基于CAN總線的燃氣輪機高溫傳感器設計

鞠文斌, 王元委

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

燃燒溫度是燃氣輪機[1]運行工況的一項重要參數，燃燒室和渦輪不僅承受高溫環境的熱沖擊，而且還伴隨振動等力學沖擊，溫度過高易導致燃氣輪機葉片、葉輪的材料強度隨溫度升高而顯著降低，嚴重影響燃氣輪機的可靠工作，由于葉片材料高溫性能等因素的限制，必須研究和發展燃氣輪機的冷卻技術，降低葉片等高溫部件的工作溫度，從而保證其不超過最大允許溫度[2]。因此，為了提高燃氣輪機壽命，對于燃氣溫度的控制主要是對透平進氣溫度進行多點準確監測，同時也對溫度的多點測量與控制提出了更高的要求。

針對燃氣輪機透平進氣1 100 ℃左右的高溫、2 MPa高壓氣體溫度測量與控制要求，本文設計了以C8051F350型單片機為核心，結合熱電偶測溫法的特點，建立鉑電阻冷端補償法數學模型，采用SJA1000進行控制器局域網絡(controller area network,CAN)總線節點設計，開發了具備高精度控制、高可靠性、高穩定性的多點測量、總線通信等功能為一體的高精度燃氣輪機用溫度傳感器，可以有效進行燃氣溫度的監測，提高燃氣輪機的工作效率。

1 基本原理

由于熱電偶測溫范圍寬、響應快，因此,常用于高溫的測量[3]，本文選用K型熱電偶作為傳感器感溫元件，用于測量-180～+1 200 ℃，其測量原理如圖1所示，當兩個不同導體A與B串接成一個閉合回路，當兩個接點的溫度不同時(設T>T0)，回路中就會產生熱電動勢EAB(T,T0)，即熱電效應[4]。

圖1 熱電偶測溫原理

熱電偶兩端的熱電勢差為

EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)

(1)

式中EAB(T,T0)為熱電偶的熱電勢；EAB(T)為溫度為t時工作端的熱電勢；EAB(T0)為溫度為T0時冷端的熱電勢，當自由端溫度T0恒定時，熱電勢僅與測量端的溫度有關，即通過測量熱電偶輸出正負極之間的熱電勢即可測量溫度。

2 傳感器設計

2.1 感溫探頭結構設計

圖2 溫度探頭結構

2.2 硬件設計

傳感器采用分體結構,分為溫度探頭和信號處理電路兩部分，溫度探頭輸出信號通過溫度轉換電路處理后輸出標準0～3VDC，方便與單片機數據采集與處理電路連接。熱電偶輸出信號經過模/數(analog/digital,A/D)轉換、數據處理、發光二極管(light-emitting diode,LED)顯示和CAN總線通信，達到技術指標要求。該智能溫度開關硬件原理框圖如圖3所示，由溫度探頭、信號采集、鍵盤輸入、LED顯示、繼電器輸出、CAN總線輸出和電源等構成。

圖3 傳感器硬件原理框圖

2.2.1 溫度轉換電路設計

當傳感器探頭測量端和冷端存在溫差時，傳感器感溫探頭輸出的熱電勢信號通過信號轉換電路進行溫度補償、放大、濾波等處理，輸出標準的電壓信號，信號轉換電路[6]如圖4所示。

圖4 溫度轉換電路原理

從式(1)可以看出熱電偶產生的熱電勢取決于其兩端的溫度，只有在冷端溫度保持恒定時，其輸出的熱電勢才是測量端(熱端)溫度的單值函數[7]，而且，工程技術上廣泛使用的熱電偶分度表的參考冷端溫度均為0 ℃，那么將式(1)進行轉換，相對于冷端溫度為0 ℃的熱電偶輸出如式(2)。在實際工作環境中，熱電偶冷端溫度常不為0 ℃，需要對熱電偶冷端輸出進行補償。本文采用Pt100鉑電阻電橋電路對傳感器進行冷端溫度補償，確保熱電偶測量精度

EAB(T，0 ℃)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0 ℃)

(2)

由于Pt100阻值變化，使電橋a，c兩點間電位不等，電勢差不為零，自動給出一個補償電勢ΔE(即EAB(T0，0 ℃))，由于ΔE和ΔE′大小相等，方向相反，達到了冷端溫度補償的目的，補償后的熱電偶輸出如式(3)

EAB(T，0 ℃)=EAB(T，T0)+ΔE′

(3)

補償后的輸出電壓信號V0與溫度成線性變化，精度高，直接可以送往A/D進行模/數轉換處理。

2.2.2 單片機電路設計

C8051F350集成8通道 24 位 ADC，具有高精準度模/數轉換、處理功能，可以有效節省器件和成本，單片機接口電路如圖5所示，為了提高數據采集精度，單片機3.3V供電電壓采用LM117進行轉換，AD電壓基準采用外置 REF3325—2.5 V芯片提供，晶振采用外置11.059 2 MHz，單片機調試接口采用精簡的C2接口，同時電路中采用電容器、電阻器等構成RC濾波電路進行濾波處理，以上措施可以有效提高采集電路的可靠性。

圖5 單片機電路原理

2.2.3 CAN總線通信接口設計

CAN[8]通信接口電路如圖6所示，CAN總線系統由微處理器C8051F350,CAN控制器SJA1000,CAN收發器PCA82C250共同完成；微處理器是系統的核心用于實現數據轉換和總線傳感器SJA1000之間的通信，CAN傳感器SJA1000是CAN總線的核心，實現CAN協議的轉換，CAN總線收發器提高對總線的差動發送和接收能力。

圖6 CAN 總線通信接口電路原理

3 軟件設計

程序設計采用模塊化結構，主要由初始化程序、A/D 轉換子程序、數字濾波程序、數據處理程序、報警數據處理和CAN通信子程序等組成，程序流程如圖7所示，首先對各個數據寄存器及各接口芯片初始化，并調用A/D采集程序進行溫度參數采集和數字濾波等功能，實時測量溫度，可通過CAN總線設置報警溫度的門限值，通過CAN總線將相關溫度信息發送至系統上位機進行監測和處理。

圖7 軟件流程

4 試驗結果

在標準試驗環境下，在量程內近似均勻選取6個測試點，根據K型熱電偶分度表，用高精度電壓信號發生器(信號源的地與電源地及屏蔽地要求分離)代替感溫探頭提供相應溫度下的電壓值，對傳感器變換電路進行標定，根據溫度檢測的輸入輸出關系，使用最小二乘法擬合溫度輸出曲線，確定特征方程，其標定曲線如圖8所示，傳感器特性方程為y=0.002 86x+0.217 2，其判定系數R2為0.998。

圖8 傳感器標定曲線

試驗結果表明:溫度開關的性能指標全部滿足要求，滿量程為2.99 V；非線性為7.38×10-3；重復性為9.08×10-4；遲滯為5.37×10-3；精度為8.37×10-3；溫度響應時間優于0.5 s。

5 結束語

基于熱電偶進行溫度測量，以系統級單片機C8051F350為控制器的核心，進行冷端補償和線性處理，通過總線驅動器SJ1000構成CAN總線輸出及參數設置，通過軟硬件設計和鉑電阻冷端補償技術，成功研制出了一種適用于燃氣輪機高溫溫度監測用溫度傳感器，傳感器具有溫度誤差小、準確度高、響應時間快、總線輸出等特點，能夠滿足整體性能要求，達到了預定的設計效果。

參考文獻:

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