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热电偶传感器电路设计研究

摘要:本文以活塞发动机的气缸头温度的检测为例,详细介绍E型热电偶传感器的工作原理。在此基础上,本文给出了硬件电路设计,并建立了传感器数学模型。通过试验证实,本文所提出的热电偶传感器调理电路可以满足使用要求。

关键词:热电偶;气缸头温度;AD590

1绪论

气缸头温度是活塞发动机的重要工作参数,飞机在各种状态下气缸头温度都必须保持在合理的范围内:如果气缸头温度过高,将导致气缸缸体损坏,致使发动机停车,严重危及飞机的飞行安全;如果气缸头温度过低,将导致飞机发动机动力不足。本文利用E型热电偶传感器来检测气缸头温度。

2气缸头温度检测要求

实际使用中,针对气缸头温度信号的检测,通常要求如下:1)传感器输出信号:传感器类型:E型热电偶;信号类型:随温度缓慢变化的弱电压信号;信号阻抗:20Ω~20kΩ;引线类型:两线制连接;信号范围:-3.11mV~27.15mV;2)解算后输出参数:数字量:-50℃~350℃;3)允许误差:常温±4℃,高低温±6℃。

3热电偶传感器机理分析

热电偶是利用热电效应进行工作的测温元件,由两种不同导体(半导体)材料A与B串联组成的闭合电路。若两个结点处于不同的温度T和T0,且T>T0,则回路中就会有热电势产生EAB(T,T0)。其中A、B为热电极,温度为T的结点成为热端,温度为T0的结点称为冷端。试验证明,热电势EAB(T,T0)的大小只与两种导体材料的性质和结点温度有关,而与导体材料A、B的中间温度无关。若导体A、B材料选定,且冷端温度T0=0℃,则热电势EAB(T,T0)为热端T的单值函数[1]。因此,在冷端温度恒定的情况下,只要得到传感器输出的热电势EAB(T,T0),就可确定被测量温度T。图1为传感器检测连接图。

4硬件电路设计

4.1总体设计产品中气缸头温度的检测电路包括信号调理电路与数字处理电路。其中调理电路包括热电偶的信号调理和其冷端温度信号的调理。系统框图见图2所示。4.2调理电路设计及误差计算调理电路由匹配电路及放大电路组成。在电路设计中,传感器输出的是毫伏级信号,经放大电路放大输出。电路有断偶测试设计,可在断偶时保证输入输出稳定可靠。调理电路见图3。图3调理电路图1)电路分析在图3的调理电路中,由于热电偶输出的热电势属于弱电压mV级信号,易受到电源射频干扰及噪声干扰,本文采用电阻R586、C627并联接地与R587、C628并联接地组成共模滤波电路,该电路可以避免高频共模噪声流入负载中经共模-差模转换而对产品正常工作造成的影响。C630为差模电容滤波器,为了增强滤波效果,三个电容都需要采用高Q值、低损耗的陶瓷电容器。N505即仪用放大器AD620,由其配套器件组成放大电路,放大倍数由外接电阻R519决定,理想电路采用双电源±15V供电。由于其输入极采用Su-perBeta处理,可实现最大1.0nA的低输入电压噪声。由于其体积小,功耗低,(最大供电电流仅1.3mA),特别适合用于热电偶调理中。R578、C606构成一阶RC低通滤波器,对放大以后的信号进一步滤波,截止频率设计为2Hz左右。通过设计,将后续隔离级电路N517即运算放大器构成具有负反馈的电压跟随电路。由于其电路输入阻抗高,输出阻抗低,电路用于阻抗匹配,增强电路带载能力。V513、V551、V521为瞬变抑制二极管,用于防雷设计。2)电路计算具体计算如下:放大倍数:G=49.4k/R519+1=177.43(取R519=137Ω);断偶时Uo=10.6458V,远高于正常值范围,可以有效的实现断偶检测。一阶低通滤波电路截止频率为:f0=1/(R578×C606×2π)=2Hz。3)误差计算及其它由于电阻值变化对放大倍数影响较大,因此需选用高精度及温度特性小的电阻。在电路中电阻R519选取阻值偏差±0.1%,电阻温度系数±15ppm/℃,其余电阻选用阻值偏差±5%,电阻温度系数±100ppm/℃即可满足设计要求。根据设计电路,由电阻引起的误差为:δ1max=±[(±0.1%)2+(±15×10-6×(55+70))2]0.5=±0.11%由放大电路AD620引起的误差为:δ2max=±0.7%.跟随电路失调电压是μV级,误差可忽略不计,总的调理电路(考虑线电阻)误差为:δmax=±(δ1max2+δ2max2)0.5=±0.71%。4)降额设计该调理电路中,电阻功耗最大在R578处,为P=I2R=0.054W。在综合考虑电路电阻参数以及降低器件品种的前提下,其他电阻选取额定功耗为1/4W的就完全可以满足要求。AD620供电要求为±2.3V~±18V,为了满足测量范围,实际供电在±15V±0.15V,且输入信号满足-12.9V~+13.6V,完全满足AD620使用要求。当未接传感器或传感器有开路时,AD620输出范围为-13.4V~13.5V,跟随电路OP200输入电压范围-13V~13V,为了保证运放可靠工作,选取硅电压调整2CW59稳压(全温最大稳压值在+11.8V),在AD620输出为负电压时2CW59正向导通,使其输出通过R582(3K)限流在4.24mA,完全保证AD620输出短路电流小于18mA的要求。

5建立数学模型

E热电偶传感器的温度特性曲线是非线性的,采用一般方法难以满足气缸头温度设计要求。为了减少温度误差,本文将采用最小二乘法原理对热电偶的温度与热电势的关系曲线T=T(E)建立数学模型。用最小二乘法对热电偶分度表进行曲线拟合,拟合温度范围从-50℃到热电偶所能测量的最高温度350℃,拟合结点的间隔为1℃。设温度T与热电动势E之间的函数关系为T=T(E),取Tn=nC(n=0,1,2,…),与Tn相对应的热电动势为En(En可由热电偶分度表查得)。由此得到一组数据(E0,T0),(E1,T1),(E2,T2),…,(En,Tn)。考虑用多项式作为拟合函数,用最小二乘法对上述n+1个结点进行拟合,所得的m次多项式fm(E)作为函数T=T(E)的近似表达式,即:T=T(E)≌fm(E)fm(E)=a0+a1E+a2E2+…+amEm=∑mj=0ajEj(1)式子中,a为常数。根据最小二乘法原理,即要确定式(1)中aj(j=0,1,2,…,m),使在Ei(i=0,1,2,…,n)各点处,fm(E)对T(E)的误差平方和为最小,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)将(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)将式(4)改写成矩阵形式:∑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)为所求的由热电动势计算温度的近似公式,其中∑为∑ni=0。采用乔列斯基法解方程组(5),可得到以下系数:a0=-0.089944136;a1=15.474242;a2=-0.17179932;a3=0.0036226888;a4=-2.9312449e-05。6小结本文介绍E型热电偶传感器的工作原理,给出了相应的硬件检测电路和相应的数学模型。通过试验证实,此检测电路满足使用要求。

参考文献

[1]郭爱芳,王恒迪.传感器原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[2]魏可臻,张奇.热电偶热传导测温中的动态响应时间和误差估计[J].测试技术学报,2007(6):11.

作者:杨朋樽 单位:航空工业太原航空仪表有限公司

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