CN108007596A - 一种热电偶温度信号调理电路 - Google Patents

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马国轩
邓勇生
李建江
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    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/10—Arrangements for compensating for auxiliary variables, e.g. length of lead
    • G01K7/12—Arrangements with respect to the cold junction, e.g. preventing influence of temperature of surrounding air
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Abstract

本发明公开了一种热电偶温度信号调理电路，包括电源模块、输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块。正负电源接入电源模块进行滤波处理，然后将滤波后的正负电源分别为输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块供电；热电偶信号输入至输入信号放大模块进行信号放大，然后将放大信号与冷端补偿模块输出信号以及零点调整模块输出信号一同接入信号累加模块，最后将信号累加模块的信号进行输出。本发明能够对K型热电偶温度传感器的输出信号进行采集、调理。通过硬件补偿方式解决热电偶测温误差大的缺点，使得热电偶传感器的温度测量能够实现高精度、高灵敏度、大范围的采集。

Description

一种热电偶温度信号调理电路
技术领域
本发明一种热电偶温度信号调理电路属于航天传感器领域，具体涉及一种硬件补偿式的K型热电偶温度传感器信号采集、变换。
背景技术
随着技术发展的需要，对新型航天飞行器的要求逐渐提高，对飞行器各部件的强度、耐高温、耐氧化的要求也不断提高。耐高温是飞行器结构部件材料选择的一项重要指标。只有明确了飞行器飞行期间各部位实际需要耐受的高温，才能选择合适的材料。
为了量化航天飞行器特定位置在飞行过程中实际承受的高温，需要选用合适的温度传感器及温度调理电路采集温度值。由于实验的特殊性，需要温度传感器具有测温范围大，测温精度高、热响应速度快等特点，而满足这些条件的温度传感器中K型热电偶传感器应用最广泛的一种。
由于K型热电偶传感器其测温原理为相对式测温，只能测得冷端与热端的温度差。而冷端温度是不断变换的，因此直接测量会产生较大的测量误差。这就使得研究一种调理电路，可以消除热电偶冷端的影响，减小测量误差，提高测量精度具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种热电偶温度信号调理电路，通过硬件补偿方式解决热电偶测温误差大的缺点，使得热电偶传感器的温度测量能够实现高精度、高灵敏度、大范围的采集。而零点调整模块的设计，使得调理电路的输出能够适应不同***的要求，提高其灵活性。
本发明的技术方案是：一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：***包括电源模块、输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块。该调理电路的输入包括热电偶信号以及正负电源输入、输出为变换电压信号。结构上，正负电源接入电源模块进行滤波处理，然后将滤波后的正负电源分别为输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块供电；热电偶信号输入至输入信号放大模块进行信号放大，然后将放大信号与冷端补偿模块输出信号以及零点调整模块输出信号一同接入信号累加模块，信号累加模块对输入电压进行累加然后输出电压信号。
所述电源模块的功能为电源滤波、对输入的正负电源通过电感和电容进行滤波，使得输入电压稳定，保证后级电路的输出稳定。
所述输入信号放大模块实现对温度传感器输入的微伏级信号放大，选用高倍率仪表放大器芯片，采用双电源供电，参考电压为GND。
所述输入信号放大模块的信号放大增益由参考电阻的阻值决定，满足关系式：
其中，G1为放大增益，RG为放大器固有参数，R1、R2为参考电阻。
所述冷端补偿模块的作用为补偿温度传感器由于本身原理引起的误差。具体为由于K型热电偶为相对式测温原理，即国家标准的热电偶分度表为冷端为0℃的情况下的电压，而在实际应用中，热电偶冷端的温度是不为零的，因此会导致热电偶电势差的减少或增加，导致误差较大。
热电偶的热电势满足公式
E(T，T0)＝E(T，0)-E(T0，0)
其意义为，热电偶热端相对于0℃的热电动势等于热电偶热端相对于冷端的电动势与冷端相对于0℃的电动势之和。根据以上原理，可通过对冷端温度测量，实现对热电偶信号的补偿。
所述冷端补偿模块由绝对式的温度测量芯片和信号放大电路构成。绝对式的温度测量芯片作用是精确测定冷端温度，输出电压信号。信号放大电路的作用是对温度测量芯片输出电压进行特定倍率的放大，使得冷端补偿模块的输出电压与实际热电偶原理中冷端温度变化引起变化电压相匹配。
所述冷端补偿模块的补偿电压输出与温度关系为：
V2＝(273.15+T0)×1μA/K×RL×G2
其中，V2为冷端补偿模块的输出电压，T0当前的冷端温度,RL为温度芯片输出电阻，G2为放大电路的增益，常数273.15与1μA/K均为绝对式测温芯片的固有参数。
所述零点调整模块的作用为，由于不同***其对零点的电压要求不同，因此通过设计零点调整模块，使得调理电路能够灵活适应不同***的输出电压要求。
所述零点调整模块由基准电压模块和信号跟随模块组成。
所述基准电压模块用于将电源模块提供的电压转换为高精度的基准电压，通过电阻分压的方式得到合适的零点调整所需电压。
所述信号跟随模块的作用为与后级电路进行阻抗匹配，提高带载能力。
所述信号累加模块的作用为将热电偶输入放大电压、冷端补偿电压、零点调整电压进行信号累加。其输出关系为：
Vout＝(V1+V2)-V3
其中，Vout表示温度调理电路的输出电压，V1表示输入信号放大模块的输出电压，V2表示冷端补偿模块的输出电压，V3表示零点调整模块的输出电压。
本发明的优点和积极效果是：
本发明一种热电偶温度信号调理电路，能够对K型热电偶温度传感器输出信号进行采集、调理。对热电偶信号进行冷端补偿处理，可以使采集精度大大提高，且适应更复杂的环境。而硬件方式进行冷端补偿，具有精度高、可靠性高的优点。通过零点调整模块进行零点电压的调整，可以使该调理电路适应不同***的输出要求。
通过该温度调理电路对K型热电偶温度传感器的采集变换，可以更加精确的采集飞行器特定部位飞行过程中的温度，为实验的准确性提供可靠保证。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是电源模块电路图。
图3是输入信号放大模块电路图。
图4是冷端补偿模块电路图。
图5是零点调整模块电路图。
图6是信号累加模块电路图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明：需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是有本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种热电偶温度信号调理电路，包括电源模块、输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块。该调理电路的输入包括热电偶信号以及正负电源输入、输出为变换电压信号。结构上，正负电源接入电源模块进行滤波处理，然后将滤波后的正负电源分别为输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块供电；热电偶信号输入至输入信号放大模块进行信号放大，然后将放大信号与冷端补偿模块输出信号以及零点调整模块输出信号一同接入信号累加模块，信号累加对电压进行求和计算，最后将信号累加模块的信号进行输出。
本发明的具体实施中，温度传感器为K型热电偶传感器，输出信号为电压信号，测温范围为-50～1000℃；
如图2所示，所述电源模块为电源滤波，对输入的正负电源通过电感和电容进行滤波，使得供电电压稳定，保证后级电路的输出稳定。
如图3所示，所述输入信号放大模块放大温度传感器输入的微伏级信号，选用高倍率仪表放大器芯片，采用双电源供电，参考电压为 GND。
本发明的具体实施中，输入信号放大模块具体采用的是AD8221 放大器，可配置放大倍数达300倍，采用双电源±15V供电，参考电压为GND。
本发明的具体实施中，输入信号放大模块的放大倍数为
如图4所示，冷端补偿模块由绝对式的温度测量芯片和信号放大电路构成；绝对式的温度测量芯片放置在热电偶输入信号冷端附近，可以将温度信号转换为电压信号；信号放大电路对温度测量芯片输出电压进行特定倍率的放大，使得冷端补偿模块的输出电压与实际热电偶冷端温度变化引起变化电压相匹配。
本发明的具体实施中，所述绝对式温度测量芯片采用的是AD590芯片，该芯片可测温度范围为-55～150℃，精度为1℃。
本发明的具体实施中，所述冷端补偿模块的参数通过匹配计算，其中放大电路部分的放大增益为9.0，则冷端补偿模块的输出电压为：
V2＝(273.15+T0)×1μA/K×1000×9.0
＝(273.15+T0)×9mV/K
如图5所示，零点调整模块由基准电压模块和信号跟随模块组成；基准电压模块用于将电源模块提供的电压转换为高精度的基准电压，通过电阻分压的方式得到合适的零点调整所需电压；信号跟随模块为与后级电路进行阻抗匹配，提高带载能力。
本发明的具体实施中，由于要求通过本电路实现热电偶温度传感器在-40℃～+1000℃温度变化时输出电压范围为+0.2V±0.1～+4.8V ±0.1。因此通过计算，零点调整模块的输出电压为：
本发明的具体实施中，信号累加模块的电路原理如图6所示，图6中，U3A、U3D构成了两个反向相加器，分别将输入信号放大模块输出的V1、冷端补偿模块输出的V2、零点调整模块输出的V3进行相加。
本发明的具体实施中，信号累加模块的最终输出电压信号为：
VOUT＝(VO1+VO2)-VO3。

Claims (8)

1.一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：包括电源模块、输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块；该调理电路的输入包括热电偶传感器信号以及正负电源输入，输出为调理后电压信号，正负电源接入电源模块进行滤波处理，然后将滤波后的正负电源分别为输入信号放大模块、冷端补偿模块、零点调整模块、信号累加模块供电；热电偶传感器信号输入至输入信号放大模块进行信号放大，然后将放大信号与冷端补偿模块输出信号以及零点调整模块输出信号一同接入信号累加模块，最后将信号累加模块的信号进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：所述电源模块为电源滤波，对输入的正负电源通过电感和电容进行滤波，使得供电电压稳定，保证后级电路的输出稳定。
3.根据权利要求1所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：所述输入信号放大模块放大温度传感器输入的微伏级信号，选用高倍率仪表放大器芯片，采用双电源供电，参考电压为GND。
4.根据权利要求3所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：所述输入信号放大模块的信号放大增益由参考电阻的阻值决定，满足关系式：
<mrow> <mi>G</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mi>G</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow>
其中，G为放大增益，RG为放大器固有参数，R1、R2为参考电阻。
5.根据权利要求1所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：冷端补偿模块由绝对式的温度测量芯片和信号放大电路构成；绝对式的温度测量芯片放置在热电偶输入信号冷端附近，可以将温度信号转换为电压信号；信号放大电路对温度测量芯片输出电压进行特定倍率的放大，使得冷端补偿模块的输出电压与实际热电偶冷端温度变化引起变化电压相匹配。
6.根据权利要求5所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：根据推导，冷端补偿模块的补偿电压输出与温度关系为：
V2＝(273.15+T0)×1μA/K×RL×G2
其中，V2为冷端补偿模块3的输出电压，T0当前的冷端温度,RL为温度芯片输出电阻，G2为放大电路的增益，常数273.15与1μA/K均为绝对式测温芯片的固有参数。
7.根据权利要求1所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：零点调整模块由基准电压模块和信号跟随模块组成；基准电压模块用于将电源模块提供的电压转换为高精度的基准电压，通过电阻分压的方式得到合适的零点调整所需电压；信号跟随模块为与后级电路进行阻抗匹配，提高带载能力。
8.根据权利要求1所述的一种热电偶温度信号调理电路，其特征在于：信号累加模块为将热电偶输入放大电压、冷端补偿电压、零点调整电压进行信号累加。其输出关系为：
Vout＝(V1+V2)-V3
其中，Vout表示温度调理电路的输出电压，V1表示输入信号放大模块的输出电压，V2表示冷端补偿模块的输出电压，V3表示零点调整模块的输出电压。
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