導(dǎo)語：熱電偶傳感器電路設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:本文以活塞發(fā)動機的氣缸頭溫度的檢測為例，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，并建立了傳感器數(shù)學(xué)模型。通過試驗證實，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。

關(guān)鍵詞:熱電偶;氣缸頭溫度;AD590

1緒論

氣缸頭溫度是活塞發(fā)動機的重要工作參數(shù)，飛機在各種狀態(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)動機停車，嚴(yán)重危及飛機的飛行安全;如果氣缸頭溫度過低，將導(dǎo)致飛機發(fā)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(shù):數(shù)字量:－50℃～350℃;3)允許誤差:常溫±4℃，高低溫±6℃。

3熱電偶傳感器機理分析

熱電偶是利用熱電效應(yīng)進行工作的測溫元件，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。若兩個結(jié)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(chǎn)生EAB(T，T0)。其中A、B為熱電極，溫度為T的結(jié)點成為熱端，溫度為T0的結(jié)點稱為冷端。試驗證明，熱電勢EAB(T，T0)的大小只與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)和結(jié)點溫度有關(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(shè)計

4．1總體設(shè)計產(chǎn)品中氣缸頭溫度的檢測電路包括信號調(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調(diào)理和其冷端溫度信號的調(diào)理。系統(tǒng)框圖見圖2所示。4．2調(diào)理電路設(shè)計及誤差計算調(diào)理電路由匹配電路及放大電路組成。在電路設(shè)計中，傳感器輸出的是毫伏級信號，經(jīng)放大電路放大輸出。電路有斷偶測試設(shè)計，可在斷偶時保證輸入輸出穩(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(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(shù)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(xiàn)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(diào)理中。R578、C606構(gòu)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(shè)計為2Hz左右。通過設(shè)計，將后續(xù)隔離級電路N517即運算放大器構(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，增強電路帶載能力。V513、V551、V521為瞬變抑制二極管，用于防雷設(shè)計。2)電路計算具體計算如下:放大倍數(shù):G=49．4k/R519+1=177．43(取R519=137Ω);斷偶時Uo=10．6458V，遠(yuǎn)高于正常值范圍，可以有效的實現(xiàn)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(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)±15ppm/℃，其余電阻選用阻值偏差±5%，電阻溫度系數(shù)±100ppm/℃即可滿足設(shè)計要求。根據(jù)設(shè)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(diào)電壓是μV級，誤差可忽略不計，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)計該調(diào)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(shù)以及降低器件品種的前提下，其他電阻選取額定功耗為1/4W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(dāng)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(diào)整2CW59穩(wěn)壓(全溫最大穩(wěn)壓值在+11．8V)，在AD620輸出為負(fù)電壓時2CW59正向?qū)?，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(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(guān)系曲線T=T(E)建立數(shù)學(xué)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(jié)點的間隔為1℃。設(shè)溫度T與熱電動勢E之間的函數(shù)關(guān)系為T=T(E)，取Tn=nC(n=0，1，2，…)，與Tn相對應(yīng)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(shù)據(jù)(E0，T0)，(E1，T1)，(E2，T2)，…，(En，Tn)?？紤]用多項式作為擬合函數(shù)，用最小二乘法對上述n+1個結(jié)點進行擬合，所得的m次多項式fm(E)作為函數(shù)T=T(E)的近似表達(dá)式，即:T=T(E)≌fm(E)fm(E)=a0+a1E+a2E2+…+amEm=∑mj=0ajEj(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(shù):a0=－0．089944136;a1=15．474242;a2=－0．17179932;a3=0．0036226888;a4=－2．9312449e－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)的硬件檢測電路和相應(yīng)的數(shù)學(xué)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(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)測溫中的動態(tài)響應(yīng)時間和誤差估計［J］．測試技術(shù)學(xué)報，2007(6):11．

作者:楊朋樽 單位:航空工業(yè)太原航空儀表有限公司