基于K型熱電偶的瞬態(tài)高溫測試調理

[摘要]針對導彈爆炸場(chǎng)瞬態(tài)高溫度測試系統的特定要求,設計了一套基于K型熱電偶的單電源傳感器調理電路。該電路以單電源儀表放大器INAI55.模擬開(kāi)關(guān)MAX4638、二階有源壓控低通濾波器為核心,實(shí)現了對熱電偶輸出信號的可控放大。以及濾波去噪。經(jīng)過(guò)驗證該調理電路配合采集電路,可記錄完整的爆炸場(chǎng)溫度變化。
　　溫度測試在工業(yè)自動(dòng)化測試領(lǐng)域，一直是工程師研究的重要課題。根據溫度傳感器使用方式的不同,溫度測試方法可以分為接觸法和非接觸法。接觸法是使傳感器與被測介質(zhì)接觸，感受被測介質(zhì)的溫度變化。當測試環(huán)境對接觸式測溫傳感器有一定的損壞或腐蝕等,或傳感器會(huì )影響測試環(huán)境溫度場(chǎng)分布時(shí)，就需要用到非接觸式溫度測試儀。常用的接觸式測溫度法有:玻璃液體測溫、壓力式測溫熱電偶測溫熱電阻測溫等。常用的非接觸式溫度測試儀有:紅外測溫儀等。選用的是接觸式K型熱電偶測溫法。
　　由于K型熱電偶的輸出電壓非常小(最高時(shí)幾十毫伏),如果將熱電偶直接與AD相連，轉換后的有效信號,會(huì )被傳感器自身的紋波所掩埋,因此在轉換數字信號前，必須對熱電偶的輸出信號進(jìn)行放大、濾波等。
針對鎳鉻-鎳硅K型熱電偶的特性,設計并實(shí)驗驗證了一款調理電路。利用單電源儀表放大器INA155.模擬開(kāi)關(guān)MAX4638.二階壓控濾波,實(shí)現了對信號的三級放大，最終輸出電壓瞞住AD轉換器的輸入要求。經(jīng)實(shí)驗證明,該電路具有單電源、可調發(fā)達倍數.精度高穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。
1.熱電偶測溫原理
 
　　熱電偶是一種感溫元件，它把溫度信號轉換成熱電動(dòng)勢信號,通過(guò)電氣儀表轉換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理如圖1所示:兩種不同材料的均質(zhì)導體A、B組成的閉合回路,當1.2兩端存在溫度差時(shí)，回路中就會(huì )產(chǎn)生電流，此時(shí)兩端之間就存在塞貝克電動(dòng)勢-熱電動(dòng)勢,這種現象也被稱(chēng)為塞貝克效應。
　　兩種不同成份的均質(zhì)導體為熱電極,溫度較高的-端為熱端，溫度較低的一端為冷端,冷端通常處于某個(gè)恒定的溫度。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料,將該材料接到熱電偶冷端。只要兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種材料接入的影響。因此,在熱電偶測溫時(shí),可通過(guò)冷端補償線(xiàn)接至測量?jì)x表,測出熱電動(dòng)勢后,對比傳感器分度表,即可知道被測介質(zhì)的溫度。
　　針對爆炸場(chǎng)高溫高沖擊高壓的特殊環(huán)境,采集瞬時(shí)溫度的動(dòng)態(tài)變化,要求溫度傳感器具有極快的瞬態(tài)溫度響應。
2調理電路設計
　　信號調理電路主要由:電源轉換電路儀表放大器一級放大電路、模擬開(kāi)關(guān)二級放大電路.二階壓控三級放大濾波電路組成?？傮w設計原理圖如圖2所示。
 
2.1電源轉換電路
　　電源轉換電路包括供電電壓轉換和基線(xiàn)電壓轉換電路。供電電壓為5V,而電池電壓為8V，因此，電路使用π型濾波器和軌到軌低功耗電源轉換芯片LP2985,實(shí)現了8V轉5V電源轉換電路。設計原理圖如圖3所示。
 
　　與以往設計不同，在電路中加入了1V基線(xiàn),這樣當熱電偶輸出負壓時(shí)，后續電路也能捕捉到熱電偶的完整的溫度曲線(xiàn)電路即可測相對低溫?；€(xiàn)電壓轉換電路如圖4所示。通過(guò)調節同相輸入端的兩個(gè)電阻來(lái)調節基線(xiàn)電壓，需用的電阻為7kΩ和1kΩ,輸出電壓為500mV,經(jīng)過(guò)二階濾波電路放大，最終基線(xiàn)為1V。
 
2.2儀表放大器--級放大電路設計
　　一款采用了軌到軌輸出的.低電壓、單電源、低成本的CMOS儀表放大器。該芯片可用作醫療儀器放大器、工業(yè)傳感器放大器(如電橋、TRD、熱電偶等).低成本的自動(dòng)化儀表、還可用于通信.語(yǔ)音處理、測試設備中。
它的主要特性如下:
輸入阻抗非常高,達到10MS或者3pF;
溫漂比較小:±5uV/℃;
共模抑制比較高:INA155的CMRR≥80DB;
增益可調:輸出增益在10~50之間,增益通過(guò)調節一只外接電阻實(shí)現,增益調整方便;
帶寬較寬:增益為50時(shí)帶寬為110kHz,增益為10時(shí)帶寬為550kHzP。
電路采用兩級運放,運算公式為:
 
　　選用的K型熱電偶的輸出電壓范圍--6.5mV~54.9mV,而且調理電路輸出電壓要求在0~2.5V范圍,Rc選用70kΩ電阻，即儀表放大器放大15倍。REF引腳接入500mV直流信號，使儀表放大器輸出帶有500mV偏置電壓。
2.3模擬開(kāi)關(guān)二級放大電路設計
　　可調放大倍數是一大特點(diǎn),而實(shí)現此功能的就是模擬開(kāi)關(guān)。MAX4638是8選1模擬多路復用器,它使用+1.8V至+5.5V單電源供電;可以處理軌到軌模擬信號;開(kāi)關(guān)切換時(shí)間僅為7ns。選用模擬開(kāi)關(guān)MAX4638,實(shí)現同相比例運算電路反饋電阻的選擇,從而實(shí)現了不同的放大增益。另外,在此運放的同相和反相輸入端都加入了500mV的直流信號,這樣在熱電偶輸出負信號時(shí)，也可保證電路輸出電壓為正，這樣才能滿(mǎn)足后續電路AD的要求。
2.4二階壓控低通濾波放大電路設計
　　三級放大電路采用二階壓控濾波電路,同時(shí)實(shí)現了信號的放大和低通濾波,使輸出信號滿(mǎn)足后續電路的要求。如圖2所示,電路既引入了負反饋,又引入了正反饋。當信號頻率趨于零時(shí)，由于C1的電抗趨于無(wú)窮大,因而正反饋很弱:當信號頻率趨于無(wú)窮大時(shí),由于C2的電抗趨于零，因而Up(s)趨于零。因此,只要正反饋引入得當,就既可能在f=fo時(shí)使電壓放大倍數數值增大，又不會(huì )因正反饋過(guò)強而產(chǎn)生自激振蕩。設C1=C2=C。傳遞函數為:
 
　　只有當Aup(s)小于3時(shí),電路才能穩定工作而不產(chǎn)生自激振蕩。
　　R1=R2因此Aup(s)=2,滿(mǎn)足要求。
3實(shí)驗結果分析
　　設計制成板后調試電路可分為以下幾部分:電源管理調試,基線(xiàn)電壓調試;一、二、三級放大電路調試,濾波電路調試。經(jīng)過(guò)實(shí)際測量,電路板電源穩定，基線(xiàn)平穩噪聲小。用信號發(fā)生器給電路輸入正弦信號,調節不同的放大倍數,實(shí)測最大放大倍數(10倍)時(shí)輸出電壓與理論值誤差小于百分之一(低頻)。同時(shí)改變頻率(信號發(fā)生器輸入振幅4mV正弦波，無(wú)偏置，10倍放大倍數),實(shí)測不同頻率下的峰峰值如表1所示。
 
　　實(shí)驗理論峰峰值為2.2V,由表看出在ƒ=100kHz時(shí)輸出峰峰值為1.96V,增益為0.768,滿(mǎn)足設計要求。將電路板接K型熱電偶和采集電路,用半導體激光器進(jìn)行高溫瞬態(tài)校準后，在導彈爆炸場(chǎng)實(shí)測數據如圖5所示。
 
4結束語(yǔ)
　　針對鎳鉻-鎳硅K型熱電偶的輸出特性，利用INA155.MAX4638等設計了一套單電源,性能穩定可靠的調理電路。經(jīng)實(shí)際測試該電路噪聲較小,在不同的放大倍數下均能達到較高的精度。該調理電路配合一定的采集電路即可組成一套測溫儀，另外只要將MAX4638用來(lái)調節放大倍數的8個(gè)電阻替換掉，也可實(shí)現不同型號的熱電偶,同樣功能的信號調理。