专利名称：一种航天用可编程热电偶温度变送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种航天用可编程热电偶温度变送器，属于机电一体化领域。
背景技术：
温度是航天运载及武器型号中的重要测量参数，热电偶是温度测量的主要原理之一，其中K型、E型、T型和钨铼型占热电偶产品的98%以上。单发运载及武器型号配套热电偶数量可达几十支，甚至接近百支，温度量程范围可达到数十种。随着航天运载及武器型号的高密度发射需求，热电偶温度变送器的配套数量急剧增长，对其提出了智能化、批量生产的要求。现有型号用热电偶温度变送器很难满足上述要求，主要表现在 I)现有产品的量程范围依靠内部电阻的阻值调节，同一系列产品的硬件不一致，生产效率较低，不适应批量生产；2)现有产品由于元器件的差异，需要硬件调试，调试过程繁琐；3)现有产品装配完成后，量程无法更改，智能化程度低。因此，急需一种智能化程度高、量程可调、免硬件调试、适宜批量生产的新型航天用热电偶温度变送器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种航天用可编程热电偶温度变送器，该变送器智能化程度高、量程可调、免硬件调试、适宜批量生产，适用于K型、E型、T型和钨铼型等热电偶。本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的一种航天用可编程热电偶温度变送器，包括可编程冷端补偿电路、可编程放大电路、运算放大电路、输出保护电路和电源电路，其中可编程放大电路在变送器装配完成后通过外部的测试编程工装调试电路的零位和放大倍数，将热电偶信号调整到O. 2V 4. 8V电压范围，并将电压信号输出给运算放大电路，在线编程调试合格后，将零位和放大倍数固定；可编程冷端补偿电路敏感热电偶冷端温度，对热电偶的冷端温度进行补偿，并将热电偶的冷端温度信号转化为电压信号输出给运算放大电路；在变送器装配完成后通过外部的测试编程工装调试电路的零位和放大倍数，在线编程调试合格后，将零位和放大倍数固定；运算放大电路将可编程放大电路和可编程冷端补偿电路输出的电压信号运算放大至O 5V，并输出给输出保护电路；输出保护电路将运算放大电路的输出电压限定在-O. 5V +6. 5V的范围内，在电路故障时，保护下一级系统不受损坏；电源电路为可编程冷端补偿电路、可编程放大电路和运算放大电路供电，并实现电源滤波、反接保护和瞬态冲击保护。在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，可编程放大电路包括可编程放大器芯片和C1-C6六个电容，其中可编程放大器芯片的第I引脚和第8引脚用于5V电源输入；第2引脚用于低通滤波；第3引脚可编程设定放大器的零位和放大倍数，零位可设置为20mv 5V，放大倍数可设置为70 1280倍；第4引脚和第5引脚分别接输入热电偶信号的负极和正极；第6引脚接5V用于钳位输出电压，使输出电压不高于5V，保护后一级电路；第7引脚为调理后的信号输出；C1、C2、C5和C6滤除电源纹波；C3与可编程放大器芯片的内部电阻构成低通滤波器，滤除信号干扰；C4滤除输入信号干扰。
在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，变送器完成装配后，通过外部的测试编程工装对可编程放大器芯片第3引脚进行编程，设定零位和放大倍数，将不同量程的热电偶信号调理到O. 2V 4. 8V，调试合格后，测试编程工装通过可编程放大器芯片第3引脚，编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定。在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，可编程冷端补偿电路由薄膜钼电阻元件、电阻电桥电路、可编程放大器芯片和C7-C11五个电容组成，其中电阻电桥电路由R1、R2、R3和薄膜钼电阻组成，薄膜钼电阻的阻值随冷端温度的变化而变化，电阻电桥将冷端温度信号转化为电压信号；可编程放大器芯片的第4引脚和第5引脚接电阻电桥；第7引脚为调理后的冷端补偿信号输出，所述冷端补偿信号输出至运算放大电路，并通过变送器的接插件引出，以测试冷端补偿精度；第I引脚和第8引脚用于5V电源输入；第2引脚用于低通滤波；第3引脚可编程设定放大器的零位和放大倍数，零位可设置为20mv 5V，放大倍数可设置为70 1280倍；第6引脚接5V用于钳位输出电压，使输出电压不高于5V，保护后一级电路；C7、CS、ClO和Cll滤除电源纹波；C9与可编程放大器芯片的内部电阻构成低通滤波器，滤除信号干扰。在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，变送器完成装配后，根据热电偶类型、可编程放大电路的增益和偏置电压，确定可编程冷端补偿电路的零位和放大倍数，通过测试编程工装对可编程放大器芯片第3引脚进行编程，设定零位和放大倍数，编程调试合格后，测试编程工装通过可编程放大器芯片第3引脚，编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定。在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，电源电路由限流电阻、防反接二极管、旁路电容、电压基准源构成，其中限流电阻防止后续电路短路造成电源短路；旁路电容用来抑制电源电路的干扰和瞬态冲击保护；防反接二极管避免电源反接对电路造成损坏；电压基准源为2. 5V基准源和5V基准源，为各模块电路提供高精度电源。在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，输出保护电路由两只二极管组成，将输出电压限定在-O. 5V +6. 5V的范围内。在上述航天用可编程热电偶温度变送器中，变送器的硬件结构由印制板、外壳、盖板、接插件组成，接插件为九个接点，接点分配为电源正，信号地，机械地，热电偶输入正端Vi+,热电偶输入负端Vi-，输出电压冷端补偿测试端VLD，可编程放大器芯片的程控数字输入端 DIGINl 和 DIGIN2。本发明与现有技术相比具有如下优点(I)本发明变送器由可编程冷端补偿电路、可编程放大电路、运算放大电路、输出保护电路和电源电路组成，其中可编程放大电路以可编程放大器芯片AD8556为核心，可编程冷端补偿电路由薄膜钼电阻元件PtlOO、电阻电桥电路和可编程放大器芯片AD8556组成，产品可靠性高，且适用于多种热电偶类型。(2)本发明测试编程工装通过产品的接插件接口，在线编程调试可编程放大电路和可编程冷端补偿电路的零位和放大倍数， 在线编程调试合格后，通过编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定，实现量程可调、免硬件调试、适宜批量生产的优点，并且调试过程简单；(3)本发明产品装配完成后，量程可更改，智能化程度高，免硬件调试，克服了现有产品装配完成后，量程无法更改，智能化程度低的缺点。(4)本发明电路源电路由限流电阻、防反接二极管、旁路电容、电压基准源构成，实现电源滤波、反接保护、瞬态冲击保护等功能；(5)本发明运算放大电路将可编程放大电路和可编程冷端补偿电路的输出信号运算放大至O 5V，输出保护电路将输出电压限定在-O. 5V +6. 5V的范围内，在电路故障时，保护下一级系统不受损坏；(6)本发明变送器的硬件结构由印制板、外壳、盖板和接插件组成，实现了硬件结构的小型化设计和硬件结构的一致性。
图I为本发明热电偶温度变送器的电路工作示意图；图2为本发明热电偶温度变送器的电源电路示意图；图3为本发明热电偶温度变送器的可编程放大电路原理图；图4为本发明热电偶温度变送器的可编程冷端补偿电路原理图；图5为本发明热电偶温度变送器的结构外形图；图6为本发明热电偶温度变送器的性能测试接线示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述如图I所示为本发明热电偶温度变送器的电路工作示意图，本发明热电偶温度变送器产品为单电源宽电压6 15V供电，输入为热电偶信号，输出电压范围O 5V。由图可知，热电偶温度变送器电路部分由电源电路、可编程放大电路、可编程冷端补偿电路、运算放大电路、输出保护电路组成。电源电路为可编程放大电路、可编程冷端补偿电路、运算放大电路供电，实现电源滤波、反接保护、瞬态冲击保护等功能；可编程放大电路将热电偶信号调整到O. 2V 4. 8V电压范围，将电压信号输出给运算放大电路；可编程冷端补偿电路能敏感热电偶冷端温度，对热电偶的冷端温度进行补偿，根据热电偶类型、可编程放大电路的增益和偏置电压，将冷端温度信号转化为合适的电压信号，将电压信号输出给运算放大电路；运算放大电路将可编程放大电路和可编程冷端补偿电路的输出信号运算放大至O 5V，该部分电路的运算放大器芯片具有高增益、低温漂的特点；输出保护电路由两只二极管组成，将输出电压限定在-O. 5V +6. 5V的范围内，在电路故障时，保护下一级系统不受损坏。
产品完成装配后，根据需求的温度量程范围，测试编程工装通过产品的接插件接口，在线编程调试可编程放大电路和可编程冷端补偿电路的零位和放大倍数。在线编程调试合格后，测试编程工装通过编程熔断电路中的可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定，实现热电偶信号的变送功能。如图2所示为本发明热电偶温度变送器的电源电路示意图，由图可知电源电路由限流电阻、防反接二极管、旁路电容、电压基准源构成。限流电阻防止后续电路短路造成电源短路；旁路电容用来抑制电源电路的干扰和瞬态冲击保护；防反接二极管能够避免电源反接对电路造成损坏；基准源为2. 5V基准源和5V基准源，为各模块电路提供高精度电源。如图3所示为本发明热电偶温度变送器的可编程放大电路原理图，由图可知可编程放大电路以可编程放大器芯片AD8556为核心，AD8556具有增益和失调电压可数字编程、共模抑制比高、抗干扰能力强的特点。该芯片的第I引脚和第8引脚用于5V电源输入；第2引脚用于低通滤波；第3引脚可编程设定放大器的零位和放大倍数，零位可设置为20mv 5V，放大倍数可设置为70 1280倍；第4引脚和第5引脚分别接输入热电偶信号的负极和正极；第6引脚接5V用于钳位输出电压,使输出电压不高于5V,用于保护后一级电路;第7引脚为调理后的信号输出。C1、C2、C5和C6滤除电源纹波。C3与可编程放大器芯片的内部电阻构成低通滤波器，滤除信号干扰。C4滤除输入信号干扰。产品完成装配后，该电路根据需求，通过测试编程工装对可编程放大器芯片第3引脚进行编程，设定零位和放大倍数，将不同量程的热电偶信号调理O. 2V 4. 8V范围。编程调试合格后，测试编程工装通过可编程放大器芯片第3引脚，编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定。如图4所示为本发明热电偶温度变送器的可编程冷端补偿电路原理图；由图可知可编程冷端补偿电路由薄膜钼电阻元件PtlOO、电阻电桥电路和可编程放大器芯片AD8556组成。R1、R2、R3和薄膜钼电阻组成电阻电桥，薄膜钼电阻的阻值随冷端温度的变化而变化，电阻电桥将冷端温度信号转化为电压信号。可编程放大器芯片的第4引脚和第5引脚接电阻电桥;第7引脚为调理后的冷端补偿信号输出，该信号不仅输出至下一级的运算放大电路，还通过变送器的接插件引出，以测试冷端补偿精度；第I引脚和第8引脚用于5V电源输入;第2引脚用于低通滤波;第3引脚可编程设定放大器的零位和放大倍数，零位可设置为20mv 5V，放大倍数可设置为70 1280倍；第6引脚接5V用于钳位输出电压，使输出电压不高于5V，保护后一级电路。C7、C8、C10和Cll滤除电源纹波。C9与可编程放大器芯片的内部电阻构成低通滤波器，滤除信号干扰。产品完成装配后，根据热电偶类型、可编程放大电路的增益和偏置电压，初步确定可编程冷端补偿电路的零位和放大倍数，通过测试编程工装对可编程放大器芯片第3引脚进行编程，设定零位和放大倍数，编程调试合格后，测试编程工装通过可编程放大器芯片第3引脚，编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定。如图5所示为本发明热电偶温度变送器的结构外形图，产品的结构由印制板、夕卜壳、盖板、接插件组成。产品的外壳和盖板为铝合金材料，有4个Φ4. 5的安装孔，产品用4个M4螺钉安装。接插件为电连接器J14T-9ZJB，该电连接器为防雨型9针结构，接点分配为电源正、信号地、机械地、热电偶输入正端Vi+、热电偶输入负端Vi-、输出电压V0、冷端补偿测试端VLD、可编程放大器芯片的程控数字输入端DIGINl和DIGIN2。、
对装配完成的热电偶温度变送器进行产品性能测试，包括非线性误差测试和冷端补偿精度测试。一、非线性误差测试如图6所示为本发明热电偶温度变送器的性能测试接线示意图，按图6所示将可编程热电偶温度变送器、直流稳压电源、数字电压表、电阻Rp和Rl等接入线路，把热电偶信
号的输入电压范围分为10等份；Vi(l、Vil.......Viltl，调节图中Rp的阻值，使可编程热电偶
温度变送器的输入电压为\0、Vil.......Vilo,测量对应的输出信号值Uo0、U01.......U0100根据测试数据求取最小二乘法线性度的拟合直线方程，即公式(I)，再将各输入值Vi代入公式1，就得到理论拟合直线的各点数值U0noUon = KXVin+Uo0(n = 1,2......10)(I)式中K—变送器的增益。依次算出输入输出校准值U。与理论值Uon的偏差Λ U0,取其最大偏差Λ Uomax,按公式⑵求出非线性误差8l。
权利要求
1.一种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于包括可编程冷端补偿电路、可编程放大电路、运算放大电路、输出保护电路和电源电路，其中 可编程放大电路在变送器装配完成后通过外部的测试编程エ装调试电路的零位和放大倍数，将热电偶信号调整到0. 2V 4. 8V电压范围，并将电压信号输出给运算放大电路，在线编程调试合格后，将零位和放大倍数固定； 可编程冷端补偿电路敏感热电偶冷 端温度，对热电偶的冷端温度进行补偿，并将热电偶的冷端温度信号转化为电压信号输出给运算放大电路；在变送器装配完成后通过外部的测试编程エ装调试电路的零位和放大倍数，在线编程调试合格后，将零位和放大倍数固定; 运算放大电路将可编程放大电路和可编程冷端补偿电路输出的电压信号运算放大至0 5V，并输出给输出保护电路； 输出保护电路将运算放大电路的输出电压限定在-0. 5V +6. 5V的范围内，在电路故障时，保护下ー级系统不受损坏； 电源电路为可编程冷端补偿电路、可编程放大电路和运算放大电路供电，并实现电源滤波、反接保护和瞬态冲击保护。
2.根据权利要求I所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述可编程放大电路包括可编程放大器芯片和C1-C6六个电容，其中可编程放大器芯片的第I引脚和第8引脚用于5V电源输入；第2引脚用于低通滤波;第3引脚可编程设定放大器的零位和放大倍数，零位可设置为20mv 5V，放大倍数可设置为70 1280倍；第4引脚和第5引脚分别接输入热电偶信号的负极和正扱；第6引脚接5V用于钳位输出电压，使输出电压不高于5V，保护后ー级电路；第7引脚为调理后的信号输出；C1、C2、C5和C6滤除电源纹波；C3与可编程放大器芯片的内部电阻构成低通滤波器，滤除信号干扰；C4滤除输入信号干扰。
3.根据权利要求2所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述变送器完成装配后，通过外部的测试编程エ装对可编程放大器芯片第3引脚进行编程，设定零位和放大倍数，将不同量程的热电偶信号调理到0. 2V 4. 8V，调试合格后，测试编程エ装通过可编程放大器芯片第3引脚，编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定。
4.根据权利要求I所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述可编程冷端补偿电路由薄膜钼电阻元件、电阻电桥电路、可编程放大器芯片和C7-C11五个电容组成，其中电阻电桥电路由Rl、R2、R3和薄膜钼电阻组成，薄膜钼电阻的阻值随冷端温度的变化而变化，电阻电桥将冷端温度信号转化为电压信号；可编程放大器芯片的第4引脚和第5引脚接电阻电桥；第7引脚为调理后的冷端补偿信号输出，所述冷端补偿信号输出至运算放大电路，并通过变送器的接插件引出，以测试冷端补偿精度；第I引脚和第8引脚用于5V电源输入；第2引脚用于低通滤波；第3引脚可编程设定放大器的零位和放大倍数，零位可设置为20mv 5V，放大倍数可设置为70 1280倍；第6引脚接5V用于钳位输出电压，使输出电压不高于5V，保护后ー级电路；C7、C8、ClO和Cll滤除电源纹波；C9与可编程放大器芯片的内部电阻构成低通滤波器，滤除信号干扰。
5.根据权利要求4所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述变送器完成装配后，根据热电偶类型、可编程放大电路的増益和偏置电压，确定可编程冷端补偿电路的零位和放大倍数，通过测试编程エ装对可编程放大器芯片第3引脚进行编程，设定零位和放大倍数，编程调试合格后，测试编程エ装通过可编程放大器芯片第3引脚，编程熔断可编程放大器芯片内部的多晶硅主熔丝，将零位和放大倍数固定。
6.根据权利要求I所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述电源电路由限流电阻、防反接ニ极管、旁路电容、电压基准源构成，其中限流电阻防止后续电路短路造成电源短路；旁路电容用来抑制电源电路的干扰和瞬态冲击保护；防反接ニ极管避免电源反接对电路造成损坏；电压基准源为2. 5V基准源和5V基准源，为各模块电路提供高精度电源。
7.根据权利要求I所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述输出保护电路由两只ニ极管组成，将输出电压限定在-0. 5V +6. 5V的范围内。
8.根据权利要求I所述的ー种航天用可编程热电偶温度变送器，其特征在于所述变送器的硬件结构由印制板、外壳、盖板、接插件组成，接插件为九个接点，接点分配为电源正，信号地，机械地，热电偶输入正端Vi+，热电偶输入负端Vi-，输出电压VO，冷端补偿测试端VLD，可编程放大器芯片的程控数字输入端DIGINl和DIGIN2。
全文摘要
本发明涉及一种航天用可编程热电偶温度变送器，电路部分由电源电路、可编程放大电路、可编程冷端补偿电路、运算放大电路、输出保护电路组成，电源电路实现电源滤波、反接保护、瞬态冲击保护等功能；可编程放大电路将热电偶信号调整到合适的电压范围；可编程冷端补偿电路能敏感热电偶冷端温度，将冷端温度信号转化为电压信号，对热电偶的冷端温度进行补偿；运算放大电路将可编程放大电路和可编程冷端补偿电路的输出信号运算放大至0～5V；输出保护电路将输出电压限定在-0.5V～+6.5V的范围内，在电路故障时，保护下一级系统不受损坏，该变送器智能化程度高、量程可调、免硬件调试、适宜批量生产，适用于K型、E型、T型和钨铼型等热电偶。
文档编号G01K7/02GK102735362SQ201210219129
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者刘希宝, 杨显涛, 王丽萍, 郑帮林, 陈青松 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司