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峰值采樣電路在渦輪葉片溫度檢測系統中的應用

發布時間:2010-8-18 11:01    發布者:lavida
1 引言  

隨著航天航空、汽車制造業的發展,為提高發動機的功率和推力,需要盡可能提高渦輪入口溫度,進而關系到渦輪葉片工作時的表面溫度。目前國外新型的航空燃氣渦輪發動機渦輪前的溫度已達到1 811~2 144 K,熾熱的燃氣直接與渦輪葉片接觸,渦輪葉片需承受很高的熱負荷,然而,渦輪人口溫度受葉片材料限制,金屬材料的強度隨溫度的升高而降低,因此不允許渦輪葉片在超溫狀態下工作,所以需要精確而快速地實時監測渦輪葉片溫度。  

2 峰值采樣電路原理  

渦輪葉片的溫度場表現為沿葉片弦向中間高、兩邊低的曲線形式,如圖1所示。  


  
渦輪葉片高速旋轉,可將其弦向溫度曲線近似看作正弦曲線。為準確找出每個葉片溫度的最大值,可僅在溫度信號到達峰值的瞬間對其采樣,得到溫度最大值,這種方法稱為峰值采樣。因為在一個周期內只采樣一次(在峰值點),并直接得到溫度最大值,無需復雜運算,所以峰值采樣速度較快。  

3 峰值采樣電路設計  

峰值采樣電路通常由采樣/保持器和比較器組成。如圖2所示。LF398是采樣/保持器,CMP是比較器,CAP是保持電容。當Vi>Vo時,V1為高電平,并控制LF398采樣;當經過峰值后,Vi


  
實驗證明此電路應用于被測信號小于10 kHz的系統效果較好,由于被測溫度信號在30 kHz以上。頻率較高。該峰值采樣電路已不再適用,主要原因一是其保持時間太短,要求A/D轉換器轉換速度快,改用高速A/D轉換器又不經濟:二是對于峰值時刻與控制脈沖跳變時刻的偏移無法調節。這種電路用于較低頻率(10 kHz以下)系統效果較好,但隨著頻率的升高,偏移就越大。  

基于以上原因,對該電路進行改進,給出一種由集成和分立元件組合的跨導型峰值采樣電路,如圖3所示。  


  
圖3中,G是跨導運算放大器,B是跟隨器,CAP是保持電容。峰值采樣利用二極管的單向導電性和電容器的存儲作用構成的,當脈沖信號到來時,如果模擬輸入信號的幅度Vi大于A2的輸出幅度,則A1輸出高電平,并通過二極管對電容器CAP充電。只有當A2的輸出上升到和模擬輸入值相等時,A1的輸出為低電平,則CAP才停止通電。這時電容CAP將保持輸入電壓值。  

針對電壓型峰值采樣電路的缺點,提出由跨導運算放大器代替電壓型中的一般運算放大器。  

跨導運算放大器又稱“OTA”。由場效應管構成,具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、沒有二次擊穿現象、動態范圍大的特點。它將電壓輸入變為電流輸出,并通過外加偏壓控制運算放大器的工作電流。使其輸出電流在較大的范圍內變化,具有電流輸出范圍寬、轉換速率高等特點,且無需外接電流源提供靜態回路。利用高速比較器直接比較保持信號與輸入脈沖來產生峰值信號。  

4 電路分析及討論  


  
由以上計算可知,跨導型峰值采樣解決了電壓型峰值采樣的兩個缺點,如圖4所示,提高了峰值采樣的性能。實際電路的調試結果也證明了這一點。CA3080是一種單片集成跨導運算放大器,具有電流輸出范圍寬、轉換速率高等特點,且無需外接電流源提供靜態回路。  


  
具體電路如圖5所示。圖5電路中需注意C1值的選擇,根據不同的通頻帶上限頻率f所用的C1值是不同的。選擇方法如下:  




  
對于跨導運算放大器CA3080,其輸出最大電流時典型正向跨導為g=10 ms,在理想情況下,該電路的通頻帶極寬,主要原因在于OTA的輸出阻抗極大(約107Ω),可近似認為其輸出電流與負載無關。  

5 結束語  

該峰值采樣電路線性較好,不會產生過沖,通過調節電容C1的值,可調節帶寬。電路中的跟隨器LM358N輸入阻抗大,輸出阻抗小,起到阻抗匹配的作用。而且無需增設溫度補償特性電路,使電路結構簡單,易調試維護,可靠性和一致性較好。
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