热电偶隔离变换器的设计

李轩 张跃明

摘 要：本文设计了一种针对热电偶信号的隔离变换器，该变换器通过对热电偶信号进行放大、隔离、归一化处理，能够在隔离后真实反应原始热电偶信号，有效地解决了在高温条件下各类热电偶因绝缘下降在而出现的干扰问题。

关键词：热电偶;模拟隔离;信号变换

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0062-03

0 引言

热电偶测温技术具有测温范围宽、结构简单、热电动势大、稳定性好等优点，在工业上具有广泛的应用。然而，灌封固定热电偶偶丝的绝缘材料在400℃以上的高温条件下绝缘电阻会急剧下降，地电位的变化将导致干扰从壳体经绝缘下降的绝缘材料引入到偶丝，至使测温数据紊乱。在航空发动机试验中，多支热电偶传感器因处于不同的地电位，或者多台不同类型的仪器处于不同的地电位时，往往因地电位不一致而产生并回路相互干扰问题，导致测量数据跳动，影响测试结果。

解决热电偶信号的干扰问题，除提高热电偶高温绝缘性外，一般采用信号隔离法。由于热电偶本身的特性，其输出范围为mV级，要把mV级信号进行隔离，有一定的困难，主要表现在处理微小信号时，普通的隔离变换器有一定的死区，导致输出信号的不连续。本文设计了一种热电偶隔离变换器（以下简称变换器），能够对热电偶信号进行隔离的同时能够1∶1输出真实的热电偶信号且冷端位置不变，能够有效解决各类热电偶测温试验中出现的干扰问题。

1 整体结构设计

针对热电偶测量过程中需要对微小电压信号进行隔离变换的需求，变换器（如图1）整体结构设计如图2。如图2可知，变换器主要组成结构包括隔离电源、信号处理、模拟隔离、信号输出几个部分[1]。其中隔离电源分为信号隔离前以及隔离后电源，确保隔离前后器件的单独供电;信号输入部分将输入的热电偶信号进行滤波以及放大处理，滤除高频干扰信号并使信号幅值能够满足模拟隔离信号幅值需求;模拟隔离部分将放大后的热电偶信号进行模拟隔离，保证输入输出信号一致的前提下不共地;信号输出部分将隔离后的信号进行归一化处理，保证输出信号与输入信号一致，使变换器能够真实反应热电偶信号的真实值。

2 电路设计

2.1 电源电路设计

为实现对信号的隔离功能，需要对信號隔离前后电路分别使用相互隔离的两组电源供电。变换器电源电路如图3所示，使用的两个MORNSUN公司的IA2415KS隔离电源模块，能够将输入的24V电源分别转换成两路相互隔离的的±15V电源，分别为隔离前以及隔离后两个部分电路供电。电路的输入输出部分均加入了电感以及电容对电源进行滤波，确保输出电压的稳定性。输入部分的D1为保护二极管，当外部电源接反时能够保护电源模块的安全。

2.2 输入电路设计

由于输入的热电偶信号为mV级信号[2]，而模拟隔离芯片的最佳隔离范围为3～12V之间，因此需要将热电偶信号进行放大后再进行隔离。变换器输入电路如图4所示，对信号进行滤波后使用仪器放大器INA128对热电偶信号进行放大。通过对图中RG电阻阻值的调整，能够对热电偶信号放大倍率的数值进行设定，确保放大后的信号范围为3～12V。

2.3 模拟隔离电路设计

变换器模拟隔离电路如图5所示，模拟隔离芯片选用的是ISO122P模拟隔离芯片，其最大非线性度为0.02%，温漂仅为200uV/℃。该芯片能够确保模拟信号在隔离后与原信号基本保持一致，在隔离的同时保证变换的精度。

2.4 输出电路设计

经过放大后的隔离信号经电阻分压缩小到原信号后再经过跟随器输出即可实现变换器1∶1输出的功能。变换器输出电路如图6所示，其中电位器VR2用于调节输出信号的零点，VR1用于调节输出信号的缩小倍率。通过将VR1、VR2两个电位器进行调节后即可确保在量程范围内热电偶信号1∶1输出。

3 变换器校准

为验证变换器的变换精度，按照目前最常用的K分度热电偶的输出电压范围对变换器进行了校准[3]，其中信号源使用DPI620提供标准电压信号，输出电压使用34410数字多用表进行测试，其校准结果见表1。由表1可知，变换器其最大转换误差为0.016mV，对应温度误差为0.4℃，能够满足目前各类温度测试精度要求。

4 应用举例

某发动机试车台在建台过程中发现超温报警表和数据采集系统在测量同一个热电偶时相互之间产生干扰，报警表对数采系统产生了较大的影响，无法正常进行测量。按图7所示的方式使用两台隔离变换器将两个采集系统进行隔离后，报警表以及数采系统均能够正常采集到该热电偶的温度值，有效的解决了不同测试系统之间因地电位不同而产生的相互干扰的问题。

5 结论

本文介绍的变换器能够有效地解决多路测试设备测量同一路热电偶过程中出现的的相互干扰问题，目前在我所多个发动机试车台上已有了成功的应用，圆满地完成了多次试验任务，可以推广应用到其他工业测试工程中。

参考文献

[1] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] GB/T 16839.1-1997，热电偶，第1部分：分度表[S].

[3] GJB 7396-2011，热电偶温度传感器通用规范[S].