屬于首次在27基地發(fā)射，推進劑測溫系統(tǒng)對加注過程推進劑溫度進行了具體測量，實現(xiàn)了推進劑實時高精度測量和推進劑溫度預估模型的校準，也驗證了推進劑測溫系統(tǒng)原理及工程可行性，同時，也為確保嫦娥四號中繼星發(fā)射任務的順利實施奠定基礎。

圖6 推進劑測溫設備及操作界面

6 結論

本文設計了一種用于運載火箭推進劑溫度測量的地面測溫系統(tǒng)，該測溫系統(tǒng)采用四線制對鉑電阻溫度傳感器進行測量，采用儀表放大器及高精度AD器件進行信號采集，并通過隔離采集、自檢設計以及校準設計等方式實現(xiàn)了精確的溫度測量，溫度測量誤差為0.01 ℃。該測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定、測量精度高，可對運載火箭推進劑溫度進行實時監(jiān)測，為運載火箭成功發(fā)射提供真實可靠的測量數(shù)據(jù)。