應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的多點控溫系統(tǒng)設(shè)計

李丹，張學(xué)聰，蔡靜

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計是集成了輻射測溫、精密光學(xué)、電子控制、通信技術(shù)、計量校準(zhǔn)等多種技術(shù)的高科技產(chǎn)品，其主要應(yīng)用于輻射溫度的量值傳遞和高精度溫度測量領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計作為輻射溫度的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)著將高溫固定點、標(biāo)準(zhǔn)鎢帶燈等輻射溫度量值傳遞給工作用黑體輻射源的角色［1-3］。

由于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的測試結(jié)果容易受到外界環(huán)境溫度變化的影響，因此國外研制的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計對探測器或外殼進(jìn)行了控溫。據(jù)調(diào)研了解，德國IKE的LP5型標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計采用多點控溫方式，控溫溫度設(shè)定為29℃；日本大華千野的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計IR-RST 65H采用單點控溫方式，控溫溫度設(shè)定為30℃。目前國產(chǎn)光電高溫計控溫系統(tǒng)研制領(lǐng)域存在不足：一些國產(chǎn)光電高溫計無控溫系統(tǒng)，導(dǎo)致測溫結(jié)果易受環(huán)境溫度影響；一些國產(chǎn)光電高溫計雖然安裝有控溫系統(tǒng)，但是控溫系統(tǒng)體積較大，需要占據(jù)很大空間。針對上述問題，本文開展了多點控溫系統(tǒng)研究，分析標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計內(nèi)部易受溫度影響的關(guān)鍵器件位置，對多點控溫系統(tǒng)的布控結(jié)構(gòu)和控溫電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的高精度溫度控制，并開展實驗對多點控溫系統(tǒng)的實際性能進(jìn)行驗證。

1 多點控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的關(guān)鍵元件包括濾光片、光電探測器、前置放大電路、視場光闌等。分析其組成元件：濾光片的中心波長易隨溫度變化而漂移；探測器的探測性能容易受到溫度變化影響；前置放大電路測試噪聲容易受到溫度變化而漂移；視場光闌為金屬材料，在測試高溫時容易受熱膨脹的影響，比如對高溫共晶點進(jìn)行測量時，由于高溫共晶點溫度較高，會對光電高溫計的光闌有加熱效果，導(dǎo)致光闌溫度升高，光闌膨脹，導(dǎo)致信號增大。通過以上對標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計中重要組成元件的分析得出：濾光片、探測器等元件易受到溫度波動影響而導(dǎo)致性能下降，因此應(yīng)采用溫控模塊對儀器內(nèi)部各重點部位進(jìn)行控溫。但是若分部位單獨控溫，控溫元件體積較大，浪費空間，且各控溫器件的散熱會相互影響，難以達(dá)到理想的控溫效果，因此提出整體控溫方案。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計采用雙殼體結(jié)構(gòu)，將探測器、濾光片等精密元器件置于內(nèi)層殼體中，并在內(nèi)層殼體上布置9個獨立的控溫模塊，對于儀器內(nèi)部性能容易受到溫度影響的重要元件（包括濾光片、分光片、視場光闌、光電探測器、前置放大電路）進(jìn)行控溫。光電高溫計內(nèi)部重要元件分布示意圖如圖1所示。

圖1 儀器內(nèi)部重要元件分布示意圖Fig.1 Internal distribution diagram of important instrument components

靠近重要元件部分的上面板分布3塊控溫模塊（圖2中控溫模塊1、控溫模塊2、控溫模塊3），底面板對應(yīng)位置分布3塊控溫模塊（圖3中控溫模塊4、控溫模塊5、控溫模塊6），側(cè)面靠近重要元件部分設(shè)置2塊溫控模塊（圖2中控溫模塊8、控溫模塊9），另一側(cè)布置1塊溫控模塊（圖2中控溫模塊7）。9塊溫控模塊對整機(jī)進(jìn)行溫度控制，從而減小外界環(huán)境溫度變化對測溫結(jié)果的影響。

圖2 溫控模塊分布圖（頂視圖）Fig.2 Distribution diagram of temperature control module（top view）

圖3 溫控模塊分布圖（底視圖）Fig.3 Distribution diagram of temperature control module（bottom view）

2 控溫元件選型分析

對控溫部件進(jìn)行選型分析。考慮到體積小、環(huán)保、重量輕、易于控制等需求，加熱部件一般采用薄膜加熱片或TEC片［4-12］。首先對薄膜加熱片功率進(jìn)行計算分析，被控溫的鋁制殼體的功率計算公式為

式中：c為鋁的比熱容，0.88×103J/（kg·℃）；ρ為鋁殼的密度，2.7 g/cm3；V為鋁殼的體積，cm3；Δt為溫度變化，℃。

鋁殼的表面積為0.30 m2，鋁殼厚度為1 cm，計算得到鋁殼體積為0.0030 m3，根據(jù)式（1）計算得到溫度從22℃升至30℃時，鋁殼吸收的熱量Q為85536 J。若升溫時間為1 h，則總功率P=19.8 W，平均每片加熱片的功率為2.2 W。若采用薄膜加熱片作為加熱部件，考慮到留有功率余量，選用電阻為10 Ω，5 V供電的薄膜加熱片，每片功率為2.5 W。考慮到設(shè)備小型化要求并且便于組裝，選用薄膜加熱片的尺寸為22 mm×28 mm。

若采用TEC作為加熱部件，根據(jù)文獻(xiàn)［13］中的方法計算得出每片TEC流入熱沉的功率為10 W，因此采用薄膜加熱片的功率遠(yuǎn)小于采用TEC片的功率，并且由于TEC工作時需要組裝散熱片，明顯增加了控溫系統(tǒng)的體積，故最終選擇薄膜加熱片作為控溫系統(tǒng)的加熱部件。

3 溫度控制電路設(shè)計

溫度控制電路包括熱敏電阻分壓電路、可調(diào)預(yù)設(shè)電壓電路、比較控制電路、加熱開關(guān)、加熱元件。控溫電路設(shè)計框圖如圖4所示。熱敏電阻同分壓電阻組成分壓電路，由可調(diào)預(yù)設(shè)電壓電路設(shè)置參考電壓，根據(jù)熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特點，通過比較熱敏電阻分壓和參考電壓大小，由比較控制電路判斷控制加熱開關(guān)通斷，以實現(xiàn)對溫度的精確控制。

圖4 控溫電路設(shè)計框圖Fig.4 Block diagram of temperature control circuit design

控溫電路圖如圖5所示，NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和固定阻值電阻R1串聯(lián)分壓。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻兩端電壓與電位器兩端電壓VR3進(jìn)行比較，若V熱敏電阻＜VR3，說明溫度高，則輸出為負(fù)，三極管截止，加熱片不加熱；若V熱敏電阻＞VR3，說明溫度低，則輸出為正，三極管導(dǎo)通，加熱片加熱。其中加熱片元件是發(fā)熱源，應(yīng)與熱敏電阻盡量靠近。電阻R4（1 M）和電容C1（22 μF）組成純積分電路，降低高頻增益，避免電路在加熱和冷卻狀態(tài)之間來回震蕩。兩個發(fā)光二極管D1和D2指示運放輸出電平，D1發(fā)光表示達(dá)到設(shè)定溫度，D2發(fā)光表示加熱功率大，正在加溫中。

圖5 控溫電路圖Fig.5 Temperature control circuit diagram

NTC熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為

式中：T1為設(shè)定溫度值（熱力學(xué)溫度），K；T2表示常溫溫度25℃時的熱力學(xué)溫度值，K；Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值，Ω；R為熱敏電阻在T2溫度下的標(biāo)稱阻值，Ω；B為熱敏電阻的材料常數(shù)（熱敏指數(shù)），K。

在本設(shè)計中，B=3950 K，R=10 kΩ，電源電壓Vcc=5 V，計算得到T1=30℃時，Rt=8 kΩ。

計算NTC兩端電壓

根據(jù)式（3）計算得出，設(shè)置溫度為30℃時，應(yīng)調(diào)節(jié)電位器阻值，使得其兩端電壓為2.22 V。

控溫模塊實物如圖6所示，加熱片置于控溫電路板和銅塊之間，組裝時涂抹導(dǎo)熱硅脂使銅塊與標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計殼體緊密接觸。銅塊正面熱敏電阻作為傳感器件用于控溫，背面熱敏電阻用于采集標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計整機(jī)殼體溫度。

圖6 控溫模塊實物圖Fig.6 Physical drawing of temperature control module

4 試驗驗證

4.1 多點控溫系統(tǒng)控溫穩(wěn)定性及重復(fù)性試驗

將研制的多點控溫系統(tǒng)安裝于本單位自主研發(fā)的UP系列標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計。長期觀測多點控溫系統(tǒng)的控溫穩(wěn)定性，并且選取三天測試控溫重復(fù)性。

開啟標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計多點溫控系統(tǒng)，采集控溫模塊與殼體之間熱敏電阻的電壓值（結(jié)果如圖7至圖9所示），并計算得到溫度值。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計殼體經(jīng)過升溫穩(wěn)定后2.5 h的溫度波動為0.09℃，三天的控溫測試雖然起始溫度不同，但是升溫至30℃穩(wěn)定后，溫度差為0.1℃，溫度一致性、重復(fù)性好。

圖7 多點控溫系統(tǒng)溫度長期穩(wěn)定性測試Fig.7 Long-term temperature stability test of multipoint temperature control system

圖8 多點控溫系統(tǒng)溫度長期穩(wěn)定性測試（局部放大圖）Fig.8 Long-term temperature stability test of multipoint temperature control system（partial enlarged drawing）

圖9 多點溫控系統(tǒng)控溫溫度重復(fù)性測試（局部放大圖）Fig.9 Temperature repeatability test of multipoint temperature control system（partial enlarged drawing）

4.2 多點控溫系統(tǒng)對改善標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計測溫穩(wěn)定性的作用測試

固定點黑體輻射源是用來分度標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其精度、復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性均具有較高水平［14-16］，Chino公司的IR-R0系列Ag固定點黑體輻射源，溫度理論值為961.78℃。應(yīng)用Ag固定點黑體輻射源對多點控溫系統(tǒng)開關(guān)前后標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計測溫穩(wěn)定性進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)示意圖如圖10所示。

圖10 測試系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of test system

分別在使用多點溫控系統(tǒng)和不使用多點溫控系統(tǒng)兩種模式下測試Ag固定點凝固溫坪時的標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計輸出溫度值，測試結(jié)果如圖11所示。開啟多點溫控系統(tǒng)，等待一段時間，待環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定后，測試溫度值也基本穩(wěn)定，穩(wěn)定度在0.1℃以內(nèi)；關(guān)閉多點溫控系統(tǒng)，等待一段時間，待標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計內(nèi)殼溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡后，進(jìn)行測試。此時標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計內(nèi)溫度隨外界環(huán)境變化，測試的輸出溫度值呈下降趨勢，穩(wěn)定度在0.7℃左右。使用多點溫控系統(tǒng)時的測溫結(jié)果明顯優(yōu)于不使用多點溫控系統(tǒng)時的測溫結(jié)果。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計測溫結(jié)果Fig.11 Temperature measurement results of standard photoelectric pyrometer

5 結(jié)論

針對標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計測溫結(jié)果易受環(huán)境溫度影響的問題，研制了一套應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的多點溫控系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)組成、加熱元件的選型計算以及控溫模塊的設(shè)計。開展試驗對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明多點控溫系統(tǒng)升溫穩(wěn)定后2.5 h的溫度波動為0.09℃，三天的測試結(jié)果重復(fù)性為0.1℃。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計測試Ag固定點黑體輻射源，使用多點溫控系統(tǒng)時，標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計的測溫穩(wěn)定性相較不使用多點溫控系統(tǒng)條件下有明顯改善。該多點控溫系統(tǒng)可有效保證標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計整機(jī)工作溫度環(huán)境的穩(wěn)定性，實現(xiàn)高精度溫度測量，為推動國產(chǎn)化精密測溫裝置技術(shù)發(fā)展提供了有力支撐。