一種熱電偶溫度傳感器信號模擬裝置設計

高廣華，李拓彬

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲，412002）

排氣溫度是燃氣輪機重要的控制參數(shù)之一，是衡量燃氣輪機是否正常工作的一個重要指標。熱電偶作為無源傳感器，不需要激勵電源，就能將溫度轉(zhuǎn)換為電壓輸出，堅固耐用，抗沖擊振動性好，體積小，熱容量低，對溫度變化相應快，無能量損耗，故廣泛用于燃氣輪機排氣溫度測量中。

本文設計了一種熱電偶溫度傳感器信號模擬裝置，可以精確地模擬熱電偶生成的電壓信號，并可提供與真實傳感器一致的電氣接口特性。該裝置為發(fā)動機電子控制器調(diào)試、測試提供準確的熱電偶傳感器信號源，并應用于硬件在回路仿真和半物理仿真系統(tǒng)中，為發(fā)動機控制系統(tǒng)提供與真實傳感器一致的熱電偶輸出信號。

1 信號模擬裝置設計要求

1.1 溫度傳感器工作原理與信號特征

熱電偶是發(fā)動機控制系統(tǒng)中常用的測量元件，它是利用金屬的熱電現(xiàn)象，將被測介質(zhì)的溫度變化轉(zhuǎn)換成相應的電動勢而輸出。

圖1中的熱電偶是把兩種金屬（A、B）的兩端焊接成閉合回路。接點1稱為熱端，它與被測高溫接觸；接點2稱為冷端，它置于低溫處。由于兩個接點處溫度不等，閉合回路中即產(chǎn)生了與兩端溫度成正比，并于制作材料有關(guān)的電動勢E，這個電動勢可由串接的儀表測出[1]。

圖1 熱電偶溫度傳感器工作原理

燃氣輪機電子控制器測量排氣溫度熱電偶等效電路如圖2所示。熱電偶安裝在發(fā)動機燃氣流道內(nèi)，通過補償導線A、B接入電子控制器，測量冷端一般位于控制器內(nèi)接近機殼位置?？刂破鳒y量電路實際測量的電動勢表達的是熱電偶熱端和冷端的溫度差。

圖2 控制器測量溫度工作原理

常用的熱電偶有J型和K型兩種，由于K型熱電偶溫度測量范圍與燃氣輪機排氣溫度接近，燃氣輪機通常采用K型熱電偶采集排氣溫度。K型熱電偶測量溫度范圍為（-270~+1372）℃，對應信號生成范圍為(-6.458~+54.886)mV。

1.2 信號模擬裝置設計要求

信號模擬裝置需要生成信號幅值范圍覆蓋各種熱電偶電壓信號，并且電氣接口特性保持與真實傳感器一致，防止電子控制器檢測不匹配而工作異常。根據(jù)熱電偶溫度傳感器信號特征以及多型傳感器的輸出信號參數(shù)，同時考慮到熱電偶真實應用場景，確定信號模擬器的設計要求如下：

(1)輸出對應熱電偶熱電勢的電壓信號；(2)信號生成范圍：(0~80)mV連續(xù)可調(diào)；(3)輸出阻抗：（2~20）Ω可調(diào)；(4)信號精度：±0.2%F.S。

2 信號模擬裝置設計

2.1 原理設計

模擬裝置依據(jù)熱電偶標準分度表，將熱端溫度和冷端溫度換算為對應的毫伏電壓，再將兩者相減得到輸出電壓。

模擬裝置的工作原理見圖3。微處理器通過外部通訊接收溫度指令命令，將指令命令解析生成數(shù)字量控制信號，通過SPI總線經(jīng)過隔離后進入信號生成電路。信號生成電路具有基準電壓模塊，數(shù)字增益控制電路根據(jù)數(shù)字信號精確地對基準電壓進行衰減，實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。衰減后的電壓信號經(jīng)過匹配電阻分壓網(wǎng)絡和跟隨器構(gòu)成的固定增益衰減器后，形成熱電偶電壓信號輸出。

圖3 轉(zhuǎn)速信號模擬裝置原理框圖

2.2 電路架構(gòu)設計

熱電偶信號模擬器的組成包含電源系統(tǒng)、微處理器系統(tǒng)和精密毫伏信號生成電路，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖4 信號模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

MCU系統(tǒng)電路接收并解析來自上位機串口發(fā)送的通訊指令，解析運算后生成數(shù)字指令，通過SPI總線輸出數(shù)字量控制信號，經(jīng)過隔離后進入信號生成電路。信號生成電路包括乘法器、電壓參考、匹配電阻分壓網(wǎng)絡和跟隨器。信號生成電路解碼SPI總線輸入指令，將電壓參考降壓后通過跟隨器輸出。精密模擬電源為信號生成電路提供所需的工作電源。

2.3 MCU系統(tǒng)電路

信號模擬裝置中MCU 系統(tǒng)電路采用意法半導體公司的STM32F429型高性能32位微控制器（MCU），內(nèi)置ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻168MHz。MCU內(nèi) 置UART控制器用于接收串行通訊數(shù)據(jù)，并通過SPI總線隔離輸出至信號生成電路。MCU系統(tǒng)電路還包含隨機存儲器（SRAM）、看門狗、電擦寫數(shù)據(jù)存儲器等器件，實現(xiàn)存儲器拓展、運行異常自動復位、電路特性參數(shù)存儲等功能。

2.4 信號生成電路

熱電偶信號生成電路的信號鏈路包含1個電壓基本參考、1路乘法器數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）、1個電阻分壓網(wǎng)絡和1級跟隨器。如圖5所示。

圖5 信號生成電路原理圖

信號生成電路具有REF5020型精密電壓基準，電壓基準輸出為2.048V正電壓。電壓基準接入由運放ADA4522構(gòu)成的反相器，將電壓基準信號轉(zhuǎn)換成-2.048V的負電壓。

AD5543型MDAC通過解析SPI總線通訊來的指令，精確地對反相器生成的負基準電壓進行數(shù)字衰減控制。衰減后的電壓信號經(jīng)過精密電阻網(wǎng)絡和跟隨器構(gòu)成的固定增益衰減器后，加載在接口匹配電阻上，形成毫伏級電壓信號作為生成的熱電偶信號輸出。

通過在輸出信號線路上串聯(lián)電位計實現(xiàn)對真實傳感器電阻的模擬，即圖5中的R9-4，在實際應用中根據(jù)傳感器的內(nèi)阻特征選擇適當?shù)碾娮琛?/p>

2.5 電源子系統(tǒng)

信號模擬裝置采用（16~40）VDC供電，電源子系統(tǒng)產(chǎn)生供數(shù)字電路使用的+3.3/+5VDC電源，以及±5VDC低噪聲模擬電路電源，如圖6所示。

圖6 電源子系統(tǒng)原理框圖

電源的輸入處理部分包含防反接保護電路和EMI濾波器，前者防止錯誤的電源接線對電路造成損壞，后者保證電路的電源傳導發(fā)射和敏感度符合電磁兼容要求[2]。

經(jīng)過輸入處理后的電源通過隔離型DC/DC電源模塊產(chǎn)生+5VDC數(shù)字電路電源，然后再通過低壓差穩(wěn)壓器降壓至+3.3VDC提供給微處理器。另一路DC/DC電源模塊產(chǎn)生±15VDC電源，再通過低壓差穩(wěn)壓器（LDO）降壓至±12VDC，利用LDO的高紋波抑制比性能提供低噪聲模擬電路電源[3]。

2.6 軟件實現(xiàn)

信號裝置的主要的軟件功能在MCU定時中斷服務子程序中實現(xiàn)。微處理器20ms定時到時產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷服務子程序。在子程序中，首先進行通訊FIFO緩存數(shù)據(jù)的讀取，然后對數(shù)據(jù)包內(nèi)容進行解析，獲取目標熱端溫度以及冷端溫度指令。

軟件首先依據(jù)熱電偶標準分度表，將熱端溫度和冷端溫度換算為對應的毫伏電壓，再將兩者相減得到輸出電壓。根據(jù)信號生成電路的參數(shù)計算輸出目標電壓對應的16位數(shù)字控制量，并通過SPI總線發(fā)送至乘法器DAC執(zhí)行。

圖7 熱電偶（TC）信號生成軟件流程框圖

3 設計符合性分析

3.1 功能符合性分析

信號生成電路將REF5020生成的2.048V精密電壓基準通過AD5543型乘法器和電阻網(wǎng)絡進行衰減，可以生成 (0~80)mv范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的電壓信號。模擬器信號輸出端口的直流電阻阻值通過串接的電阻保證。

3.2 信號頻率精度符合性分析

電壓基準選用REF5020型2.048V精密電壓基準，初始精度為0.05%，初始誤差能夠通過軟件插值修正消除。電壓基準的溫度漂移為2.5 PPM/℃，按照60℃最高結(jié)溫計算，由溫度漂移造成的不可修正誤差為0.00875%。

分壓網(wǎng)絡選用LT5400型精密電阻網(wǎng)絡，跟隨器由ADA4522型精密運算放大器構(gòu)成。電阻網(wǎng)絡初始精度以及運放的失調(diào)電壓、偏置電流等因素造成的固定誤差能夠通過軟件插值表修正消除，而電阻網(wǎng)絡和運放失調(diào)的溫度漂移是影響使用精度的關(guān)鍵因素。LT5400的溫度漂移為0.2 PPM/℃，ADA4522失調(diào)溫漂為4nV/℃。按照60℃最高結(jié)溫計算，運算放大電路中的電阻網(wǎng)絡匹配度偏移和運放輸出電壓的溫度漂移分別為0.0007%和0.14μV，按50mV滿量程輸出電壓計算，折合誤差為0.00098%。

綜上所述，信號生成電路中器件的初始誤差能夠通過軟件插值修正消除，而不可修正的信號鏈路總溫度漂移約為0.00973%。因此，通過設計能夠保證滿足±0.2%F.S的信號生成精度要求。

4 結(jié)束語

本文設計了一種熱信號模擬裝置，通過串行通訊方式接收信號生成指令，輸出指定的電壓信號，并且提供與真實傳感器一致的電氣接口特性。該模擬裝置已成功應用在發(fā)動機控制系統(tǒng)半物理仿真試驗和全電仿真試驗中，獲得理想的模擬效果。