一种隔离式快响应温度传感器设计

刘宝伟;王元委;李芳明

【摘 要】针对某火箭发动机快速测温和信号隔离的需求，设计了一种隔离式温度传感器，介绍了温度测量和信号隔离的基本原理，给出传感器的工作原理和硬件电路。实验结果表明：精度约为0.4%，响应时间优于150ms，该传感器测温误差小、性能稳定，能够满足整体性能要求，达到了预定的设计效果。%Aim at demand of fast thermoscope and signal isolation of rocket engine,a temperature sensor with isolation is designed, introduce the basic principle of emperature measure and signal isolation, the working principle of sensor and corresponding hardware circuit design is given.The experimental results show that precision about 0.4%,answer time under 100ms have been achieved, it's able to meet overall performance requirements and reach the predetermined design effect with the small measurement deviation of sensor and stable performance. 【期刊名称】《黑龙江科技信息》 【年(卷),期】2015(000)022 【总页数】2页(P71-72)

【关键词】温度测量;传感器;信号隔离 【作 者】刘宝伟;王元委;李芳明

【作者单位】中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001 【正文语种】中 文

某型号用发动机，由于功率大，在工作时，发动机表面温度会快速上升，温度过高会引起发动机出现故障，乃至损坏，因此，快速、准确的检测出发动机实时温度，成为发动机正常工作和安全保护所需必要参数之一，该发动机的供电地和发动机金属外壳表面共地，在正常工作时，测量系统和传感器供电地是通过金属外壳提供的，由于共地导致传感器电路不能正常工作，从而影响测量系统的正常工作，解决信号共地干扰的一个有效方法是采用信号隔离技术，良好的隔离可以避免电子测量电路前后级之间的干扰[1]，从而提高共模抑制比，提高传感器测量精度，同时保护电子仪器设备和人身安全。

在高精度的应用场合或工作环境干扰严重的场合[1]，需要对所采集的信号作隔离处理，隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端，输入电路和放大器输出之间有欧姆隔离的器件，在工业控制、信号测量和信号放大等各个方面获得广泛应用。针对该型号发动机快速测温和信号隔离的要求，本文阐述了以AD210[3]隔离放大器为核心，结合热电偶测温法的特点，设计了一种隔离式快速测温传感器，确保了传感器测温功能正常高效运行，提高了系统的可靠性。 1 传感器设计 1.1 感温探头设计

热电偶是当前应用最为广泛的温度传感器一，它的测温范围宽、响应时间快、常用

于高温的测量[4]，该传感器测温范围为(-40～+600)℃，结合传感器150m s的响应时间和使用要求，该传感器选用K型热电偶作为传感器感温元件。感温探头结构设计充分考虑了快响应和耐环境性能指标，感温探头结构如图1所示，为了提高感温探头的热响应时间，采用φ0.2的K型偶丝作为感温敏感元件，感温焊点外露，在使用时，将感温探头与发动机金属表面焊接在一起。 图1 感温探头结构图 1.2 传感器电路设计

传感器工作原理框图如图2所示，该电路主要包括信号调节电路和信号隔离电路两部分，感温探头输出热电势信号通过信号调节电路的放大、滤波、冷端补偿等环节输出(0.2～4.8)V信号，信号隔离电路除给信号调节电路提供隔离电源外，还将信号调节电路输出的电压信号进行信号隔离输出，达到输入输出信号隔离的要求。 图2 传感器工作原理框图 1.2.1 传感器变换电路设计

当传感器探头测量端和冷端存在温差时，在(-40～+600)℃测量范围内，传感器感温探头输出的热电势信号约为25m v，需要通过信号调节电路来进行温度补偿、放大、滤波等处理，输出标准的电压信号，信号调节电路如图2所示。 图3 信号调节电路图

热电偶传感器测温时产生的热电势取决于其两端的温度，热电偶两端的热电势差可以用下式[5]表示：

式中：热电偶的热电势；温度为t时工作端的热电势；-温度为t0时冷端的热电势，当自由端温度t0恒定时，热电势只与测量端的温度有关，从（1）式可以看出，只有在冷端温度保持不变时，其输出电压就成了被测温度t的单值函数[6]，而且，工程技术上广泛使用的热电偶分度表的参考冷端温度都为0℃，那么将公式（1）

进行转换，相对于冷端温度为0℃的热电偶输出见式（2）。在实际工作环境中，热电偶冷端温度常常不为0℃，而且热电偶输出会随着冷端变化而变化，这就需要对热电偶冷端输出进行补偿。该电路采用P t 100铂电阻电桥电路对传感器进行冷端温度补偿，来保证热电偶测量

精度，如图3所示，电桥的输出端与热电偶串联，并将热电偶的冷端与电桥置于同一温度场中，设计电桥时一般选择为0℃电桥平衡温度点，当温度不等于0℃时，热电偶由于冷端温度变化使热电偶的输出热电势产生变化量ΔE（即EA （Bt0，00C）），此时由于R t的阻值变化，使a、c两点间电位不等，电势差不为零，自动给出一个补偿电势 ΔE ，由于ΔE 和ΔE′大小相等，方向相反，这样便达到冷端温度补偿的目的，补偿后的热电偶输出公式见（3）式。

补偿后输出的传感器信号通过信号调理电路进行处理，该电路如图3所示，主要由电压基准AD 580、电桥、高精度运算放大器OP07及相应反馈构成，温度检测电路将温度变化转换成标准电压信号输出。 1.2.2 信号隔离电路设计

由于该传感器探头是直接焊接在发动机金属表面，当发动机表面作为发动机系统供电地时，从图3中可以看出，热电偶U K输出正端与铂电阻R t相连，铂电阻桥壁输出a点与供电地相连，那么其R t温度电桥补偿作用失效，且该电路会发生输出限幅现象，导致电路不能正常使用，因此，需要进行传感器信号输入、输出和电源电路之间的隔离，才能使电路正常工作。目前，常用的信号隔离器件主要有A D公司生产的A D 204、A D 210等AD系列隔离放大器和T I公式生产的ISO103系列隔离放大器，由于该传感器电路部分需在-40℃工作温度下工作，因此，信号隔离采用A D公司生产的三端隔离放大器A D 210作为隔离电路核心器

件，信号隔离电路见图4所示。 图4 信号隔离电路

AD 210具有完整的隔离功能，通过模块内部的变压器耦合提供信号隔离和电源隔离。该器件功能设计全面，与光学耦合隔离器件不同，该器件无需外部DC/DC转换器，由输入、输出和电源三部分组成，工作时，采用+15 V单电源供电，+15V电源连到电源输入引脚29和30，使片内电源振荡器工作，从而产生频率为50 kHz的载波信号，通过内部两个变压器在隔离的输入和输出部分转换成5mA、±15 V的隔离电压输出，该隔离电压提供给信号调理电路使用，信号调节电路的输出信号接入到AD210器件的19脚，将AD210器件的15、16脚短接，片内的放大器增益设定为1，输入信号通过器件内部缓冲放大后，通过器件内部的全波调制器，把该信号变换成载波信号，然后通过内部变压器将调制的信号解调处理，还原出调制前的输入电压信号，通过管脚1和2脚输出。

AD210在使用时，当供电端接反或供电电源大于（+15±1.5）Vdc时，该器件电源隔离变换部分可能会损坏，因此在供电+15 V输入端加上二极管D 3进行极性保护，使用时应注意，同时为了防止该电路输出电压信号过大对后续电路造成影响，采用稳压器W1进行输出电压限幅，使输出电压最大范围在-0.7 V～5.6 V左右。 2 试验结果

本文主要从隔离性能和精度这两方面对该温度传感器进行了测试，验证了其用于发动机快响应、隔离性测温等要求的可行性。 2.1 隔离性能测试试验

将传感器探头测点与供电电源的地信号进行良好的搭接，测试其信号输出情况，经测试，传感器探头测点与供电地搭接后，输出信号正常，未受供电地信号的影响，其隔离性能满足发动机的使用要求。

2.2 响应时间测试

将传感器探头在室温下平衡10min，然后放入70℃的搅拌水槽中。用示波表（器）记录传感器的输出变化曲线，如图5所示，根据曲线计算出从开始变化至变化到50%时的响应时间为100ms，满足传感器测温要求。 图5 响应时间输出曲线 2.3 精度测试试验

在标准试验环境下，在量程内近似均匀选取一些实验点，根据K型热电偶分度表，用高精度电压信号发生器代替感温探头提供相应温度下的电压值，对传感器进行标定，根据温度检测的输入输出关系，使用最小二乘法拟合温度输出曲线，确定特征方程，其标定数据如表1所示，传感器特性方程为 Y=0.007191 x+0.4906。 表1 传感器常温标定数据

试验结果表明：传感器的性能指标全部满足要求，满量程为4.6V；非线性为；重复性为；迟滞为；精度为。 结束语

本文针对某型号发动机快速测温和信号隔离的要求，以A D 210隔离放大器为核心，结合热电偶测温法的特点，进行传感器感温探头设计和电路设计，研制出一种隔离式快速测温传感器，解决了传感器测点共地而不能正常工作的问题，确保了传感器测温功能正常高效运行，能够满足整体性能要求，达到了预定的设计效果。 参考文献

[1]谷春艳，李广才，一种测量用线性光隔离差动放大器的设计[J].电测与仪表，2004（8）：32-34.

[2]侯庆滨.线性隔离放大器ISO122的原理及应用[J].电测与仪表，2001（4）：54-55.

[3]AD210 Precision,Wide Bandwidth 3-Port Isolation

Amplifier[Z].ANALOGDRVICES notebook 10/2010.

[4]闫冬梅,宋爱娟等.智能便携式温度仪[J].仪器仪表学报,2003,24：121-123. [5]赵玉刚,邱东等.传感器基础[M].北京：北京大学出版社，2006.

[6]张雄飞等.热电偶冷端补偿器LT1025及其应用[J]，现代电子技术,2003（24）：10-14.