熱電偶隔離變換器的設計

李軒 張躍明

摘 要：本文設計了一種針對熱電偶信號的隔離變換器，該變換器通過對熱電偶信號進行放大、隔離、歸一化處理，能夠在隔離后真實反應原始熱電偶信號，有效地解決了在高溫條件下各類熱電偶因絕緣下降在而出現的干擾問題。

關鍵詞：熱電偶;模擬隔離;信號變換

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0062-03

0 引言

熱電偶測溫技術具有測溫范圍寬、結構簡單、熱電動勢大、穩定性好等優點，在工業上具有廣泛的應用。然而，灌封固定熱電偶偶絲的絕緣材料在400℃以上的高溫條件下絕緣電阻會急劇下降，地電位的變化將導致干擾從殼體經絕緣下降的絕緣材料引入到偶絲，至使測溫數據紊亂。在航空發動機試驗中，多支熱電偶傳感器因處于不同的地電位，或者多臺不同類型的儀器處于不同的地電位時，往往因地電位不一致而產生并回路相互干擾問題，導致測量數據跳動，影響測試結果。

解決熱電偶信號的干擾問題，除提高熱電偶高溫絕緣性外，一般采用信號隔離法。由于熱電偶本身的特性，其輸出范圍為mV級，要把mV級信號進行隔離，有一定的困難，主要表現在處理微小信號時，普通的隔離變換器有一定的死區，導致輸出信號的不連續。本文設計了一種熱電偶隔離變換器（以下簡稱變換器），能夠對熱電偶信號進行隔離的同時能夠1∶1輸出真實的熱電偶信號且冷端位置不變，能夠有效解決各類熱電偶測溫試驗中出現的干擾問題。

1 整體結構設計

針對熱電偶測量過程中需要對微小電壓信號進行隔離變換的需求，變換器（如圖1）整體結構設計如圖2。如圖2可知，變換器主要組成結構包括隔離電源、信號處理、模擬隔離、信號輸出幾個部分[1]。其中隔離電源分為信號隔離前以及隔離后電源，確保隔離前后器件的單獨供電;信號輸入部分將輸入的熱電偶信號進行濾波以及放大處理，濾除高頻干擾信號并使信號幅值能夠滿足模擬隔離信號幅值需求;模擬隔離部分將放大后的熱電偶信號進行模擬隔離，保證輸入輸出信號一致的前提下不共地;信號輸出部分將隔離后的信號進行歸一化處理，保證輸出信號與輸入信號一致，使變換器能夠真實反應熱電偶信號的真實值。

2 電路設計

2.1 電源電路設計

為實現對信號的隔離功能，需要對信號隔離前后電路分別使用相互隔離的兩組電源供電。變換器電源電路如圖3所示，使用的兩個MORNSUN公司的IA2415KS隔離電源模塊，能夠將輸入的24V電源分別轉換成兩路相互隔離的的±15V電源，分別為隔離前以及隔離后兩個部分電路供電。電路的輸入輸出部分均加入了電感以及電容對電源進行濾波，確保輸出電壓的穩定性。輸入部分的D1為保護二極管，當外部電源接反時能夠保護電源模塊的安全。

2.2 輸入電路設計

由于輸入的熱電偶信號為mV級信號[2]，而模擬隔離芯片的最佳隔離范圍為3～12V之間，因此需要將熱電偶信號進行放大后再進行隔離。變換器輸入電路如圖4所示，對信號進行濾波后使用儀器放大器INA128對熱電偶信號進行放大。通過對圖中RG電阻阻值的調整，能夠對熱電偶信號放大倍率的數值進行設定，確保放大后的信號范圍為3～12V。

2.3 模擬隔離電路設計

變換器模擬隔離電路如圖5所示，模擬隔離芯片選用的是ISO122P模擬隔離芯片，其最大非線性度為0.02%，溫漂僅為200uV/℃。該芯片能夠確保模擬信號在隔離后與原信號基本保持一致，在隔離的同時保證變換的精度。

2.4 輸出電路設計

經過放大后的隔離信號經電阻分壓縮小到原信號后再經過跟隨器輸出即可實現變換器1∶1輸出的功能。變換器輸出電路如圖6所示，其中電位器VR2用于調節輸出信號的零點，VR1用于調節輸出信號的縮小倍率。通過將VR1、VR2兩個電位器進行調節后即可確保在量程范圍內熱電偶信號1∶1輸出。

3 變換器校準

為驗證變換器的變換精度，按照目前最常用的K分度熱電偶的輸出電壓范圍對變換器進行了校準[3]，其中信號源使用DPI620提供標準電壓信號，輸出電壓使用34410數字多用表進行測試，其校準結果見表1。由表1可知，變換器其最大轉換誤差為0.016mV，對應溫度誤差為0.4℃，能夠滿足目前各類溫度測試精度要求。

4 應用舉例

某發動機試車臺在建臺過程中發現超溫報警表和數據采集系統在測量同一個熱電偶時相互之間產生干擾，報警表對數采系統產生了較大的影響，無法正常進行測量。按圖7所示的方式使用兩臺隔離變換器將兩個采集系統進行隔離后，報警表以及數采系統均能夠正常采集到該熱電偶的溫度值，有效的解決了不同測試系統之間因地電位不同而產生的相互干擾的問題。

5 結論

本文介紹的變換器能夠有效地解決多路測試設備測量同一路熱電偶過程中出現的的相互干擾問題，目前在我所多個發動機試車臺上已有了成功的應用，圓滿地完成了多次試驗任務，可以推廣應用到其他工業測試工程中。

參考文獻

[1] 康華光，陳大欽.電子技術基礎模擬部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] GB/T 16839.1-1997，熱電偶，第1部分：分度表[S].

[3] GJB 7396-2011，熱電偶溫度傳感器通用規范[S].