熱電偶傳感器電路設計研究

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摘要:本文以活塞發動機的氣缸頭溫度的檢測為例，詳細介紹E型熱電偶傳感器的工作原理。在此基礎上，本文給出了硬件電路設計，并建立了傳感器數學模型。通過試驗證實，本文所提出的熱電偶傳感器調理電路可以滿足使用要求。

關鍵詞:熱電偶;氣缸頭溫度;AD590

1緒論

氣缸頭溫度是活塞發動機的重要工作參數，飛機在各種狀態下氣缸頭溫度都必須保持在合理的范圍內:如果氣缸頭溫度過高，將導致氣缸缸體損壞，致使發動機停車，嚴重危及飛機的飛行安全;如果氣缸頭溫度過低，將導致飛機發動機動力不足。本文利用E型熱電偶傳感器來檢測氣缸頭溫度。

2氣缸頭溫度檢測要求

實際使用中，針對氣缸頭溫度信號的檢測，通常要求如下:1)傳感器輸出信號:傳感器類型:E型熱電偶;信號類型:隨溫度緩慢變化的弱電壓信號;信號阻抗:20Ω～20kΩ;引線類型:兩線制連接;信號范圍:－3．11mV～27．15mV;2)解算后輸出參數:數字量:－50℃～350℃;3)允許誤差:常溫±4℃，高低溫±6℃。

3熱電偶傳感器機理分析

熱電偶是利用熱電效應進行工作的測溫元件，由兩種不同導體(半導體)材料A與B串聯組成的閉合電路。若兩個結點處于不同的溫度T和T0，且T＞T0，則回路中就會有熱電勢產生EAB(T，T0)。其中A、B為熱電極，溫度為T的結點成為熱端，溫度為T0的結點稱為冷端。試驗證明，熱電勢EAB(T，T0)的大小只與兩種導體材料的性質和結點溫度有關，而與導體材料A、B的中間溫度無關。若導體A、B材料選定，且冷端溫度T0=0℃，則熱電勢EAB(T，T0)為熱端T的單值函數［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EAB(T，T0)，就可確定被測量溫度T。圖1為傳感器檢測連接圖。

4硬件電路設計

4．1總體設計產品中氣缸頭溫度的檢測電路包括信號調理電路與數字處理電路。其中調理電路包括熱電偶的信號調理和其冷端溫度信號的調理。系統框圖見圖2所示。4．2調理電路設計及誤差計算調理電路由匹配電路及放大電路組成。在電路設計中，傳感器輸出的是毫伏級信號，經放大電路放大輸出。電路有斷偶測試設計，可在斷偶時保證輸入輸出穩定可靠。調理電路見圖3。圖3調理電路圖1)電路分析在圖3的調理電路中，由于熱電偶輸出的熱電勢屬于弱電壓mV級信號，易受到電源射頻干擾及噪聲干擾，本文采用電阻R586、C627并聯接地與R587、C628并聯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載中經共模－差模轉換而對產品正常工作造成的影響。C630為差模電容濾波器，為了增強濾波效果，三個電容都需要采用高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，放大倍數由外接電阻R519決定，理想電路采用雙電源±15V供電。由于其輸入極采用Su-perBeta處理，可實現最大1．0nA的低輸入電壓噪聲。由于其體積小，功耗低，(最大供電電流僅1．3mA)，特別適合用于熱電偶調理中。R578、C606構成一階RC低通濾波器，對放大以后的信號進一步濾波，截止頻率設計為2Hz左右。通過設計，將后續隔離級電路N517即運算放大器構成具有負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，增強電路帶載能力。V513、V551、V521為瞬變抑制二極管，用于防雷設計。2)電路計算具體計算如下:放大倍數:G=49．4k/R519+1=177．43(取R519=137Ω);斷偶時Uo=10．6458V，遠高于正常值范圍，可以有效的實現斷偶檢測。一階低通濾波電路截止頻率為:f0=1/(R578×C606×2π)=2Hz。3)誤差計算及其它由于電阻值變化對放大倍數影響較大，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±15ppm/℃，其余電阻選用阻值偏差±5%，電阻溫度系數±100ppm/℃即可滿足設計要求。根據設計電路，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%．跟隨電路失調電壓是μV級，誤差可忽略不計，總的調理電路(考慮線電阻)誤差為:δmax=±(δ1max2+δ2max2)0．5=±0．71%。4)降額設計該調理電路中，電阻功耗最大在R578處，為P=I2R=0．054W。在綜合考慮電路電阻參數以及降低器件品種的前提下，其他電阻選取額定功耗為1/4W的就完全可以滿足要求。AD620供電要求為±2．3V～±18V，為了滿足測量范圍，實際供電在±15V±0．15V，且輸入信號滿足－12．9V～+13．6V，完全滿足AD620使用要求。當未接傳感器或傳感器有開路時，AD620輸出范圍為－13．4V～13．5V，跟隨電路OP200輸入電壓范圍－13V～13V，為了保證運放可靠工作，選取硅電壓調整2CW59穩壓(全溫最大穩壓值在+11．8V)，在AD620輸出為負電壓時2CW59正向導通，使其輸出通過R582(3K)限流在4．24mA，完全保證AD620輸出短路電流小于18mA的要求。

5建立數學模型

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計要求。為了減少溫度誤差，本文將采用最小二乘法原理對熱電偶的溫度與熱電勢的關系曲線T=T(E)建立數學模型。用最小二乘法對熱電偶分度表進行曲線擬合，擬合溫度范圍從－50℃到熱電偶所能測量的最高溫度350℃，擬合結點的間隔為1℃。設溫度T與熱電動勢E之間的函數關系為T=T(E)，取Tn=nC(n=0，1，2，…)，與Tn相對應的熱電動勢為En(En可由熱電偶分度表查得)。由此得到一組數據(E0，T0)，(E1，T1)，(E2，T2)，…，(En，Tn)?？紤]用多項式作為擬合函數，用最小二乘法對上述n+1個結點進行擬合，所得的m次多項式fm(E)作為函數T=T(E)的近似表達式，即:T=T(E)≌fm(E)fm(E)=a0+a1E+a2E2+…+amEm=∑mj=0ajEj(1)式子中，a為常數。根據最小二乘法原理，即要確定式(1)中aj(j=0，1，2，…，m)，使在Ei(i=0，1，2，…，n)各點處，fm(E)對T(E)的誤差平方和為最小，即:R=∑ni=0［fm(Ei)－Ti］2=∑ni=0［∑mj=0ajEji－Ti］2(2)并要求Raj=0j=0，1，2，…，m(3)將(2)式代入(3)式可得:Ra0=2∑ni=0［∑mj=0ajEji－Ti］=0Ra1=2∑ni=0［∑mj=0ajEji－Ti］E1=0Ram=2∑ni=0［∑mj=0ajEji－Ti］Em1=0(4)將式(4)改寫成矩陣形式:∑1…∑Emi∑Emi…∑E2mia0a1am=∑T1∑E1T1∑EmiT1(5)解出式(5)中的a0，a1，……，am，代入式(1)中，得:T=T(E)≌fm(E)=∑aiEi(6)式(6)為所求的由熱電動勢計算溫度的近似公式，其中∑為∑ni=0。采用喬列斯基法解方程組(5)，可得到以下系數:a0=－0．089944136;a1=15．474242;a2=－0．17179932;a3=0．0036226888;a4=－2．9312449e－05。6小結本文介紹E型熱電偶傳感器的工作原理，給出了相應的硬件檢測電路和相應的數學模型。通過試驗證實，此檢測電路滿足使用要求。

參考文獻

［1］郭愛芳，王恒迪．傳感器原理及應用［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2007．

［2］魏可臻，張奇．熱電偶熱傳導測溫中的動態響應時間和誤差估計［J］．測試技術學報，2007(6):11．

作者:楊朋樽 單位:航空工業太原航空儀表有限公司