飛機滑油溫度采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

魏英豪 王晴 蔣干

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司軍品研究所 江蘇省蘇州市 215151）

1 引言

某型號配裝的滑油溫度采集系統(tǒng)是根據(jù)同類溫度采集裝置進行改進設(shè)計，由于溫度測量精度的進一步提高，對原有溫度采集電路進行了硬件和軟件的改進設(shè)計，提高了溫度采集精度，能夠契合于如今對飛機儀表類采集精度日益增高的要求，對于同類產(chǎn)品中數(shù)據(jù)采集精度的提高具有重要借鑒意義。

2 工作原理介紹

飛機溫度測量系統(tǒng)常用溫度傳感器有熱電偶溫度傳感器、鉑電阻溫度傳感器等。考慮到飛機滑油溫度范圍一般在-50℃～210℃，在此溫度范圍內(nèi)熱電偶電勢較小，熱敏電阻的非線性較大影響測溫范圍，非線性補償較復(fù)雜，因此本方法采用PT1000 鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感器精度高且無需冷端補償，在-50℃～300℃溫度范圍內(nèi)非線性較小。

鉑電阻Pt100 是指鉑電阻在0℃時的電阻值等于1000Ω，選用A 級精度鉑電阻，允許誤差

公式（1）中：

t——溫度值（℃）

鉑電阻為電阻原件，當(dāng)有電流通過時，電阻本身會發(fā)熱，因此產(chǎn)生自然誤差，自然誤差取決于電阻原件的電能輸入和自然系數(shù)。

鉑電阻電阻值隨溫度變化的函數(shù)表達(dá)式為：

對于-50℃～0℃的溫度范圍，溫度與電阻值的關(guān)系如公式（2）：

對于0℃～300℃的溫度范圍，溫度與電阻值的關(guān)系如公式（3）：

在公式（2）和公式（3）中：

t——溫度，單位℃；

Rt——t 溫度時鉑電阻的電阻值；

R0——0℃時鉑電阻的電阻值；

A——常數(shù)，其值為3.9083×10-3，℃-1；

B——常數(shù)，其值為-5.775×10-7，℃-2；

C——常數(shù)，其值為-4.183×10-12，℃-4。

3 電路設(shè)計

溫度采集電路主要由恒流源電路、電阻測量回路、濾波電路、信號放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。信號處理電路實現(xiàn)硬件濾波、斷路檢測、以及經(jīng)典和雷電防護等功能。原理框圖見圖1。

圖1：溫度采集電路原理框圖

考慮到PT1000 溫度傳感器在飛機上安裝位置距離溫度采集盒較遠(yuǎn)，需要用較長電纜連接，因此電纜電阻會導(dǎo)致采集的電阻值虛高，導(dǎo)致采集溫度比實際溫度偏高。因此本文設(shè)計了電阻測量回路用于補償電纜電阻對測量系統(tǒng)的影響，具體原理見圖2。

圖2：電阻測量電路原理框圖

（1）該測量回路中有恒流源輸入I；

（2）RTD 為所需要測量的鉑電阻，設(shè)RTD 鉑電阻電壓為VR；

（3）RW1、RW2、RW3 為鉑電阻傳感器到標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程接口單元的線路等效電阻，由于線路長度一致，RW1=RW2=RW3，設(shè)三段線路電壓分別為VW1、VW2、VW3；

（4）設(shè)運算放大器U1 反向輸入端電壓為V-，同向輸入端為V+，輸出端電壓為Vout。

根據(jù)測量回路，可得：

由于V-= V+=VR+VW3，且R1=R2可得：

由于該測量回路輸入為恒流源，測得運算放大器輸出端電壓Vout，即得到VR電壓并換算得到RTD 電阻值，對該電阻值進一步處理即可得到熱電阻溫度。

PT1000 傳感器信號采集電路使用高精度低功耗運算放大器構(gòu)建激勵電路和比例放大電路，激勵電路通過輸出恒流源信號將輸入的電阻量信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。

源端輸入阻值范圍：700Ω～2800Ω，對應(yīng)輸出電壓為0.7V～2.8V，當(dāng)源端輸入電阻為500Ω～3000Ω 時，對應(yīng)輸出電壓為0.5V～3V，此時當(dāng)采集到的電壓小于0.5V 或大于3V 進行報警。

輸入信號經(jīng)接口保護電路、RC 低通濾波電路、比例放大處理電路后給A/D 電路。使用TVS 管進行雷電防護、靜電防護，RC低通濾波電路選用電阻R10K、電容C5.3nF，截止頻率為3KHZ。運放配置電阻均選用高精度B 級器件（精度0.1%），降低增益誤差，符合設(shè)計要求。

4 軟件設(shè)計

軟件周期訪問CPU內(nèi)的1個A/D通道，依次采樣進行A/D轉(zhuǎn)換，獲取外部模擬量，包括1 路電壓模擬量信號。軟件將采集到的模擬量根據(jù)信號特性進行對應(yīng)的平滑操作，去除信號干擾后，計算得到對應(yīng)的溫度、電壓信號。模擬量采集處理功能包含模擬量采集模塊、模擬量平滑模塊和模擬量計算模塊。每個模擬量信號根據(jù)信號范圍，進行數(shù)據(jù)有效性判斷，超邊界范圍時，報相應(yīng)的信號無效，軟件處理算法流程圖見圖3。

5 驗證測試

為驗證采取軟硬件優(yōu)化改進后的溫度采集電路的采集精度，本文通過等效試驗來考察鉑電阻測溫系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性和測量精度。將PT100 溫度傳感器放置于高精度溫箱中進行試驗，記錄溫度變化過程中溫箱實際溫度和測量溫度，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)得到了兩者的誤差，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1：實際溫度和測量溫度數(shù)據(jù)記錄

利用最小二乘法（見圖4）得到溫度采集電路中實際溫度與測量溫度的擬合直線：

圖3：基于平滑濾波的模擬量采集算法流程圖

圖4：基于最小二乘法的鉑電阻溫度傳感器誤差計算方法

誤差計算公式：

由公式7 可知，當(dāng)T實際=210℃，得到誤差最大值，此時△max=0.4229℃。

從試驗結(jié)果看，改進后的溫度采集系統(tǒng)具有較好的精確性，誤差在±0.5℃范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

本文在分析飛機滑油溫度測量系統(tǒng)測量誤差的基礎(chǔ)上，通過對采集電路的硬件和軟件進行優(yōu)化設(shè)計來提高滑油溫度采集的精度。該設(shè)計同樣適用于其他型號同類產(chǎn)品的溫度測量精度的提升，僅通過簡單軟、硬件的更改即可推廣到其它航空產(chǎn)品的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中去，這對軍品老產(chǎn)品的更新?lián)Q代、縮短新產(chǎn)品研制周期、降低研制費、產(chǎn)品系列化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計有著深遠(yuǎn)的影響。