一種熱電偶溫度傳感器信號模擬裝置設計

高廣華，李拓彬

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲，412002）

排氣溫度是燃氣輪機重要的控制參數之一，是衡量燃氣輪機是否正常工作的一個重要指標。熱電偶作為無源傳感器，不需要激勵電源，就能將溫度轉換為電壓輸出，堅固耐用，抗沖擊振動性好，體積小，熱容量低，對溫度變化相應快，無能量損耗，故廣泛用于燃氣輪機排氣溫度測量中。

本文設計了一種熱電偶溫度傳感器信號模擬裝置，可以精確地模擬熱電偶生成的電壓信號，并可提供與真實傳感器一致的電氣接口特性。該裝置為發動機電子控制器調試、測試提供準確的熱電偶傳感器信號源，并應用于硬件在回路仿真和半物理仿真系統中，為發動機控制系統提供與真實傳感器一致的熱電偶輸出信號。

1 信號模擬裝置設計要求

1.1 溫度傳感器工作原理與信號特征

熱電偶是發動機控制系統中常用的測量元件，它是利用金屬的熱電現象，將被測介質的溫度變化轉換成相應的電動勢而輸出。

圖1中的熱電偶是把兩種金屬（A、B）的兩端焊接成閉合回路。接點1稱為熱端，它與被測高溫接觸；接點2稱為冷端，它置于低溫處。由于兩個接點處溫度不等，閉合回路中即產生了與兩端溫度成正比，并于制作材料有關的電動勢E，這個電動勢可由串接的儀表測出[1]。

圖1 熱電偶溫度傳感器工作原理

燃氣輪機電子控制器測量排氣溫度熱電偶等效電路如圖2所示。熱電偶安裝在發動機燃氣流道內，通過補償導線A、B接入電子控制器，測量冷端一般位于控制器內接近機殼位置。控制器測量電路實際測量的電動勢表達的是熱電偶熱端和冷端的溫度差。

圖2 控制器測量溫度工作原理

常用的熱電偶有J型和K型兩種，由于K型熱電偶溫度測量范圍與燃氣輪機排氣溫度接近，燃氣輪機通常采用K型熱電偶采集排氣溫度。K型熱電偶測量溫度范圍為（-270~+1372）℃，對應信號生成范圍為(-6.458~+54.886)mV。

1.2 信號模擬裝置設計要求

信號模擬裝置需要生成信號幅值范圍覆蓋各種熱電偶電壓信號，并且電氣接口特性保持與真實傳感器一致，防止電子控制器檢測不匹配而工作異常。根據熱電偶溫度傳感器信號特征以及多型傳感器的輸出信號參數，同時考慮到熱電偶真實應用場景，確定信號模擬器的設計要求如下：

(1)輸出對應熱電偶熱電勢的電壓信號；(2)信號生成范圍：(0~80)mV連續可調；(3)輸出阻抗：（2~20）Ω可調；(4)信號精度：±0.2%F.S。

2 信號模擬裝置設計

2.1 原理設計

模擬裝置依據熱電偶標準分度表，將熱端溫度和冷端溫度換算為對應的毫伏電壓，再將兩者相減得到輸出電壓。

模擬裝置的工作原理見圖3。微處理器通過外部通訊接收溫度指令命令，將指令命令解析生成數字量控制信號，通過SPI總線經過隔離后進入信號生成電路。信號生成電路具有基準電壓模塊，數字增益控制電路根據數字信號精確地對基準電壓進行衰減，實現數模轉換。衰減后的電壓信號經過匹配電阻分壓網絡和跟隨器構成的固定增益衰減器后，形成熱電偶電壓信號輸出。

圖3 轉速信號模擬裝置原理框圖

2.2 電路架構設計

熱電偶信號模擬器的組成包含電源系統、微處理器系統和精密毫伏信號生成電路，其結構組成如圖4所示。

圖4 信號模擬裝置結構圖

MCU系統電路接收并解析來自上位機串口發送的通訊指令，解析運算后生成數字指令，通過SPI總線輸出數字量控制信號，經過隔離后進入信號生成電路。信號生成電路包括乘法器、電壓參考、匹配電阻分壓網絡和跟隨器。信號生成電路解碼SPI總線輸入指令，將電壓參考降壓后通過跟隨器輸出。精密模擬電源為信號生成電路提供所需的工作電源。

2.3 MCU系統電路

信號模擬裝置中MCU 系統電路采用意法半導體公司的STM32F429型高性能32位微控制器（MCU），內置ARM Cortex-M4內核，主頻168MHz。MCU內 置UART控制器用于接收串行通訊數據，并通過SPI總線隔離輸出至信號生成電路。MCU系統電路還包含隨機存儲器（SRAM）、看門狗、電擦寫數據存儲器等器件，實現存儲器拓展、運行異常自動復位、電路特性參數存儲等功能。

2.4 信號生成電路

熱電偶信號生成電路的信號鏈路包含1個電壓基本參考、1路乘法器數模轉換器（MDAC）、1個電阻分壓網絡和1級跟隨器。如圖5所示。

圖5 信號生成電路原理圖

信號生成電路具有REF5020型精密電壓基準，電壓基準輸出為2.048V正電壓。電壓基準接入由運放ADA4522構成的反相器，將電壓基準信號轉換成-2.048V的負電壓。

AD5543型MDAC通過解析SPI總線通訊來的指令，精確地對反相器生成的負基準電壓進行數字衰減控制。衰減后的電壓信號經過精密電阻網絡和跟隨器構成的固定增益衰減器后，加載在接口匹配電阻上，形成毫伏級電壓信號作為生成的熱電偶信號輸出。

通過在輸出信號線路上串聯電位計實現對真實傳感器電阻的模擬，即圖5中的R9-4，在實際應用中根據傳感器的內阻特征選擇適當的電阻。

2.5 電源子系統

信號模擬裝置采用（16~40）VDC供電，電源子系統產生供數字電路使用的+3.3/+5VDC電源，以及±5VDC低噪聲模擬電路電源，如圖6所示。

圖6 電源子系統原理框圖

電源的輸入處理部分包含防反接保護電路和EMI濾波器，前者防止錯誤的電源接線對電路造成損壞，后者保證電路的電源傳導發射和敏感度符合電磁兼容要求[2]。

經過輸入處理后的電源通過隔離型DC/DC電源模塊產生+5VDC數字電路電源，然后再通過低壓差穩壓器降壓至+3.3VDC提供給微處理器。另一路DC/DC電源模塊產生±15VDC電源，再通過低壓差穩壓器（LDO）降壓至±12VDC，利用LDO的高紋波抑制比性能提供低噪聲模擬電路電源[3]。

2.6 軟件實現

信號裝置的主要的軟件功能在MCU定時中斷服務子程序中實現。微處理器20ms定時到時產生中斷，執行中斷服務子程序。在子程序中，首先進行通訊FIFO緩存數據的讀取，然后對數據包內容進行解析，獲取目標熱端溫度以及冷端溫度指令。

軟件首先依據熱電偶標準分度表，將熱端溫度和冷端溫度換算為對應的毫伏電壓，再將兩者相減得到輸出電壓。根據信號生成電路的參數計算輸出目標電壓對應的16位數字控制量，并通過SPI總線發送至乘法器DAC執行。

圖7 熱電偶（TC）信號生成軟件流程框圖

3 設計符合性分析

3.1 功能符合性分析

信號生成電路將REF5020生成的2.048V精密電壓基準通過AD5543型乘法器和電阻網絡進行衰減，可以生成 (0~80)mv范圍內連續可調的電壓信號。模擬器信號輸出端口的直流電阻阻值通過串接的電阻保證。

3.2 信號頻率精度符合性分析

電壓基準選用REF5020型2.048V精密電壓基準，初始精度為0.05%，初始誤差能夠通過軟件插值修正消除。電壓基準的溫度漂移為2.5 PPM/℃，按照60℃最高結溫計算，由溫度漂移造成的不可修正誤差為0.00875%。

分壓網絡選用LT5400型精密電阻網絡，跟隨器由ADA4522型精密運算放大器構成。電阻網絡初始精度以及運放的失調電壓、偏置電流等因素造成的固定誤差能夠通過軟件插值表修正消除，而電阻網絡和運放失調的溫度漂移是影響使用精度的關鍵因素。LT5400的溫度漂移為0.2 PPM/℃，ADA4522失調溫漂為4nV/℃。按照60℃最高結溫計算，運算放大電路中的電阻網絡匹配度偏移和運放輸出電壓的溫度漂移分別為0.0007%和0.14μV，按50mV滿量程輸出電壓計算，折合誤差為0.00098%。

綜上所述，信號生成電路中器件的初始誤差能夠通過軟件插值修正消除，而不可修正的信號鏈路總溫度漂移約為0.00973%。因此，通過設計能夠保證滿足±0.2%F.S的信號生成精度要求。

4 結束語

本文設計了一種熱信號模擬裝置，通過串行通訊方式接收信號生成指令，輸出指定的電壓信號，并且提供與真實傳感器一致的電氣接口特性。該模擬裝置已成功應用在發動機控制系統半物理仿真試驗和全電仿真試驗中，獲得理想的模擬效果。