热电偶传感器调理电路设计

杨朋樽

(航空工业太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006)

热电偶传感器调理电路设计

杨朋樽

(航空工业太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006)

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。

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：20 Ω～20 kΩ；

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。

图1 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。

图2 系统框图

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±15 V供电。由于其输入极采用SuperBeta处理，可实现最大1.0 nA的低输入电压噪声。由于其体积小，功耗低，(最大供电电流仅1.3 mA),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2 Hz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=137 Ω)；

断偶时Uo=10.645 8 V,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)=2 Hz。

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±15 ppm/℃，其余电阻选用阻值偏差±5%，电阻温度系数±100 ppm/℃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=0.054 W。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1/4 W的就完全可以满足要求。

AD620供电要求为±2.3 V～±18 V，为了满足测量范围，实际供电在±15 V±0.15 V，且输入信号满足-12.9 V～+13.6 V，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-13.4 V～13.5 V，跟随电路OP200输入电压范围-13 V～13 V，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+11.8 V)，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4.24 mA，完全保证AD620输出短路电流小于18 mA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：

(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：

(2)

并要求

(3)

将(2)式代入(3)式可得：

(4)

将式(4)改写成矩阵形式：

(5)

解出式(5)中的a0,a1,……,am,代入式(1)中，得：

T=T(E)≌fm(E)=∑aiEi

(6)

采用乔列斯基法解方程组(5)，可得到以下系数：

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。

[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.

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

杨朋樽(1979-)，男，山西太原人，硕士研究生，主要从事机载设备参数采集电路设计工作。

1674- 4578(2017)06- 0019- 03

TP212.11

A