李軒 張躍明

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)熱電偶信號(hào)的隔離變換器，該變換器通過(guò)對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行放大、隔離、歸一化處理，能夠在隔離后真實(shí)反應(yīng)原始熱電偶信號(hào)，有效地解決了在高溫條件下各類(lèi)熱電偶因絕緣下降在而出現(xiàn)的干擾問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：熱電偶;模擬隔離;信號(hào)變換

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0062-03

0 引言

熱電偶測(cè)溫技術(shù)具有測(cè)溫范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱電動(dòng)勢(shì)大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用。然而，灌封固定熱電偶偶絲的絕緣材料在400℃以上的高溫條件下絕緣電阻會(huì)急劇下降，地電位的變化將導(dǎo)致干擾從殼體經(jīng)絕緣下降的絕緣材料引入到偶絲，至使測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)紊亂。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，多支熱電偶傳感器因處于不同的地電位，或者多臺(tái)不同類(lèi)型的儀器處于不同的地電位時(shí)，往往因地電位不一致而產(chǎn)生并回路相互干擾問(wèn)題，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)跳動(dòng)，影響測(cè)試結(jié)果。

解決熱電偶信號(hào)的干擾問(wèn)題，除提高熱電偶高溫絕緣性外，一般采用信號(hào)隔離法。由于熱電偶本身的特性，其輸出范圍為mV級(jí)，要把mV級(jí)信號(hào)進(jìn)行隔離，有一定的困難，主要表現(xiàn)在處理微小信號(hào)時(shí)，普通的隔離變換器有一定的死區(qū)，導(dǎo)致輸出信號(hào)的不連續(xù)。本文設(shè)計(jì)了一種熱電偶隔離變換器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)變換器），能夠?qū)犭娕夹盘?hào)進(jìn)行隔離的同時(shí)能夠1∶1輸出真實(shí)的熱電偶信號(hào)且冷端位置不變，能夠有效解決各類(lèi)熱電偶測(cè)溫試驗(yàn)中出現(xiàn)的干擾問(wèn)題。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)熱電偶測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)微小電壓信號(hào)進(jìn)行隔離變換的需求，變換器（如圖1）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2。如圖2可知，變換器主要組成結(jié)構(gòu)包括隔離電源、信號(hào)處理、模擬隔離、信號(hào)輸出幾個(gè)部分[1]。其中隔離電源分為信號(hào)隔離前以及隔離后電源，確保隔離前后器件的單獨(dú)供電;信號(hào)輸入部分將輸入的熱電偶信號(hào)進(jìn)行濾波以及放大處理，濾除高頻干擾信號(hào)并使信號(hào)幅值能夠滿(mǎn)足模擬隔離信號(hào)幅值需求;模擬隔離部分將放大后的熱電偶信號(hào)進(jìn)行模擬隔離，保證輸入輸出信號(hào)一致的前提下不共地;信號(hào)輸出部分將隔離后的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，保證輸出信號(hào)與輸入信號(hào)一致，使變換器能夠真實(shí)反應(yīng)熱電偶信號(hào)的真實(shí)值。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的隔離功能，需要對(duì)信號(hào)隔離前后電路分別使用相互隔離的兩組電源供電。變換器電源電路如圖3所示，使用的兩個(gè)MORNSUN公司的IA2415KS隔離電源模塊，能夠?qū)⑤斎氲?4V電源分別轉(zhuǎn)換成兩路相互隔離的的±15V電源，分別為隔離前以及隔離后兩個(gè)部分電路供電。電路的輸入輸出部分均加入了電感以及電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。輸入部分的D1為保護(hù)二極管，當(dāng)外部電源接反時(shí)能夠保護(hù)電源模塊的安全。

2.2 輸入電路設(shè)計(jì)

由于輸入的熱電偶信號(hào)為mV級(jí)信號(hào)[2]，而模擬隔離芯片的最佳隔離范圍為3～12V之間，因此需要將熱電偶信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行隔離。變換器輸入電路如圖4所示，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后使用儀器放大器INA128對(duì)熱電偶信號(hào)進(jìn)行放大。通過(guò)對(duì)圖中RG電阻阻值的調(diào)整，能夠?qū)犭娕夹盘?hào)放大倍率的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，確保放大后的信號(hào)范圍為3～12V。

2.3 模擬隔離電路設(shè)計(jì)

變換器模擬隔離電路如圖5所示，模擬隔離芯片選用的是ISO122P模擬隔離芯片，其最大非線性度為0.02%，溫漂僅為200uV/℃。該芯片能夠確保模擬信號(hào)在隔離后與原信號(hào)基本保持一致，在隔離的同時(shí)保證變換的精度。

2.4 輸出電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)放大后的隔離信號(hào)經(jīng)電阻分壓縮小到原信號(hào)后再經(jīng)過(guò)跟隨器輸出即可實(shí)現(xiàn)變換器1∶1輸出的功能。變換器輸出電路如圖6所示，其中電位器VR2用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的零點(diǎn)，VR1用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的縮小倍率。通過(guò)將VR1、VR2兩個(gè)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)后即可確保在量程范圍內(nèi)熱電偶信號(hào)1∶1輸出。

3 變換器校準(zhǔn)

為驗(yàn)證變換器的變換精度，按照目前最常用的K分度熱電偶的輸出電壓范圍對(duì)變換器進(jìn)行了校準(zhǔn)[3]，其中信號(hào)源使用DPI620提供標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，輸出電壓使用34410數(shù)字多用表進(jìn)行測(cè)試，其校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，變換器其最大轉(zhuǎn)換誤差為0.016mV，對(duì)應(yīng)溫度誤差為0.4℃，能夠滿(mǎn)足目前各類(lèi)溫度測(cè)試精度要求。

4 應(yīng)用舉例

某發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)在建臺(tái)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)超溫報(bào)警表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測(cè)量同一個(gè)熱電偶時(shí)相互之間產(chǎn)生干擾，報(bào)警表對(duì)數(shù)采系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的影響，無(wú)法正常進(jìn)行測(cè)量。按圖7所示的方式使用兩臺(tái)隔離變換器將兩個(gè)采集系統(tǒng)進(jìn)行隔離后，報(bào)警表以及數(shù)采系統(tǒng)均能夠正常采集到該熱電偶的溫度值，有效的解決了不同測(cè)試系統(tǒng)之間因地電位不同而產(chǎn)生的相互干擾的問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文介紹的變換器能夠有效地解決多路測(cè)試設(shè)備測(cè)量同一路熱電偶過(guò)程中出現(xiàn)的的相互干擾問(wèn)題，目前在我所多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)上已有了成功的應(yīng)用，圓滿(mǎn)地完成了多次試驗(yàn)任務(wù)，可以推廣應(yīng)用到其他工業(yè)測(cè)試工程中。

參考文獻(xiàn)

[1] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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

[3] GJB 7396-2011，熱電偶溫度傳感器通用規(guī)范[S].