發(fā)動機(jī)溫度采集模擬電路設(shè)計與實現(xiàn)

王軍春，趙中華，王星島，任超，王逸洲

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司，江蘇蘇州， 215151）

1 研究背景

溫度作為一種重要的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)，不僅在日常的生產(chǎn)生活中起到關(guān)鍵的作用，而且在工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域也是重要的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)，溫度的變化對各種電子設(shè)備的性能影響巨大[1]。因此在航空航天等領(lǐng)域?qū)囟鹊牟杉岢隽烁叩囊?，既要滿足高精度、快速實時顯示、高可靠性等要求。因此為了滿足這些要求，溫度采集設(shè)備得到快速發(fā)展和應(yīng)用[2]。

在航空航天領(lǐng)域，為采集發(fā)動機(jī)各個測試點的環(huán)境溫度，并實現(xiàn)實時高精度溫度采集，設(shè)計并研發(fā)高精度溫度測量裝置，該裝置由溫度采集轉(zhuǎn)發(fā)裝置和溫度采集變換裝置組成，每臺設(shè)備可根據(jù)需求安裝多路熱電偶傳感器。根據(jù)任務(wù)要求本設(shè)計需要對實現(xiàn)對一路熱電偶溫度進(jìn)行放大，通過溫度轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)產(chǎn)生對應(yīng)冷端模塊。通過發(fā)動機(jī)電壓與環(huán)境溫度電壓的疊加后，產(chǎn)生補(bǔ)償后的發(fā)動機(jī)電壓進(jìn)而實現(xiàn)對3 路發(fā)動機(jī)電壓驅(qū)動及過壓保護(hù)動作。

熱電偶、熱電阻、熱膨脹溫度傳感器和石英溫度傳感器是溫度測量時較常使用的傳感器[3~4]。其中，熱電偶是基于熱電效應(yīng)基本原理制作而成的。用兩種不同材料的金屬焊接在一起，就組成了熱電偶。熱電偶由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、堅固耐用，而被廣泛使用在各種溫度測試場合中。

2 發(fā)動機(jī)溫度采集電路需求

某型號發(fā)動機(jī)溫度采集電路需求如下：

（1）一路排氣溫度輸入電壓范圍：0~37.326mV（對應(yīng)溫度值為0~900℃），調(diào)理后輸出3 路信號為0~9V 直流電壓，輸出精度±45mV；

（2）采用AD590 溫度采集器采集冷端溫度，工作溫度范圍為-55℃~125℃，AD590 溫度采集器裝在電源板接插件（接口板外，為提供更加準(zhǔn)確冷端溫度），補(bǔ)償電路輸出電壓為0~3.965V；輸出誤差為±5mV；

（3）通過AD584 電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)生5V 基準(zhǔn)電壓后分壓后得到2.7315V，輸出誤差為±5mV；

（4）當(dāng)輸出電壓大于10V 時即過壓狀態(tài)，將電壓穩(wěn)壓到(10±0.6)V。

根據(jù)機(jī)載需求，本電路設(shè)計將具體的功能模塊劃分如下：

（1）發(fā)動機(jī)電壓模塊：實現(xiàn)對一路熱電偶溫度進(jìn)行放大；

（2）冷端電壓模塊：通過溫度轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)產(chǎn)生對應(yīng)冷端模塊；

（3）疊加模塊：實現(xiàn)發(fā)動機(jī)電壓與環(huán)境溫度電壓的疊加后，產(chǎn)生補(bǔ)償后的發(fā)動機(jī)電壓；

（4）輸出模塊：實現(xiàn)對3 路發(fā)動機(jī)電壓驅(qū)動及過壓保護(hù)動作。電路原理框圖見圖1。

圖1 電路框架圖

3 發(fā)動機(jī)溫度采集電路詳細(xì)設(shè)計

■3.1 基于熱電偶的冷端電壓模塊設(shè)計

由于熱電偶傳感器無需外加電源，直接將被測量轉(zhuǎn)化為電勢輸出，并且具有使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、測溫范圍廣、可遠(yuǎn)距離傳輸信號等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用在測溫系統(tǒng)中，但熱電偶傳感器很容易受前置放大器溫漂所影響，產(chǎn)生測量誤差。因此熱電偶信號調(diào)理電路設(shè)計是否合理，將直接影響信號采集的精度與穩(wěn)定性，需嚴(yán)格設(shè)計和優(yōu)化處理[3]。

熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法有很多，常用的有：冰點槽法、零點遷移法、補(bǔ)正系數(shù)法、計算修正法、補(bǔ)償器法、軟件處理法等[3]。但這些方法中有些適用于溫度采集裝置，有些僅適用于理論或?qū)嶒炇抑羞M(jìn)行，根據(jù)任務(wù)性能要求，本課題選用溫度補(bǔ)償器法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，優(yōu)點在于設(shè)計簡單、方便可效地減少熱電偶長引線引入的共模噪聲，提高抗干擾能力。

熱電偶傳感器采集和轉(zhuǎn)換的溫度信號非常微弱，需要較大的增益才能被大多數(shù)ADC 正確采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換，對于K 型熱電偶AD590 溫度采集器的放大增益可達(dá)到2200 倍，在0℃~900℃的額定工作環(huán)境范圍內(nèi)，可以保證5mV/℃的線性輸出，實現(xiàn)小于±2℃的非線性誤差。

3.1.2 基于AD590 溫度采集器的冷端電壓模塊設(shè)計靠、抗干擾能力強(qiáng)，并且還具備信號調(diào)理功能，因此綜合考慮采用溫度補(bǔ)償器法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，對于K 型熱電偶有專用的溫度補(bǔ)償器，即AD590 溫度采集器，可實現(xiàn)溫度采集裝置的高精度采集與測量。

3.1.1 K 型熱電偶專用補(bǔ)償器AD590 溫度采集器原理與設(shè)計

AD590 溫度采集器是專門為K 型熱電偶自由端補(bǔ)償設(shè)計的溫度補(bǔ)償器，具有固定增益的精密儀表放大器，可為K型熱電偶輸出的小信號提供5mV/℃的固定線性增益輸出。并且可以隨著冷端環(huán)境溫度的變化自動補(bǔ)償電路。AD590溫度采集器的功能框圖如圖2 所示。AD590 溫度采集器補(bǔ)償器內(nèi)部，具有參考結(jié)點補(bǔ)償電路和過壓保護(hù)電路，并且采用差分輸入接口，共模抑制比較高，可抑制由熱電偶長導(dǎo)線引入的共模噪聲，提高抗干擾能力[4]。

圖2 AD590 溫度采集器功能框圖

采用差分輸入的方式，具有很高的共模抑制比，可以有利用熱電偶測溫時，當(dāng)冷端溫度恒定不變時，熱電勢才是熱端被測溫度的單值函數(shù)，而且熱電偶分度表和測溫顯示儀表的刻度制作時，冷端溫度都是為0℃。在實際測量時，因為冷端和熱端離得很近，冷端又暴露在外部環(huán)境中，受環(huán)境溫度影響很大，所以保持冷端溫度恒定很困難，需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。采用溫度傳感器AD590 溫度采集器作為熱電偶冷端測溫元件，進(jìn)行熱電偶冷端溫度補(bǔ)償。

AD590 溫度采集器作為熱電偶冷端的測溫元件，是一種電流輸出型的兩端元件，AD590 溫度采集器具有很好的線性關(guān)系，其電流隨溫度增大或減小而線性變大或變小。若用In 表示溫度為(273.15+Tn)時，AD590 溫度采集器的輸出電流，那么AD590 溫度采集器的輸出電壓為：

因為溫度傳感器AD590 溫度采集器的標(biāo)準(zhǔn)為1uA/K，所以上式可寫成：

利用上式能夠方便地求出熱電偶的冷端溫度。查表分度值表，就能夠得到該溫度時的補(bǔ)償電勢。因為熱電偶輸出的電壓值很小，所以需要加入放大電路對信號進(jìn)行放大，本文選用差動輸入儀表放大器對信號進(jìn)行放大，它由三個運(yùn)放組成，能夠提高電路精度并抑制溫漂。具體電路圖如圖3 所示。

圖3 基于熱電偶的冷端電壓模塊電路

電源板輸入AD590 溫度采集器電流信號經(jīng)過RP2，R26 后通過芯片公式得到（2.7315+環(huán)境溫度×0.01）V，再經(jīng)過跟隨運(yùn)放N3 的隔離后，當(dāng)環(huán)境溫度T 為0℃時，根據(jù)計算公式得出TP3 電壓為2.7315V。AD590 溫度采集器輸出電流變化為1A/℃，接入10k（RP2+R26）電阻后，其輸出電壓變化為10mV/℃。

研究人員呼吁，為了保護(hù)兒童的健康成長環(huán)境，家長應(yīng)當(dāng)自覺戒煙，這對于身體健康、減輕家庭和社會的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)都有好處。

AD584 電壓基準(zhǔn)源TH 產(chǎn)生基準(zhǔn)電源5V，然后通過RP3，R23，R34 電阻分壓原理產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓TP10 為2.7315V。

根據(jù)上面描述，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，環(huán)境電壓TP3為2.7315V，基準(zhǔn)電壓TP10 電壓為2.7315V，兩者電壓信號在運(yùn)放N4 進(jìn)行一比一減法運(yùn)算后，熱電偶信號冷端補(bǔ)償電壓TP4 為0V。即得到冷端補(bǔ)償電壓TP4 理論值為（環(huán)境溫度×0.01）V。

■3.2 信號增益調(diào)整電路設(shè)計

當(dāng)溫度補(bǔ)償電路將溫度電壓量輸出后，其幅值有可能超過后端采樣量化電路的輸入電壓范圍，并且由于熱電偶測溫范圍的不同，所產(chǎn)生的電壓信號范圍也各有不同，而為了后續(xù)采樣量化電路更好的表征和還原模擬信號量，所以在溫度補(bǔ)償電路和采樣量化電路之間加入了增益調(diào)整電路，將電壓幅度調(diào)整到合適的電壓范圍，提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換增益調(diào)整電路一般選用運(yùn)算放大器來進(jìn)行調(diào)整，在選擇運(yùn)放時，需要考慮布線空間及成本等問題，在選用信號調(diào)理電路當(dāng)中的運(yùn)放時，由于采集通道多而布線空間有限，因此要選用采集通道多而噪聲和失調(diào)電壓小的運(yùn)放。對于AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路來說，需要運(yùn)放具有足夠短的建立保持時間，才能保證采集精度的要求。

本設(shè)計選用AD 公司的AD624SD，及749 廠生產(chǎn)的國產(chǎn)軍檔F07。AD624SD 芯片為集成精密儀表放大器，F(xiàn)07 可替代國外軍檔OP07 運(yùn)放，且為貼片封裝，節(jié)省印制板空間。

本電路滿量程900℃輸出為9V，需要對熱電偶信號37.326mV（K 分度900℃電勢）進(jìn)行放大處理，放大倍數(shù)為241 倍。放大方案是將發(fā)動機(jī)熱電偶的一路差分信號通過N1 AD624 放大200 倍，再經(jīng)過N2 F07 放大1.205 倍，即對一路發(fā)動機(jī)溫度放大（熱電偶電壓×200×1.205）倍。熱電偶信號電壓變化為0.041mV/℃，放大241 倍后其電壓變化為10mV/℃。原理圖見圖4。

圖4 信號增益調(diào)整電路

■3.3 疊加電路模塊設(shè)計

在發(fā)動機(jī)溫度采集過程中，疊加電路模塊實現(xiàn)發(fā)動機(jī)電壓與環(huán)境溫度電壓的疊加，進(jìn)而產(chǎn)生補(bǔ)償后的發(fā)動機(jī)電壓。

如圖5 所示，發(fā)動機(jī)溫度電壓信號TP2 和冷端模塊信號TP4 在運(yùn)放N5 進(jìn)行加法運(yùn)算后，得到發(fā)動機(jī)冷端補(bǔ)償后的發(fā)動機(jī)溫度電壓值TP5。

圖5 疊加電路模塊

4 電路仿真

由于本設(shè)計采用的是純模擬電路設(shè)計，在實際上板之前，采用Mulitisim 對模擬電路進(jìn)行仿真。

圖6 為冷端為0℃時，溫度補(bǔ)償電路的仿真結(jié)果，根據(jù)圖3 的電路描述，假設(shè)當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，環(huán)境電壓TP3 為2.7315V（即V2=2.7315V），基準(zhǔn)電壓TP10 電壓為2.7315V（ 即V1=2.7315V），V1 和V2經(jīng)過F07 的跟隨電路后，兩者電壓信號在運(yùn)放N4 進(jìn)行一比一減法運(yùn)算后，熱電偶信號冷端補(bǔ)償理論電壓為0V，模擬以上數(shù)值激勵仿真后電壓值為60.4μV 約等于0V。

圖6 冷端0℃時，Mulitisim 仿真圖

圖7 為疊加電路的仿真結(jié)果，根據(jù)圖5 的電路描述，當(dāng)發(fā)動機(jī)溫度為900℃時，熱電偶輸出電壓為37.326mV，經(jīng)過241 倍放大后采集發(fā)動機(jī)輸出電壓信號為9V；當(dāng)冷端模塊信號采集環(huán)境溫度0℃，采集電壓值為60.4μV，在運(yùn)放N5進(jìn)行加法運(yùn)算后，模擬以上數(shù)值激勵仿真后，得到發(fā)動機(jī)冷端補(bǔ)償后的發(fā)動機(jī)溫度電壓值為9V。

圖7 Mulitisim疊加電路仿真圖

5 實際應(yīng)用與結(jié)論

本文提出一種發(fā)動機(jī)溫度采集的純模擬電路實現(xiàn)方式，采用硬件冷端補(bǔ)償電路通過運(yùn)放線性放大運(yùn)算實現(xiàn)。其中核心電路放大運(yùn)算模塊采用F07為國產(chǎn)軍工級產(chǎn)品，穩(wěn)定性高。本設(shè)計的電路框架如圖8所示。

圖8 電路設(shè)計框架

本文設(shè)計的電路已經(jīng)在成熟的某型號上得到應(yīng)用，具備以下優(yōu)點：

（1）易于實現(xiàn)，只需要硬件就可以實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)冷端溫度的補(bǔ)償；

（2）節(jié)約硬件成本，無須CPU，存儲芯片，控制芯片，接口芯片及轉(zhuǎn)換芯片等；

（3）節(jié)省空間，由于無需若干芯片，可大量節(jié)省PCB尺寸；

（4）規(guī)避安全風(fēng)險，由于采用純模擬電路，進(jìn)一步降低元器件禁運(yùn)以及后門安全性等風(fēng)險。

（5）降低維護(hù)成本，由于采用純模擬電路，無需后期外場軟件維護(hù)。

在實際應(yīng)用中，由于發(fā)動機(jī)熱電偶按溫度非線性遞增，而硬件冷端補(bǔ)償電路為固定放大系數(shù)放大，固較軟件冷端補(bǔ)償可查表得溫度值相比存在一定的誤差，詳細(xì)誤差見表1。

表1 電路實際工作時的誤差對比

本文所提出的基于模擬元器件設(shè)計的發(fā)動機(jī)溫度采集電路，選用純模擬電路的方式實現(xiàn)了溫度的采集與控制，棄用常見的微控制器進(jìn)而提高了電路的可靠性和可維護(hù)性。仿真結(jié)果和實際應(yīng)用結(jié)果表明本文所提出的電路設(shè)計誤差小、功耗低、低成本、電路規(guī)模小、應(yīng)用靈活，能夠使用在發(fā)動機(jī)溫度采集系統(tǒng)中和其他軍事，工業(yè)溫度采集系統(tǒng)中，有很好的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。