發動機排氣溫度熱電偶檢測電路的製作方法
2023-05-04 07:55:06 1
發動機排氣溫度熱電偶檢測電路的製作方法
【專利摘要】本發明提出的一種發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，旨在提供一種測試可靠性高、饋電電路紋波小的發動機排氣溫度檢測電路。本發明通過下述技術方案予以實現：熱電偶差分輸入儀表放大單元和熱電偶環路檢測單元分別通過熱電偶傳感器正端和負端電連接AD轉換單元組成熱電偶環路檢測電路；熱電偶冷端採集單元輸出電壓通過冷端溫度處理單元的送入AD轉換單元，經CPU進行計算獲得冷端溫度；熱電偶饋電單元將基準電壓經外部T45溫度傳感器分壓為兩路，一路通過熱電偶環路檢測單元將熱電偶傳感器負端電壓送到AD轉換單元，另一路經熱電偶傳感器饋送輸入熱電偶差分輸入儀表放大單元，將電壓差信號差分放大後供AD轉換器採集，並送入CPU判斷熱電偶故障。
【專利說明】發動機排氣溫度熱電偶檢測電路
【技術領域】
[0001]本發明是關於通過熱電偶採集發動機排氣溫度，檢測發動機排氣溫度的溫度採集電路，尤其是航空發動機排氣口熱電偶的檢測電路。
【背景技術】
[0002]航空發動機排氣溫度是確定渦輪特性及發動機性能的重要參數，渦輪後燃氣溫度檢測是發動機性能檢測的重要內容，直接影響著發動機的安全和壽命。當飛機發動機的噴氣溫度超過限定溫度時，必須對發動機採取限油或停車控制，使發動機排氣溫度不超過規定值，確保飛行安全。這就要求飛機飛行過程中，能夠及時準確地測量出飛機發動機的噴氣溫度。熱電偶(thermocouple)是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，並把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表)轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合迴路，當兩端存在溫度梯度時，迴路中就會發生高電位向低電位放電現象，迴路中就會有電流產生，產生熱電動勢。用熱電偶測量飛機發動機噴氣溫度的誤差影響的主要因素有:熱電偶的冷端溫度誤差、熱輻射、插入深度及動態誤差。熱電偶輸出的熱電勢隨冷端溫度偏離0°C而產生測量誤差，形成熱電偶冷端溫度誤差。因此發動機渦輪後燃氣溫度一般是通過鎳鉻-鎳鋁元件組成的熱電偶來測量的。要檢測熱電偶溫度必須檢測其冷端溫度，才能計算出熱端溫度，這就是所說的熱電偶冷端溫度補償。消除熱電偶冷端溫度誤差的方法較多，常用的有冷端(TC恆溫法、熱電勢修正法、溫度修正法、熱電偶補償法、電橋補償法和補償導線法等。目前，應用的氣動總溫型熱電偶，由於測量氣體溫度時，熱電偶裝置在發動機噴管的管道中，其結構的複雜性，一般無法直接校驗。通常採用的方法是:直接與符合熱電偶分度表的二次儀表聯接；在發動機上用標準樣件對比來實現。測量溫度時感溫元件與被測介質要經過熱交換才能達到相同的溫度。由於感溫元件具有一定熱慣性，當介質溫度改變時，換熱過程不可能迅速完成，因而在動態測量過程中就有延遲誤差。
[0003]熱電偶雖然廣泛應用於溫度測量各種領域，但是在航空機載測試中熱電偶溫度測量有其更複雜特殊性。如存在熱電偶信號微弱易受幹擾、溫度電壓呈非線性關係、需要參考接合點補償、熱電偶接地等諸多問題。正確溫度信號的採集直接決定控制系統對當前發動機狀態的判斷，直接影響對發動機的控制，從而影響發動機狀態的控制。燃氣溫度的準確測量對控制發動機狀態有直接影響，甚至造成誤保護，造成發動機停車等嚴重錯誤。對飛機發動機性能參數的驗證，特別是發動機的溫度參數和壓力參數，要求非常高，只有精確測量，才能知道參數的真實情況。由於溫度測量點太多，且發動機本身裝上的熱電偶的形式也不一樣，因此，必須把熱電偶微弱的電壓信號進行調理，變成能被採集設備採集的信號，而這一調理過程又是一個非常複雜的技術難題。熱電偶信號處理電路設計的溫度測量前置電路，常用的熱電偶輸入阻抗小，輸出電壓低，同型號熱電偶之間仍然具有一定個性差異，這樣就給熱電偶的精確檢測帶來困難。航空發動機排氣溫度熱電偶檢測溫度範圍在-55°C?1100°c，具有溫度變化範圍大、溫度變化速率快等特點。發動機電子控制器必須及時準確採集熱電偶的溫度，根據採集的溫度推算發動機T4溫度並採取適當的算法控制發動機燃油流量，限制發動機內部工作溫度。然而常用的熱電偶檢測技術不能合理解決熱電偶的個性差異，造成發動機電子控制器通用性較差。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對上述現有技術存在的問題，提供一種測試可靠性高、饋電電路紋波小，抗幹擾能力強、測量值穩定可靠，獲取精度高的發動機排氣溫度檢測電路。
[0005]本發明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，包括:熱電偶冷端採集單元、熱電偶饋電單元、熱電偶環路檢測單元和熱電偶差分輸入儀表放大單元，其特徵在於:熱電偶差分輸入儀表放大單元和熱電偶環路檢測單元分別通過熱電偶傳感器正端和負端電連接AD轉換單元組成熱電偶環路檢測電路；熱電偶冷端採集單元輸出電壓通過冷端溫度處理單元的送入AD轉換單元AD轉換後，經CPU進行計算獲得冷端溫度；熱電偶饋電單元將5V基準電壓經外部Τ45溫度傳感器分壓為兩路，一路通過熱電偶環路檢測單元將熱電偶傳感器負端電壓送到AD轉換單元，另一路經由發動機電子控制器向熱電偶傳感器饋送毫伏級微弱的電流信號輸入熱電偶差分輸入儀表放大單元，將電壓差信號差分放大後供AD轉換器採集，並送入CPU，CPU根據熱電偶傳感器檢測電壓值判斷熱電偶故障。
[0006]本發明相比於現有技術具有如下有益效果。
[0007]測試可靠性高、饋電電路紋波小。本發明5V基準電壓經過熱電偶饋電單元運算放大器U3A放大處理，經過實測檢查饋電電路紋波非常小。由於熱電偶輸出正、負端分別串聯了電阻R13和R15，發動機排氣溫度熱電偶傳感器發生短路或線路破損都不會造成饋電電路損壞，饋電電路安全性、可靠性非常高。
[0008]抗幹擾能力強、測量值穩定可靠。本發明採用放大倍數可以達到100倍的熱電偶差分輸入儀表放大單元，輸出差分電壓經過處理後紋波幹擾很小，不受外界幹擾，實際測量
值穩定可靠。
[0009]發動機電子控制器通過TO冷端檢測電路可以觀察到電子控制器所處溫度，並且通過該溫度對採集到的T45毛值進行補償計算得到較為準確的T45熱電偶溫度值。發動機電子控制器向T45熱電偶傳感器饋送微弱的電流信號，由於熱電偶阻抗小，該電流對熱電偶輸入端由於溫度而產生的電壓差影響很小，但可以通過本發明環路電壓檢測到的電壓值大小來判斷熱電偶是否斷路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明發動機排氣溫度熱電偶檢測電路框圖。
[0011]圖2是圖1中熱電偶冷端採集單元電路原理示意圖。
[0012]圖3是本發明熱電偶環路檢測電路原理不意圖。
【具體實施方式】
[0013]參閱圖1。發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，包括:熱電偶冷端採集單元、熱電偶饋電單元、熱電偶環路檢測單元和熱電偶差分輸入儀表放大單元。熱電偶差分輸入儀表放大單元和熱電偶環路檢測單元分別通過熱電偶傳感器正端和負端電壓電連接AD轉換單元組成熱電偶環路檢測電路，熱電偶冷端採集單元輸出電壓通過冷端溫度出來單元的運算放大器處理送入AD轉換單元AD轉換後，經CPU進行計算獲得冷端溫度；熱電偶饋電單元將5V基準電壓經外部T45溫度傳感器分壓為兩路2.5V電壓，一路通過熱電偶環路檢測單元將熱電偶傳感器負端電壓，經過放大器處理後送到AD轉換單元，另一路經由發動機電子控制器，向熱電偶傳感器饋送毫伏級微弱的電流信號輸入熱電偶差分輸入儀表放大單元，將電壓差信號差分放大後供AD轉換器採集，並送入CPU，CPU根據熱電偶傳感器檢測電壓值、環路檢測單元檢測環路電壓值判斷熱電偶是否導通、斷路。
[0014]參閱圖2。在熱電偶冷端採集單元的熱電偶冷端溫度採集電路中，溫度傳感器一般放置在發動機電子控制器輸入輸出接插件附近。冷端溫度採集電路的冷端溫度傳感器一般是由三端線性溫度傳感器構成的。冷端溫度採集電路Ul採用的是溫度工作範圍一般在-55°c?125°C的AD590溫度採集晶片，其工作電壓在9V左右。AD590在常溫25°C時輸出電流強度298.2 μ Α，溫度每上升1°C，輸出電流強度增大I μ Α,由此合理選取電阻R3的阻值就可以得到和採集點溫度成正比的電壓。
[0015]熱電偶冷端採集單元包括串聯在溫度採集晶片Ul輸入、輸出端上的電阻R1、限流電阻R2和跨接並聯在溫度採集晶片Ul兩端的濾波電容Cl、濾波電容C2，以及串聯在電阻R2與射隨放大器U2A之間，電阻R4並聯R3和接地電容C3構成的並聯濾波電路。+9V電壓經過限流電阻Rl到Ul正端，並經濾波電容Cl通過溫度採集晶片Ul接地端和濾波電容C2濾波』電連接限流電阻R2和R3後接地，電阻R3上的電壓經過電阻R4和電容C3構成的濾波電路到U2A進行射隨放大。射隨放大器U2A輸出的熱電偶冷端溫度採集電壓信號輸出到AD轉換單元，經過AD轉換後發動機電子控制器CPU就可以獲取冷端溫度。由於冷端溫度採集的是發動機電子控制器接插件附近溫度，所以通過該冷端溫度值可以同時得到發動機電子控制器所處環境溫度。
[0016]參閱圖3。發動機排氣溫度熱電偶傳感器輸出差分電壓一般都是毫伏級別電壓，所以對熱電偶進行饋電必須紋波很小。熱電偶饋電單元包括分別串聯在射隨放大器U3A正向輸入端和輸出端電連接的電阻R12和電阻R13。發動機排氣溫度熱電偶傳感器一般阻值均小於10 Ω，U3A輸出5V電壓經過電阻R13和R15接地後傳感器兩端電壓一般為2.5V左右。熱電偶饋電原理為:發動機電子控制器內部提供的5V基準電壓經過限流電阻R12送到U3A，經過U3A進行射隨放大輸出5V電壓，該5V電壓經過限流電阻R13到外部發動機排氣溫度熱電偶傳感器正端，電流經過熱電偶後由電阻R15接地。由於5V基準電壓經過U3A放大處理，經過實測檢查饋電電路紋波非常小。由於熱電偶輸出正、負端分別串聯了電阻R13和R15，發動機排氣溫度熱電偶傳感器發生短路或線路破損都不會造成饋電電路損壞，由此該饋電電路安全性、可靠性非常高。
[0017]熱電偶環路檢測單元包括熱電偶負端串聯的由電阻R14並聯電阻R15和電容C6構成阻抗匹配濾波電路和串聯在運算放大器U4A正向輸入端上的電阻R16。熱電偶負端R15上的電壓經過電阻R14和電容C6濾波後到電阻R16，經過電阻R16限流後到射隨放大器U4A。當熱電偶斷路時，U4A輸出電壓為0V;當熱電偶阻值遠大於10 Ω時，U4A輸出電壓就會小於2.5V。U4A輸出電壓經過AD轉換，發動機電子控制器就可以根據轉換後電壓值判斷熱電偶傳感器是否斷路或阻抗不匹配。[0018]發動機排氣溫度熱電偶傳感器輸出差分電壓一般都是毫伏級別電壓。它的熱電偶輸入端由於溫度而產生電壓差範圍為-1.9?45.lmV，為了獲取高精度、低溫飄的溫度值，該差分電壓信號必須經過高輸入阻抗、高放大倍數、高精度、低溫飄的儀表放大器進行100倍左右的差分放大才能便於AD轉換器進行採集。熱電偶差分輸入儀表放大單元包括:串聯在熱電偶輸出負端與運算放大器U5正向輸入端之間的串聯電阻R18並聯的接地電容C7，運算放大器U5反向輸入端電連接在熱電偶輸出端由電阻R14並聯電阻R15和電容C6構成阻抗匹配濾波電路與R16之間。熱電偶負端輸入經電阻R14和電容C6阻抗匹配和濾波到U5輸入負端，熱電偶正端經電阻R18和電容C7阻抗匹配和濾波後到U5輸入正端，電阻R17調節U5的放大倍數為100倍。儀表放大器U5輸出電壓送到AD轉換單元，經過轉換後發動機電子控制器CPU就可以查表獲取熱電偶溫度採集值。熱電偶差分輸入儀表放大單元輸出差分電壓經過本發明電路處理後紋波幹擾很小，不受外界幹擾，實際測量值穩定可靠。本發明電路中的U5可以採用美國ANALOG DEVICE公司的儀表放大器AD621作為核心器件。
【權利要求】
1.一種發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，包括:熱電偶冷端採集單元、熱電偶饋電單元、熱電偶環路檢測單元和熱電偶差分輸入儀表放大單元，其特徵在於:熱電偶差分輸入儀表放大單元和熱電偶環路檢測單元分別通過熱電偶傳感器正端和負端電連接AD轉換單元組成熱電偶環路檢測電路；熱電偶冷端採集單元輸出電壓通過冷端溫度處理單元的送入AD轉換單元AD轉換後，經CPU進行計算獲得冷端溫度；熱電偶饋電單元將基準電壓經外部T45溫度傳感器分壓為兩路，一路通過熱電偶環路檢測單元將熱電偶傳感器負端電壓送到AD轉換單元，另一路經由發動機電子控制器向熱電偶傳感器饋送毫伏級微弱的電流信號輸入熱電偶差分輸入儀表放大單元，將電壓差信號差分放大後供AD轉換器採集，並送入CPU，CPU根據熱電偶傳感器檢測電壓值判斷熱電偶故障。
2.如權利要求1所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:在熱電偶冷端採集單元的熱電偶冷端溫度採集電路中，溫度傳感器放置在發動機電子控制器輸入輸出接插件附近。
3.如權利要求2所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:熱電偶冷端採集單元為冷端溫度採集電路U1，冷端溫度採集電路Ul採用的是溫度工作範圍在-55°c?125°C的AD590溫度採集晶片，其工作電壓為9V。
4.如權利要求1所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:熱電偶饋電單元包括分別串聯在射隨放大器U3A正向輸入端和輸出端電連接的電阻R12和電阻R13。
5.如權利要求1所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:熱電偶輸出正、負端分別串聯有電阻R13和R15。
6.如權利要求4或5所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:基準電壓經過限流電阻R12送到射隨放大器U3A，經過U3A進行射隨放大輸出5V電壓，該5V電壓經過限流電阻R13到外部發動機排氣溫度熱電偶傳感器正端，電流經過熱電偶後由電阻R15接地。
7.如權利要求5所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:射隨放大器U3A輸出5V電壓經過電阻R13和R15接地後，傳感器兩端電壓為2.5。
8.如權利要求1所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:熱電偶環路檢測單元包括熱電偶負端串聯的由電阻R14並聯電阻R15和電容C6構成阻抗匹配濾波電路和串聯在運算放大器U4A正向輸入端上的電阻R16。
9.如權利要求8所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:熱電偶負端R15上的電壓經過電阻R14和電容C6濾波後到電阻R16，經過電阻R16限流後到射隨放大器U4A ；當熱電偶斷路時，U4A輸出電壓為OV ；當熱電偶阻值遠大於10 Ω時，U4A輸出電壓小於2.5V。
10.如權利要求1所述的發動機排氣溫度熱電偶檢測電路，其特徵在於:熱電偶差分輸入儀表放大單元包括:串聯在熱電偶輸出負端與運算放大器U5正向輸入端之間的串聯電阻R18並聯的接地電容C7，運算放大器U5反向輸入端電連接在熱電偶輸出端由電阻R14並聯電阻R15和電容C6構成阻抗匹配濾波電路與R16之間。
【文檔編號】G01K13/02GK104006902SQ201410263697
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】王堅, 許會元, 鄭志高 申請人:四川亞美動力技術有限公司