CN101093177A - 热电偶温度采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种热电偶温度采集系统，用于测量待测物体的温度。该系统包括计算机，数据采集板及热电偶。数据采集板包括：温度传感集成电路，用于计算热电偶冷结点的温度；模拟数字转换装置，用于将电压由模拟信号转换为数字信号，并测量该电压值，以及计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及冷结点的温度偏移量；单片机，用于根据校正系数与偏移量对所述电压值进行误差校正，以及利用温度偏移量对冷结点的温度值进行校正；所述计算机包括：数据采集装置，用于将电压值进行冷结点补偿，并转化为待测物体的温度值。本发明还提供一种热电偶温度采集方法。本发明对通道及冷结点的温度值进行了校正，提高了热电偶的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度测量的系统及方法，尤其是一种利用热电偶进行温度采集的系统及方法。
背景技术
温度是最重要的过程参数之一。据不完全统计，它大约平均占热工参数测量的60％左右。温度检测精度对过程控制的质量有重要的影响。计算机技术促使研究和生产过程监控与自动化技术迅速发展，从而提高了对过程参量检测和检测精度的要求。
目前，最广泛使用的温度检测元件是热电偶。热电偶制作简单并且价格便宜，其可测量的温度范围也很大。热电偶的工作原理是将两种不同的金属导体在一端相互焊接，形成热电偶的测量端(也称工作端)，将它插入待测物体温度的介质中；而热电偶的另一端(参比端或自由端)则与一个测量温度的显示仪表或者装有数据采集装置的计算机相连。由于不同金属导体的热膨胀系数不一样，受热后会产生一定的电动势，称为赛贝克(seebeck)电压，该电压通过显示仪表或者装有数据采集装置的计算机利用电压-温度对照表，或者根据电压-温度的关系公式将电压值转化为温度值显示出来。
以往，在利用热电偶进行温度测量时，由于温度、湿度以及一些结点等原因，导致测量出的温度值不够精确，存在一定的误差。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种热电偶温度采集系统，其能够对通道及热电偶冷结点温度进行误差校正，提高热电偶的测量精度。
鉴于以上内容，还有必要提供一种热电偶温度采集方法，其能够对通道及热电偶冷结点温度进行误差校正，提高热电偶的测量精度。
一种热电偶温度采集系统，用于测量待测物体的温度。该系统包括计算机，数据采集板及热电偶，该计算机与数据采集板相连接。其中，所述数据采集板包括：温度传感集成电路，用于计算热电偶冷结点的温度值；模拟数字转换装置，用于将热电偶测量待测物体所产生的电压由模拟信号转换为数字信号，并测量该电压的电压值，以及计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及热电偶冷结点的温度偏移量；单片机，用于根据所述模拟数字转换通道的校正系数与偏移量对所述电压值进行误差校正，以及利用所述热电偶冷结点的温度偏移量对冷结点的温度值进行校正；所述计算机包括：数据采集装置，用于将所述校正后的电压值进行冷结点补偿，并转化为待测物体的温度值。
一种热电偶温度采集方法，利用计算机，数据采集板及热电偶测量待测物体的温度。该方法包括以下步骤：计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及热电偶冷结点的温度偏移量；测量由热电偶测量待测物体产生的电压的电压值；利用所述模拟数字转换通道的校正系数与偏移量对上述电压值进行误差校正；将校正后的电压值进行冷结点补偿；将补偿后的电压值转化为待测物体的温度值。
相较于现有技术，所述的温度采集系统及方法对模拟数字转换通道进行了校正，并且对热电偶冷结点的温度进行了偏移量的补偿，提高了热电偶测量的精度。
附图说明
图1是热电偶测量蜡烛火焰温度的示意图。
图2是本发明热电偶温度采集系统较佳实施例的系统架构图。
图3是计算AD通道的校正系数与偏移量的流程图。
图4是计算热电偶冷结点的温度偏移量的流程图。
图5是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中测量热电偶冷结点的温度的示意图。
图6是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中计算冷结点温度的流程图。
图7是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中对AD装置测量的电压值进行校正的流程图。
图8是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中计算待测物体温度值的流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，现将有关术语解释如下：
冷结点与冷结点补偿：在利用热电偶进行温度测量的时候，仅仅将热电偶与电压表或者其它的测量系统相连接是不可以的，因为当将热电偶的金属丝连接到电压表或者测量系统的同时会产生一些额外的电压。参见图1所示，是利用一个热电偶测量一个蜡烛火焰温度的示意图。该图中的热电偶由金属丝铜(Cu)与钴(Co)在一端焊接而成，两根金属丝的另一端分别连接一个电压表的两根铜丝。图中的热电偶共形成两个结点J1与J2，并且两个结点J1与J2都是由两根不同的金属丝铜与钴连接而成。其中，J1是热电偶结点，产生一个由蜡烛火焰温度而产生的赛贝克电压，J2是一个寄生的热电偶结点，它也会产生一个由电压表的环境温度而产生的电压。电压表测量的电压值Vmeas其实是VJ1与VJ2的代数和，因此为了计算J1结点产生的电压值，就必须知道J2结点的电压值。以往，解决该问题的方法是将J2结点处于0℃的冰水混合物中，因此称J2为冷结点，则VJ2＝0，因此Vmeas＝VJ1。然而，在实际应用中，获得一个0℃的参考温度不太现实，如果冷结点温度不是0℃，那么，为了确定实际热电偶结点(简称热结点)J1的温度，就必须已知冷结点J2的温度。考虑到非零冷结点温度的电压，必须对热电偶输出电压进行补偿，即所谓的冷结点补偿。
参阅图2所示，是本发明热电偶温度采集系统较佳实施例的系统架构图。该热电偶温度采集系统包括热电偶1，数据采集板(dataacquisition board，简称为DAQ板)2，通用串行总线(Universal SerialBus，简称USB)端口转换装置3，及计算机4。
热电偶1是由两种不同的金属导体在一端相互焊接而成，在本较佳实施例中，两种金属分别为铜与钴。
DAQ板2内装配有滤波处理器20，温度传感集成电路21，模拟数字转换(analog to digital convertor，简称AD)装置22，及单片机23。其中，滤波处理器20连接两根铜线，分别与热电偶1的铜线与钴线相连接。
滤波处理器20用于过滤热电偶1产生的赛贝克电压的模拟信号，其可以有效的去除干扰，增强系统的抗干扰能力，使该电压的模拟信号经过滤波处理器20变得平稳一些。温度传感集成电路21用于计算热电偶冷结点的温度值。
AD装置22用于将赛贝克电压值由模拟信号转换为数字信号，该数字信号通常以二进制表示；并且该AD装置22也具有一个电压表的功能，通过控制可以直接测量连接在该AD装置22上的电路的电压值，例如，可以测量温度传感集成电路中的电压值。该AD装置22包括：接收模块220，用于在进行系数校正时，接受用户输入的校正参数。例如，在对AD装置22中的通道(简称AD通道)进行校正的时候，接收用户从一个温度校正仪输入的电压值。其中所述的通道是指数据传输的电路，该AD装置22中可以有多个并行通道，可以在同一时间同时测量各自连接的热电偶产生的赛贝克电压值。读取模块221，用于读取连接AD装置22的电路上的电压值；萃取模块222，用于计算出AD通道的校正系数与偏移量及热电偶冷结点的温度偏移量等。
单片机23包括存储模块230，校正模块231及发送模块232。其中，存储模块230用于存储萃取模块222计算出的校正系数与偏移量，包括AD通道的校正系数与偏移量，以及热电偶冷结点的温度偏移量等。校正模块231用于根据校正系数与偏移量对相关的参数进行校正。例如，利用AD通道的校正系数与偏移量校正由AD装置22测量出的赛贝克电压值，及利用热电偶冷结点的温度偏移量校正冷结点的温度误差等。发送模块232用于将校正模块231校正后的数据传送给计算机4。
USB端口转换装置3用于将单片机23的串行接口转换为USB端口与计算机4相连，将计算机4的电源供应通过此USB端口转换装置3传递给整个热电偶温度采集系统，以及将DAQ板2产生及处理过的数据传送给计算机4。
计算机4包括数据采集装置40及一个显示装置(未图示)。数据采集装置40又包括处理模块400及转换模块401。其中，处理模块400用于将发送模块232传送过来的数据进行进一步的处理，如将发送模块232传送过来的二进制的电压值转化为十进制的电压值，以及对该电压值进行冷结点补偿。转换模块401用于将补偿后的电压值通过电压-温度的关系式转换为被测物体的温度值，并通过显示装置显示出来。
参阅图3所示，是计算AD通道的校正系数与偏移量的流程图。由于AD装置22测量的电压值可能因为某些因素，例如，温度、湿度以及电路板上的一些结点等，导致误差的存在，为了使最终测得的被测物体的温度值更加准确，需要AD通道进行误差校正。
该校正的方法包括如下步骤：首先，步骤S300，接收模块220接收用户从连接到AD装置22上的一个电压输入装置输入的一个电压值a1。步骤S301，读取模块221读取AD装置22测量到的一个电压值b1。步骤S302，接收模块220接收用户从连接到AD装置22上的电压输入装置输入的另一个电压值a2。步骤S303，读取模块221读取AD装置22测量到的另一个电压值b2。步骤S304，萃取模块222根据上述接收及读取的电压值计算出该AD通道的校正系数及偏移量。该计算的公式是由b1x+y＝a1与b2x+y＝a2组成的一个二元一次方程组，计算出x与y的值。其中，x表示校正系数(coefficient)，y表示偏移量(offset)。步骤S305，存储模块230存储该校正系数及偏移量，以便后续对AD装置22的测量的电压值进行校正。
参阅图4所示，是计算热电偶冷结点的温度偏移量的流程图。在测量冷结点J2的温度时，由于温度传感集成电路21本身可能存在的误差可能导致测量的冷结点的温度有所偏差，因此要对其进行校正，求出温度偏移量。
该校正的方法包括如下步骤：步骤S400，AD装置22中的接收模块220接收用户利用一个精度较高的温度计测量的冷结点J2的一个环境温度值Tenv。步骤S401，读取模块221读取AD装置22测量的冷结点J2的一个温度值TJ2。
其中，AD装置22测量冷结点J2的温度值TJ2的示意图参阅图5所示，其中，J1为热结点，J2是冷结点，L为一条等温线，在该等温线上的每一个点的温度都是相同的。J2与a点处于同一条等温线上，因此J2点与a点温度相同。在测量a点温度的时候，首先，给该温度传感集成电路21一个工作电压，本较佳实施例中，该工作电压为+5V；AD装置22测量出电阻r两端的电压值Vr；因为电阻r的阻值为已知，设为R；则通过电阻r的电流可以根据公式I＝Vr/R，求出电流I；最后利用电流与温度之间的关系式求出AD装置22测量的a点，即冷结点J2的一个温度值TJ2。
步骤S402，萃取模块222计算出冷结点J2的温度偏移量，利用Tenv与TJ2进行代数运算，即温度偏移量δ＝Tenv-TJ2。步骤S403，单片机23中的存储模块230将该温度偏移量δ存储到起来，以便后续对测量的冷结点J2的温度值进行校正。
参阅图6所示，是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中计算热电偶冷结点温度的流程图。首先，步骤S600，读取模块221读取AD装置22测量的冷结点的温度值t。步骤S601，校正模块231取出存储在存储模块230中的温度偏移量δ，并对温度值t进行校正，校正的公式为：T＝t+δ。步骤S602，发送模块232将校正后的冷结点的温度值T传送给计算机4。
参阅图7所示，是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中对AD装置22测量的电压值进行校正的流程图。
该测量及校正的方法包括如下步骤：首先，步骤S700，读取模块221读取AD装置22测量的电压值Vmeas。步骤S701，校正模块231取出存储在存储模块230中的AD通道的校正系数x及偏移量y。步骤S702，校正模块231对AD装置22测量的电压值Vmeas进行校正。校正的方法为：V＝xVmeas+y。步骤S703，发送模块232将校正后的电压值V传送给计算机4，其中该电压值V为一个二进制数据。
参阅图8所示，是本发明计算待测物体温度的流程图。该方法包括如下步骤：首先，步骤S800，处理模块400将二进制表示的电压值V转换为一个十进制表示的电压值V。步骤S801，转换模块401将校正后的冷结点的温度值T转换为电压值V1。步骤S802，对十进制的电压值V进行冷结点补偿，即得出热电偶1测量待测物体而产生的赛贝克电压值：V’＝V-V1。步骤S803，转换模块401利用温度-电压之间的关系式将V’转换为待测物体的温度值T’，并通过显示装置显示出来。
Claims (10)
1.一种热电偶温度采集系统，用于测量待测物体的温度，包括计算机，数据采集板及热电偶，该计算机与数据采集板相连接，其特征在于：
该数据采集板包括：
温度传感集成电路，用于计算热电偶冷结点的温度值；
模拟数字转换装置，用于将热电偶测量待测物体所产生的电压由模拟信号转换为数字信号，并测量该电压的电压值，以及计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及热电偶冷结点的温度偏移量；
单片机，用于根据所述模拟数字转换通道的校正系数与偏移量对所述电压值进行误差校正，以及利用所述热电偶冷结点的温度偏移量对冷结点的温度值进行校正；
该计算机包括：
数据采集装置，用于将所述校正后的电压值进行冷结点补偿，并转化为待测物体的温度值。
2.如权利要求1所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述的数据采集板还包括滤波处理器，用于过滤热电偶测量待测物体产生的模拟电压信号。
3.如权利要求1所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述的模拟数字转换装置包括：
接收模块，用于接收用户输入的校正参数；
读取模块，用于读取连接到模拟数字转换装置中的电路的电压值；
萃取模块，用于计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及热电偶冷结点的温度偏移量。
4.如权利要求1所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述的单片机包括：
存储模块，用于存储所述模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及热电偶冷结点的温度偏移量；
校正模块，用于根据所述模拟数字转换通道的校正系数与偏移量对所述电压值进行误差校正，以及利用所述热电偶冷结点的温度偏移量对冷结点的温度值进行校正。
5.如权利要求1所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述的数据采集装置包括：
处理模块，用于将误差校正后的电压值由二进制转化为十进制，并且对该电压值进行冷结点补偿；
转换模块，用于将误差校正后的冷结点温度值转化为电压值，以及将经过冷结点补偿的电压值转化为待测物体的温度值。
6.如权利要求1所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述的模拟数字转换通道是指模拟数字转换装置中用于数据传输的电路。
7.一种热电偶温度采集方法，利用计算机，数据采集板及热电偶测量待测物体的温度，其特征在于，该方法包括以下步骤：
计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量以及热电偶冷结点的温度偏移量；
测量由热电偶测量待测物体产生的电压的电压值；
利用所述模拟数字转换通道的校正系数与偏移量对上述电压值进行误差校正；
将校正后的电压值进行冷结点补偿；
将补偿后的电压值转化为待测物体的温度值。
8.如权利要求7所述的热电偶温度采集方法，其特征在于，所述的计算模拟数字转换通道的校正系数与偏移量的步骤包括：
接收用户输入的电压值a1；
读取模拟数字转换装置测量到的一个电压值b1；
接收用户输入的另一个电压值a2；
读取模拟数字转换装置测量到的另一个电压值b2；
根据上述四个电压值，计算出模拟数字转换通道的校正系数与偏移量。
9.如权利要求7所述的热电偶温度采集方法，其特征在于，所述的计算热电偶冷结点的温度偏移量的步骤包括：
接收输入的热电偶的冷结点的环境温度值T；
读取模拟数字转换装置测量到的冷结点的温度值t；
将T与t进行代数运算，计算出冷结点温度的温度偏移量。
10.如权利要求7所述的热电偶温度采集方法，其特征在于，所述的将电压值进行冷结点补偿的步骤包括：
测量热电偶冷结点的温度值；
根据冷结点的温度偏移量对上述温度值进行校正；
将校正后的温度值转化为电压值；
将上述电压值与热电偶产生的电压值进行代数运算，得出冷结点补偿后的电压值。
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