CN211317556U - 一种用于运载火箭的环境温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于运载火箭的环境温度监测装置，使用集成芯片MAX31856和MAX31865，芯片采用SPI串行总线技术与微处理器通信，可以使装置的硬件简化、体积减小、可靠性提高，同时使装置的升级和扩展变的容易。该装置的扩展性强，选择多样化，可以选接PT100、PT1000以及其他型号热电阻或AD590、DS18B20，且热电阻的接线方式多样化，二线制、三线制、四线制三种接线方式可供选择。另外，该装置的电磁兼容性能优良，传感器的抗干扰能力增加，比模拟信号更为可靠。

Description

一种用于运载火箭的环境温度监测装置

技术领域

本实用新型属于环境温度监测的设计领域，尤其涉及一种用于运载火箭的环境温度监测装置。

背景技术

从运载火箭点火起飞到弹道飞行所经历的环境，包括热、振动、冲击等。火箭飞行时的气动加热、仪器工作产生的热量、发动机火焰对火箭尾部的温度反射和低温推进剂等会形成恶劣的热环境，影响仪器的正常工作和材料的性能。所以对温度准确、高精度测量显得尤为重要。

传统运载火箭环境参数监测模块中多使用接触式热电偶和热电阻测量温度。其中热电偶具有结构简单，使用简单，易实现自动化测量和控制，能测量高温，技术相对成熟的特点。在很长的一段时间，成为运载火箭测量温度的主要测温传感器。

热电偶一般用于中高温的测量。热电偶是受温度影响产生电势效应，经转换产生一个差动电压信号。此信号由放大器放大，经电压、电流变换，再由独立变换器输出与量程相对应的4～20mA电流信号或者0～5v电压信号，最后长距离输出交由处理器计算实际温度值。如图1所示。

然而在运载火箭的特殊环境下，接触式热电偶又有很多缺点。

一、信号调理复杂：需要一个将温度的电势信号转换成模拟量电流或者电压信号的独立变换器，才能将电压转化成可用的温度读数，信号调理复杂。一直以来，信号调理耗费大量设计时间，处理不当还会引入误差，导致精度降低。

二、精度低：除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精准性外，热点偶测量精度只能达到参考结合点温度的测量精度，一般在1℃至2℃内。

三、抗噪性差：当测量毫伏级信号变化时，杂散电场和磁场产生的噪声可能会引起问题。

四、成本高：由于设计电路复杂，从电路设计、器件选型到PCB制作、样板调试等所用人力、物力较高。

五、空间利用率低：PCB面积大、传感器体积大导致测量单机所占箭体空间大，进而导致运载火箭有效载荷空间利用率低。

热电阻一般用于低温的测量，是中低温区最常用的一种温度检测器。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。另一方面，由于测量的是微小信号，因此也会用差动放大电路、独立变送器等电路。

综上所述传统运载火箭多功能环境参数监测模块的优点是具有继承性，已经经过多次任务检验，具有很高的可靠性。缺点是传统环境参数监测模块信号调理复杂、精度较低；占有箭体可用空间较大，有效载荷空间利用率低；传感器供电电压不一致，转换电路较多，供电电压太高，能耗太大；供电电池组较多，体积大，重量大；传感器所用型号较老，精度、实时性较差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于运载火箭的环境温度监测装置，可实现高精度、低功耗的温度测试，且结构简单、体积小、重量轻。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：

一种用于运载火箭的环境温度监测装置，包括：

微处理器，

第一转换器，与所述微处理器通过SPI总线相连，并将电阻式温度传感器采集的数据转换成数字温度值传输给所述微处理器；

第二转换器，与所述微处理器通过SPI总线相连，并将热电偶温度传感器采集的数据转换成数字温度值传输给所述微处理器；

第一测温器，与所述微处理器通过单条数据总线相连，并将采集的温度值传输给所述微处理器；所述第一测温器的检测范围为-55℃～+125℃；

第二测温器，与所述微处理器电连接，并将采集的数据传输给所述微处理器；所述第二测温器的检测范围为-55℃～+150℃，且输出高阻抗。

根据本实用新型一实施例，所述第一转换器为MAX31865芯片，所述MAX31865芯片的管脚SCLK与所述SPI总线的管脚CLK相连，所述MAX31865芯片的管脚SDI与所述SPI总线的管脚SIMO相连，所述MAX31865芯片的管脚SDO与所述SPI总线的管脚SOMI相连；

所述电阻式温度传感器为PT100，所述PT100可采用二线制或三线制或四线制的连接方式与所述MAX31865芯片相连。

根据本实用新型一实施例，所述第二转换器为MAX31856芯片，所述MAX31856芯片的管脚SCK与所述SPI总线的管脚CLK相连，所述MAX31856芯片的管脚SDI与所述SPI总线的管脚SIMO相连，所述MAX31856芯片的管脚SDO与所述SPI总线的管脚SOMI相连；

所述MAX31856芯片与所述热电偶温度传感器采用屏蔽电缆以绞合的方式相连，且所述MAX31856芯片内部集成不同分度号的热电偶的温度查询表，所述温度查询表对所述热电偶温度传感器采集的温度数据进行非线性修正。

根据本实用新型一实施例，所述第一测温器为DS18B20数字温度传感器，单条数据总线上可并联多个所述DS18B20数字温度传感器，实现多点测温。

根据本实用新型一实施例，所述第二测温器为AD590温度传感器，所述AD590温度传感器的正极与所述微处理器电连接，所述AD590温度传感器的负极接地。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本实用新型一实施例中的用于运载火箭的环境温度监测装置，针对现有的环境温度监测装置采用热电偶检测温度，而热电偶需要经信号放大处理后，再经将温度的电势信号转换成模拟量电流或者电压信号的独立变换器处理后，交由微处理器计算实际温度值，信号调理复杂，耗费大量时间，如处理不当，还会导致精度降低的问题，本实用新型在微处理器与热电偶之间连接一转换器，将热电偶采集的数据转换成数字温度值传输给微处理器，无需经多个器件处理，就可使微处理器得到热电偶检测的温度值，大大简化了信号调理过程，缩短了信号调理时间，提高了温度检测精度；且减小了装置的体积，更适用于运载火箭。

2)本实用新型一实施例中的用于运载火箭的环境温度监测装置，针对现有的温度检测装置的检测精度低(精度为1℃)的问题，本实用新型采用MAX31865芯片作为信号调理器件，该MAX31865芯片的标称温度分辨率可达到0.03125℃，在工作状态下，精度可保持在0.5℃，大大提高了温度检测精度。

3)本实用新型一实施例中的用于运载火箭的环境温度监测装置，针对现有的温度检测装置当测量毫伏级信号变化时，无法屏蔽杂散电场和磁场产生的噪声的问题，本实用新型采用MAX31856芯片与热电偶以绞合的连线方式相连，可大幅度降低磁场耦合，从而屏蔽杂散磁场产生的噪声；另外，采用屏蔽电缆作为连接线可降低电场耦合，从而屏蔽杂散电场产生的噪声。

4)本实用新型一实施例中的用于运载火箭的环境温度监测装置，由于采用AD590温度传感器检测温度，其输出高阻抗，一方面，用绝缘良好的双绞线进行长距离(25米)输出也可保持正常工作；另一方面，可大大消除供电电压漂移和波纹对温度检测的影响。

5)本实用新型一实施例中的用于运载火箭的环境温度监测装置，针对现有的温度检测装置采用热电阻检测，而热电阻一般用于低温的测量，无法测量高温的问题，本实用新型采用DS18B20数字温度传感器，其温度测量范围为-55℃～+125℃，可测量125℃的高温，扩大了温度检测装置的温度测量范围。

附图说明

图1为现有的采用热电偶检测温度的装置结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中的用于运载火箭的环境温度监测装置的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例中的MAX31865芯片的接线图；

图4为本实用新型一实施例中的MAX31856芯片的接线图。

附图标记说明：

1：微处理器；2：MAX31865芯片；3：PT100温度传感器；4：MAX31856芯片；5：热电偶；6：DS18B20数字温度传感器；7：AD590温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种用于运载火箭的环境温度监测装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。

本实用新型提供的用于运载火箭的环境温度监测装置，如图2所示，包括：微处理器(MCU)1、第一转换器(MAX31865芯片2)、第二转换器(MAX31856芯片4)、第一测温器(DS18B20数字温度传感器6)、第二测温器(AD590温度传感器7)。

具体的，MAX31865芯片2与微处理器1通过SPI总线相连，并将电阻式温度传感器(PT100温度传感器3)采集的数据转换成数字温度值传输给微处理器1。如图3所示，MAX31865芯片2的管脚SCLK与SPI总线的管脚CLK相连，MAX31865芯片2的管脚SDI与SPI总线的管脚SIMO相连，MAX31865芯片2的管脚SDO与SPI总线的管脚SOMI相连。该MAX31865芯片2可兼容二线制、三线制及四线制的传感器连接方式，以三线制连接方式为例，MAX31865芯片2的管脚FORCE+、RTDIN+及RTDIN-上各连接一个PT100温度传感器3。

本实用新型采用集成度高、技术成熟的MAX31865芯片2，具有集成度高，系统功耗低，能简化设计，减少设计周期的优点。该MAX31865芯片2支持100欧姆至1000欧姆的铂电阻，且兼容二线制、三线制、四线制等传感器连接方式。铂电阻由绞合屏蔽电缆连接至MAX31865芯片2，铂电阻采集的电压值经MAX31865芯片2内置的15位模/数转换器在21ms内转换成数字量。MAX31865芯片2与微处理器1之间采用SPI的通信方式，构成主从关系，微处理器1通过SPI总线分时轮询每个MAX31865芯片2得到每个PT100温度传感器3检测的温度值。该MAX31865芯片2的标称温度分辨率为0.03125℃(随RTD非线性变化)，整个工作条件下，总的精度保持在0.5℃(相当于0.05％满量程)。

MAX31856芯片4与微处理器1通过SPI总线相连，并将热电偶5采集的数据转换成数字温度值传输给微处理器1。如图4所示，MAX31856芯片4的管脚SCK与SPI总线的管脚CLK相连，MAX31856芯片4的管脚SDI与SPI总线的管脚SIMO相连，MAX31856芯片4的管脚SDO与SPI总线的管脚SOMI相连。MAX31856芯片4的管脚BIAS、T+及T-这三个管脚连接一个热电偶5，该MAX31856芯片4内置19位模/数转换器(ADC)，具有内部温度传感器，可对热电偶5进行冷端自动补偿。该MAX31856芯片4内部具有支持不同分度号的热电偶5的温度查询表，这些温度查询表可对热电偶5采集的数据进行非线性修正，输出数据格式化为摄氏度，无需转换。该MAX31856芯片4的温度分辨率为0.0078125℃，允许读数范围为+1800℃～-210℃的温度值(具体取决于热电偶5的类型)，并且对热电偶5的电压测量精度可达到0.15V。热电偶5与MAX31856芯片4的连线采用绞合的方式，可大幅度降低的磁场耦合；另外，使用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护，可降低电场耦合，屏蔽杂散电场或磁场产生的噪声。

MAX31856芯片4与微处理器1采用SPI的通信方式，构成主从关系。由于传统的计算温度的方法是通过采集电压到ADC，进而计算出温度值；微处理器的ADC一般为12位，这样就造成采样精度不高。本实用新型采用MAX31856芯片4可以利用其内置的19位模/数转换器(ADC)得到更高精度的采样值，并通过SPI通讯将采样值给微处理器1，其精度可达到0.1℃。

DS18B20数字温度传感器6与微处理器1通过单条数据总线相连，并将采集的温度值传输给微处理器1；其温度检测范围为-55℃～+125℃。该DS18B20数字温度传感器6具有线路设计简单、体积小的特点，在组成一个测温系统时，只需一根总线即可并联多个DS18B20数字温度传感器6，实现多点测温，且组网很方便。该DS18B20数字温度传感器6内部有4组成部分：温度传感器、64位ROM、非挥发的温度报警触发器TH和TI、配置寄存器，采用在线温度测量技术，在-10℃～85℃时，测量精度为±0.5℃。其测温电缆一般采用屏蔽四芯双绞电缆，其中一对是接地线与信号线，另一对是电源线和地线，屏蔽层在电源端单点接地。该DS18B20数字温度传感器6以单总线数据方式传输，大大提高了装置的抗干扰能力，且体积小，精度高(12位时精度可以达到0.625摄氏度)。

AD590温度传感器7与微处理器1电连接，并将采集的数据传输给微处理器1处理计算出实测温度值。AD590温度传感器7的正极与微处理器1电连接，AD590温度传感器7的负极接地。该AD590温度传感器7的温度检测范围为-55℃～+150℃，且输出高阻抗，因此用绝缘良好的双绞线长距离输出对器件的工作影响不大，可以使器件在距离25m处正常工作。并且高的输出阻抗能很好的消除电源电压漂移和纹波的影响。AD590工作原理是输出电流跟随温度同时同量变化，其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout＝(273+25)＝298μA。

AD590温度传感器7采用单电源工作，输出的是电流而不是电压，因此抗干扰能力强，要求的功率低(1.5mv/+5v/+25℃)，使得AD590温度传感器7特别适合于运动测量。

本实用新型提供的用于运载火箭的环境温度监测装置，使用集成芯片MAX31856和MAX31865，芯片采用SPI串行总线技术与微处理器1通信，可以使装置的硬件简化、体积减小、可靠性提高，同时使装置的升级和扩展变的容易。该装置的扩展性强，选择多样化，可以选接PT100、PT1000以及其他型号热电阻或AD590、DS18B20，且热电阻的接线方式多样化，二线制、三线制、四线制三种接线方式可供选择。另外，该装置的电磁兼容性能优良，传感器的抗干扰能力增加，比模拟信号更为可靠。

该装置可安装于运载火箭的第一级上，可测量运载火箭一、二级热分离时，一、二级接触端面上多条多点的温度数据曲线，该温度数据曲线可反映运载火箭的一、二级热分离时，一、二级接触端面上温度的分布情况，对运载火箭的动力装置的结构及材料的优化与创新具有重要意义。该装置克服了传统监测装置的缺点，具有体积小，重量轻，自带供给电池，功耗小，测量精度高，下行速率快，实时性强等优点。在验收的过程中，能经过各种环境的考验，保证运载火箭起飞后高速运行的正常工作。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种用于运载火箭的环境温度监测装置，其特征在于，包括：

微处理器，

第一转换器，与所述微处理器通过SPI总线相连，并将电阻式温度传感器采集的数据转换成数字温度值传输给所述微处理器；

第二转换器，与所述微处理器通过SPI总线相连，并将热电偶温度传感器采集的数据转换成数字温度值传输给所述微处理器；

第一测温器，与所述微处理器通过单条数据总线相连，并将采集的温度值传输给所述微处理器；所述第一测温器的检测范围为-55℃～+125℃；

第二测温器，与所述微处理器电连接，并将采集的数据传输给所述微处理器；所述第二测温器的检测范围为-55℃～+150℃，且输出高阻抗。

2.如权利要求1所述的用于运载火箭的环境温度监测装置，其特征在于，所述第一转换器为MAX31865芯片，所述MAX31865芯片的管脚SCLK与所述SPI总线的管脚CLK相连，所述MAX31865芯片的管脚SDI与所述SPI总线的管脚SIMO相连，所述MAX31865芯片的管脚SDO与所述SPI总线的管脚SOMI相连；

所述电阻式温度传感器为PT100，所述PT100可采用二线制或三线制或四线制的连接方式与所述MAX31865芯片相连。

3.如权利要求1所述的用于运载火箭的环境温度监测装置，其特征在于，所述第二转换器为MAX31856芯片，所述MAX31856芯片的管脚SCK与所述SPI总线的管脚CLK相连，所述MAX31856芯片的管脚SDI与所述SPI总线的管脚SIMO相连，所述MAX31856芯片的管脚SDO与所述SPI总线的管脚SOMI相连；

所述MAX31856芯片与所述热电偶温度传感器采用屏蔽电缆以绞合的方式相连，且所述MAX31856芯片内部集成不同分度号的热电偶的温度查询表，所述温度查询表对所述热电偶温度传感器采集的温度数据进行非线性修正。

4.如权利要求1所述的用于运载火箭的环境温度监测装置，其特征在于，所述第一测温器为DS18B20数字温度传感器，单条数据总线上可并联多个所述DS18B20数字温度传感器，实现多点测温。

5.如权利要求1所述的用于运载火箭的环境温度监测装置，其特征在于，所述第二测温器为AD590温度传感器，所述AD590温度传感器的正极与所述微处理器电连接，所述AD590温度传感器的负极接地。

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