熱電偶傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

楊朋樽

(航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

熱電偶傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

楊朋樽

(航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

本文以活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸頭溫度的檢測(cè)為例，詳細(xì)介紹E型熱電偶傳感器的工作原理。在此基礎(chǔ)上，本文給出了硬件電路設(shè)計(jì)，并建立了傳感器數(shù)學(xué)模型。通過試驗(yàn)證實(shí)，本文所提出的熱電偶傳感器調(diào)理電路可以滿足使用要求。

熱電偶；氣缸頭溫度；AD590

1 緒論

氣缸頭溫度是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的重要工作參數(shù)，飛機(jī)在各種狀態(tài)下氣缸頭溫度都必須保持在合理的范圍內(nèi)：如果氣缸頭溫度過高，將導(dǎo)致氣缸缸體損壞，致使發(fā)動(dòng)機(jī)停車，嚴(yán)重危及飛機(jī)的飛行安全；如果氣缸頭溫度過低，將導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。本文利用E型熱電偶傳感器來檢測(cè)氣缸頭溫度。

2 氣缸頭溫度檢測(cè)要求

實(shí)際使用中，針對(duì)氣缸頭溫度信號(hào)的檢測(cè)，通常要求如下：

1) 傳感器輸出信號(hào)：

傳感器類型：E型熱電偶；

信號(hào)類型：隨溫度緩慢變化的弱電壓信號(hào)；

信號(hào)阻抗：20 Ω～20 kΩ；

引線類型：兩線制連接；

信號(hào)范圍：-3.11mV～27.15mV；

2) 解算后輸出參數(shù)：

數(shù)字量： -50 ℃～350 ℃ ；

3) 允許誤差：常溫±4 ℃，高低溫±6 ℃。

3 熱電偶傳感器機(jī)理分析

熱電偶是利用熱電效應(yīng)進(jìn)行工作的測(cè)溫元件，由兩種不同導(dǎo)體(半導(dǎo)體)材料A與B串聯(lián)組成的閉合電路。若兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度T和T0，且T>T0,則回路中就會(huì)有熱電勢(shì)產(chǎn)生EAB(T,T0)。其中A、B為熱電極，溫度為T的結(jié)點(diǎn)成為熱端，溫度為T0的結(jié)點(diǎn)稱為冷端。

試驗(yàn)證明，熱電勢(shì)EAB(T,T0)的大小只與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體材料A、B的中間溫度無關(guān)。若導(dǎo)體A、B材料選定，且冷端溫度T0=0 ℃，則熱電勢(shì)EAB(T,T0)為熱端T的單值函數(shù)[1]。因此，在冷端溫度恒定的情況下，只要得到傳感器輸出的熱電勢(shì)EAB(T,T0)，就可確定被測(cè)量溫度T。圖1為傳感器檢測(cè)連接圖。

圖1 傳感器檢測(cè)連接圖

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

產(chǎn)品中氣缸頭溫度的檢測(cè)電路包括信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)字處理電路。其中調(diào)理電路包括熱電偶的信號(hào)調(diào)理和其冷端溫度信號(hào)的調(diào)理。系統(tǒng)框圖見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

4.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)及誤差計(jì)算

調(diào)理電路由匹配電路及放大電路組成。在電路設(shè)計(jì)中，傳感器輸出的是毫伏級(jí)信號(hào)，經(jīng)放大電路放大輸出。電路有斷偶測(cè)試設(shè)計(jì)，可在斷偶時(shí)保證輸入輸出穩(wěn)定可靠。調(diào)理電路見圖3。

圖3 調(diào)理電路圖

1) 電路分析

在圖3的調(diào)理電路中，由于熱電偶輸出的熱電勢(shì)屬于弱電壓mV級(jí)信號(hào)，易受到電源射頻干擾及噪聲干擾，本文采用電阻R586、C627并聯(lián)接地與R587、C628并聯(lián)接地組成共模濾波電路，該電路可以避免高頻共模噪聲流入負(fù)載中經(jīng)共模-差模轉(zhuǎn)換而對(duì)產(chǎn)品正常工作造成的影響。C630為差模電容濾波器，為了增強(qiáng)濾波效果，三個(gè)電容都需要采用高 Q 值、低損耗的陶瓷電容器。

N505即儀用放大器AD620，由其配套器件組成放大電路，放大倍數(shù)由外接電阻R519決定，理想電路采用雙電源±15 V供電。由于其輸入極采用SuperBeta處理，可實(shí)現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入電壓噪聲。由于其體積小，功耗低，(最大供電電流僅1.3 mA),特別適合用于熱電偶調(diào)理中。

R578、C606構(gòu)成一階RC低通濾波器，對(duì)放大以后的信號(hào)進(jìn)一步濾波，截止頻率設(shè)計(jì)為2 Hz左右。

通過設(shè)計(jì)，將后續(xù)隔離級(jí)電路N517即運(yùn)算放大器構(gòu)成具有負(fù)反饋的電壓跟隨電路。由于其電路輸入阻抗高，輸出阻抗低，電路用于阻抗匹配，增強(qiáng)電路帶載能力。V513、V551、V521為瞬變抑制二極管，用于防雷設(shè)計(jì)。

2) 電路計(jì)算

具體計(jì)算如下：

放大倍數(shù)：G=49.4k/R519+1=177.43(取R519=137 Ω)；

斷偶時(shí)Uo=10.645 8 V,遠(yuǎn)高于正常值范圍，可以有效的實(shí)現(xiàn)斷偶檢測(cè)。

一階低通濾波電路截止頻率為：f0=1/(R578×C606×2π)=2 Hz。

3) 誤差計(jì)算及其它

由于電阻值變化對(duì)放大倍數(shù)影響較大，因此需選用高精度及溫度特性小的電阻。在電路中電阻R519選取阻值偏差±0.1%，電阻溫度系數(shù)±15 ppm/℃，其余電阻選用阻值偏差±5%，電阻溫度系數(shù)±100 ppm/℃即可滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)電路，由電阻引起的誤差為：

δ1max=±[(±0.1%)2+(±15×10-6×

(55+70))2]0.5=±0.11%

由放大電路AD620引起的誤差為：δ2max =±0.7%.

跟隨電路失調(diào)電壓是μV級(jí)，誤差可忽略不計(jì)，總的調(diào)理電路(考慮線電阻)誤差為：

δmax=±(δ1max2+δ2max2)0.5=±0.71%。

4) 降額設(shè)計(jì)

該調(diào)理電路中,電阻功耗最大在R578處，為P=I2R=0.054 W。在綜合考慮電路電阻參數(shù)以及降低器件品種的前提下，其他電阻選取額定功耗為1/4 W的就完全可以滿足要求。

AD620供電要求為±2.3 V～±18 V，為了滿足測(cè)量范圍，實(shí)際供電在±15 V±0.15 V，且輸入信號(hào)滿足-12.9 V～+13.6 V，完全滿足AD620使用要求。

當(dāng)未接傳感器或傳感器有開路時(shí)，AD620輸出范圍為-13.4 V～13.5 V，跟隨電路OP200輸入電壓范圍-13 V～13 V，為了保證運(yùn)放可靠工作，選取硅電壓調(diào)整2CW59穩(wěn)壓(全溫最大穩(wěn)壓值在+11.8 V)，在AD620輸出為負(fù)電壓時(shí)2CW59正向?qū)?，使其輸出通過R582(3K)限流在4.24 mA，完全保證AD620輸出短路電流小于18 mA的要求。

5 建立數(shù)學(xué)模型

E熱電偶傳感器的溫度特性曲線是非線性的，采用一般方法難以滿足氣缸頭溫度設(shè)計(jì)要求。為了減少溫度誤差，本文將采用最小二乘法原理對(duì)熱電偶的溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系曲線T=T(E)建立數(shù)學(xué)模型。

用最小二乘法對(duì)熱電偶分度表進(jìn)行曲線擬合，擬合溫度范圍從-50 ℃到熱電偶所能測(cè)量的最高溫度350 ℃，擬合結(jié)點(diǎn)的間隔為1 ℃。

設(shè)溫度T與熱電動(dòng)勢(shì)E之間的函數(shù)關(guān)系為T=T(E)，取Tn=nC(n=0,1,2,…),與Tn相對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)為En(En可由熱電偶分度表查得)。由此得到一組數(shù)據(jù)(E0,T0),(E1,T1),(E2,T2),…,(En,Tn)。

考慮用多項(xiàng)式作為擬合函數(shù)，用最小二乘法對(duì)上述n+1個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬合，所得的m次多項(xiàng)式fm(E)作為函數(shù)T=T(E)的近似表達(dá)式，即：

(1)

式子中，a為常數(shù)。根據(jù)最小二乘法原理，即要確定式(1)中aj(j=0,1,2,…,m),使在Ei(i=0,1,2,…,n)各點(diǎn)處，fm(E)對(duì)T(E)的誤差平方和為最小，即：

(2)

并要求

(3)

將(2)式代入(3)式可得：

(4)

將式(4)改寫成矩陣形式：

(5)

解出式(5)中的a0,a1,……,am,代入式(1)中，得：

T=T(E)≌fm(E)=∑aiEi

(6)

采用喬列斯基法解方程組(5)，可得到以下系數(shù)：

a0=-0.089 944 136；a1=15.474 242；a2=-0.171 799 32；a3=0.003 622 688 8；a4=-2.931 244 9e-05。

6 小結(jié)

本文介紹E型熱電偶傳感器的工作原理，給出了相應(yīng)的硬件檢測(cè)電路和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過試驗(yàn)證實(shí)，此檢測(cè)電路滿足使用要求。

[1] 郭愛芳，王恒迪.傳感器原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[2] 魏可臻，張奇.熱電偶熱傳導(dǎo)測(cè)溫中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和誤差估計(jì)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2007(6)：11.

DesignofModulateCircuitforThermocouplesSensor

Yang Pengzun

(TaiyuanAeroInstrumentsCO.,LTD.,AVIC,TaiyuanShanxi030006,China)

This paper makes a design of cylinder head thermometer detection of piston engine by E-TYPE thermocouple Sensor. Based on this, modulate circuit and mathematical model of its sensor are showed in some detail. It is proved by experiments that modulate circuit of E-TYPE thermocouple sensor can meet the needs of use.

thermocouple sensor; cylinder head thermometer; AD590

2017-10-05

楊朋樽(1979-)，男，山西太原人，碩士研究生，主要從事機(jī)載設(shè)備參數(shù)采集電路設(shè)計(jì)工作。

1674- 4578(2017)06- 0019- 03

TP212.11

A