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DTS3250數(shù)字溫度掃描儀具有隔離的16通道溫度檢測(cè)功能及誤差小、精度高等特點(diǎn)，常被應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)出廠檢測(cè)的過(guò)程中。應(yīng)用后提高了產(chǎn)品檢測(cè)的精度，也降低了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生率。本文闡述了DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的工作原理及其關(guān)鍵技術(shù)，使其在工業(yè)生產(chǎn)中能夠到更好的應(yīng)用。
溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要的參數(shù)。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的許多故障是由于溫度過(guò)高而引起的，因此對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)出廠前的高溫檢測(cè)顯得十分的重要。DTS3250型數(shù)字溫度掃描儀具有多通道檢測(cè)功能，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度檢測(cè)方面顯現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)。
1. DTS3250數(shù)字溫度掃描儀概述
DTS3250系列的溫度采集系統(tǒng)是有美國(guó)Scanivalve公司研制的新一代智能型熱電偶掃描儀的典型代表。它可以接收16、32、64組熱電偶輸入，應(yīng)用計(jì)算機(jī)測(cè)量控制技術(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化輸出，具有誤差小、精度高、反應(yīng)靈敏等諸多優(yōu)勢(shì)。
DTS3250數(shù)字溫度掃描儀由隨機(jī)存儲(chǔ)儲(chǔ)存器（RAM）、積分低通濾波器、22位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)微處理器組成。E、J、K和N型等多種類型的熱電偶都可以通過(guò)DTS3250智能數(shù)字溫度掃描儀進(jìn)行溫度掃描。溫度參數(shù)補(bǔ)償單元作為每16輸入通道統(tǒng)一的溫度參考(UTR)，其精確度高達(dá)±0.1°C。NIST熱電偶分度表記錄了所有規(guī)格的熱電偶類型并將信息儲(chǔ)存在閃存中。微處理器利用這些NIST熱電偶分度表將輸入的電壓轉(zhuǎn)換成溫度，這些溫度數(shù)據(jù)以°C、°F、°R、K等形式輸出。
DTS3250數(shù)字溫度掃描儀具有以下特點(diǎn)：
l 獨(dú)立的16通道相互互不干擾，可準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的溫度。
l 可以配置B、 E、 J、 K、 N、 R、 S和 T等多種熱電偶。
l UTR準(zhǔn)確率達(dá)±0.1°C。
l 可與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。
l 儀器每六個(gè)月只需校準(zhǔn)±0.5°C。
l 儀器堅(jiān)固、耐熱、防液體飛濺，可以工作在復(fù)雜的工作環(huán)境。
2. DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的技術(shù)分析
2.1 DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的工作原理
DTS3250數(shù)字溫度掃描儀由數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理與輸出模塊組成。圖2.1為DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的功能結(jié)構(gòu)圖。熱電偶感知外界溫度后產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)高精度運(yùn)算放大器將模擬信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳給DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的微處理器。微處理器收到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，訪問(wèn)隨機(jī)存儲(chǔ)儲(chǔ)存器（RAM），與熱電偶冷端溫度進(jìn)行對(duì)比，在NIST熱電偶分度表中查找對(duì)應(yīng)的熱電偶溫度信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到外界待測(cè)環(huán)境的溫度值，輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果并通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給主機(jī)。
圖 2.1 DTS3250數(shù)字溫度掃描儀功能結(jié)構(gòu)圖
2.2 DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的關(guān)鍵技術(shù)
DTS3250數(shù)字溫度掃描儀關(guān)鍵電路圖如圖2.2所示。下面就對(duì)DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的關(guān)鍵部件進(jìn)行分析。
圖 2.2 DTS3250數(shù)字溫度掃描儀關(guān)鍵電路圖
2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的測(cè)溫元件是熱電偶。工作在測(cè)量端的接點(diǎn)叫工作端，另一端連接在DTS3250的補(bǔ)償端，叫冷端。用多通道熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，每個(gè)熱電偶需要在工作端和冷端連接兩條連續(xù)的導(dǎo)線。熱電偶的工作原理指出在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有影響。根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律, 在熱電偶測(cè)溫時(shí), 可接入測(cè)量導(dǎo)線和儀表測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶可從工作端和冷端智能測(cè)量mV級(jí)的信號(hào)，其測(cè)量精度高度依賴于冷端的連接、材料、安裝技術(shù)和環(huán)境溫度。
由熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)獨(dú)立通道的信號(hào)放大元件，被傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)需要通過(guò)信號(hào)放大元件是因?yàn)殡娐分械男盘?hào)是熱電偶產(chǎn)生的mV級(jí)的熱電動(dòng)勢(shì)，要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器必須將信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的最低電壓。
2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
A/D轉(zhuǎn)換模塊也是一個(gè)關(guān)鍵部件。DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的采用的A/D轉(zhuǎn)換模塊是美國(guó)BB公司的ADS1212A/D轉(zhuǎn)換器。ADS1212是一個(gè)高精度、自校準(zhǔn)、寬動(dòng)態(tài)范圍的△-ΣA/D轉(zhuǎn)換器,具有24位分辨率、由單5V電源供電。ADS1212主要用于高分辨率應(yīng)用的智能發(fā)射機(jī)、工業(yè)過(guò)程控制、電子磅秤、色譜儀和便攜式儀表。ADS1212 A/D轉(zhuǎn)換器具有如下特點(diǎn)：△-∑型A/D轉(zhuǎn)換器；22位無(wú)丟失碼性能；采樣數(shù)據(jù)輸出速率在10Hz時(shí)有效分辨率可達(dá)到20位，采樣數(shù)據(jù)輸出速率在1000Hz時(shí)有效分辨率可達(dá)16位；最低功耗為1.4mW；差分輸入；具有可編程的增益放大器；SPI兼容SSI接口；可編程設(shè)置采樣速率，其截止頻率高達(dá)6.25kHz；可使用內(nèi)部或外部的參考電壓；具有芯片自校準(zhǔn)功能。
ADS1212的差分輸入端可直接連接到傳感器或低一級(jí)的電壓信號(hào)。ADS1212進(jìn)行的內(nèi)部自校準(zhǔn)以消除元件引入的誤差，從而提高了有效分辨率。利用系統(tǒng)校準(zhǔn)可修正系統(tǒng)偏移和增益誤差。△-Σ結(jié)構(gòu)用于寬動(dòng)態(tài)范圍確保22位無(wú)丟失碼的性能。另外，△-ΣA/D轉(zhuǎn)換器可提供很多傳感器應(yīng)用所需的高分辨率和良好線性度。有效分辨率可以直接從轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)測(cè)出，以位數(shù)的均方根值表示。通過(guò)使用一個(gè)低噪聲輸入放大器，在輸出速率設(shè)置為10Hz時(shí)，可達(dá)到20位的有效分辨率。通過(guò)使用獨(dú)特的加速調(diào)制器模式使輸出速率達(dá)到1kHz時(shí)，有效分辨率可維持在16位。ADS1212提供了一個(gè)增益范圍為1-16的低噪聲可編程增益放大器使動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換器的性能進(jìn)一步提高。通過(guò)對(duì)命令寄存器進(jìn)行編程，采樣率可以增加到15.6kHz、31.2 kHz、62.5 kHz和125 kHz。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率相同時(shí)，采樣率的增長(zhǎng)可提高系統(tǒng)的性能。ADS1212的可編程邏輯放大器（PGA）的增益可設(shè)為1、2、4、8、16，大大增加了轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍，簡(jiǎn)化了與更多普通傳感器的接口。
ADS1212A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部由可編程增益放大器、二階Δ-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、微控制器單元、寄存器組、一個(gè)靈活的SPI接口兼容的同步串行接口、一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器電路和一個(gè)內(nèi)部2.5V電壓基準(zhǔn)等組成，如圖2.3所示。寄存器組由5種功能寄存器組成，它們分別是指令寄存器（INSR）、命令寄存器（CMR）、數(shù)據(jù)輸出寄存器（DOR）、零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器（OCR）和滿量程寄存器（FCR）。其中指令寄存器和命令寄存器分別是8位和32位寄存器，用于控制轉(zhuǎn)換器的操作。數(shù)據(jù)輸出寄存器為24位寄存器，用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。只有在輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的情況下，數(shù)據(jù)輸出寄存器中的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)。如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有讀出數(shù)據(jù)輸出寄存器中的數(shù)據(jù)，那么它將會(huì)被新的數(shù)據(jù)所覆蓋。零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器和滿量程寄存器用于對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，它們都是24位寄存器，可以在初始化中對(duì)其寫入，以便用于校準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)。
圖 2.3 ADS1212A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖
2.2.3 數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)輸出模塊
在DTS3250數(shù)字溫度掃描儀中，16個(gè)通道采集來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)分別通過(guò)16個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)需要通過(guò)光電耦合器，因?yàn)?/span>DTS3250數(shù)字溫度掃描儀可以同時(shí)采集16個(gè)通道的信號(hào)，為了防止信號(hào)間的相互干擾，需要利用光電隔離技術(shù)來(lái)確保電路或系統(tǒng)間彼此電絕緣。隔離技術(shù)將電信號(hào)傳送至光電耦合器的輸入端，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)絕緣隔離，信號(hào)單向傳輸。為了提高系統(tǒng)的安全性與可靠性，采用通道獨(dú)立隔離技術(shù)是本系統(tǒng)的特點(diǎn)。雖然從成本方面考慮，元器件多了16倍，它的功能是其他系統(tǒng)不能替代的。
最后這些數(shù)字信號(hào)統(tǒng)一被傳送到在線系統(tǒng)編程CPLD。CPLD是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路，利用它可以由用戶實(shí)現(xiàn)專門用途的集成化數(shù)字電路。它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的微處理器是采用的是XC95288型在線系統(tǒng)編程CPLD，它是數(shù)據(jù)處理核心的部分，是聯(lián)通數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊和上位機(jī)的橋梁。對(duì)于數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊，它能把A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行匯總，控制各個(gè)通道的數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸，調(diào)節(jié)各個(gè)通道的增益等。對(duì)于上位機(jī)，微處理器執(zhí)行了上位機(jī)對(duì)它的命令，通過(guò)查找熱電偶分度表把測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值，使上位機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)與DTS3250數(shù)字溫度掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。XC95288不但具有類似8051單片機(jī)的功能，而且它具有軟件和硬件的加密功能，使它的安全性得到了根本的保證。
1. DTS3250數(shù)字溫度掃描儀的應(yīng)用
DTS3250數(shù)字掃描儀作為一個(gè)理想的溫度測(cè)量?jī)x器可以廣泛的應(yīng)用在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)測(cè)試單元以及其他的工業(yè)測(cè)溫環(huán)境，如各種熱機(jī)溫度監(jiān)控等。由于該儀器不但應(yīng)用廣泛、適用于惡劣環(huán)境、具有良好的電磁兼容性，而且具有高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性，因此在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造業(yè)常常應(yīng)用DTS3250數(shù)字掃描儀對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行出廠前的檢測(cè)。DTS3250數(shù)字掃描儀的16個(gè)通道可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的不同部件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，由于其誤差小、精度高的特點(diǎn)，大大的提高了廢品檢測(cè)的準(zhǔn)確度，也降低了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生率。
