峰值采樣電路在渦輪葉片溫度檢測系統(tǒng)中的應用

1 引言

隨著航天航空、汽車制造業(yè)的發(fā)展，為提高發(fā)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(fā)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(tài)下工作，所以需要精確而快速地實時監(jiān)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(xiàn)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(zhuǎn)，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(nèi)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(jīng)過峰值后，Vi<Vo，此時V1為低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，此時VO不變，即峰值被保持。


實驗證明此電路應用于被測信號小于10 kHz的系統(tǒng)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，改用高速A/D轉(zhuǎn)換器又不經(jīng)濟：二是對于峰值時刻與控制脈沖跳變時刻的偏移無法調(diào)節(jié)。這種電路用于較低頻率(10 kHz以下)系統(tǒng)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?qū)щ娦院碗娙萜鞯拇鎯ψ饔脴?gòu)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(gòu)成，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、沒有二次擊穿現(xiàn)象、動態(tài)范圍大的特點。它將電壓輸入變?yōu)殡娏鬏敵?，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(nèi)變化，具有電流輸出范圍寬、轉(zhuǎn)換速率高等特點，且無需外接電流源提供靜態(tài)回路。利用高速比較器直接比較保持信號與輸入脈沖來產(chǎn)生峰值信號。

4 電路分析及討論

對于跨導運算放大器的輸出電流有：


式中，g為跨導，當在峰值電壓時，vi-vo。趨向于零，電流i也趨向于零，即在tL(回路時間，指信號從輸入到反饋回來的時間)的時間內(nèi)，電流i由最大向零變化。過沖也隨之變小。

同樣，計算該電路的頻率特性。

則系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

電路的轉(zhuǎn)折頻率為
此電路只有一個極點。

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(diào)試結(jié)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(zhuǎn)換速率高等特點，且無需外接電流源提供靜態(tài)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(jù)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(jié)束語

該峰值采樣電路線性較好，不會產(chǎn)生過沖，通過調(diào)節(jié)電容C1的值，可調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)簡單，易調(diào)試維護，可靠性和一致性較好。

編輯：博子