CN101539461A - 多通道热电偶温度采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道热电偶温度采集方法，包括：热电偶测量至少两个待测物体的模拟电压值；提供一块热等温块于电路板上，使得热电偶测量所述至少两个待测物体的冷接点达到等温；补偿感温器测量热电偶的冷接点的电压值，该电压值为模拟电压值；所述模拟数字转换装置将所述模拟电压值转换为数字电压值，并对转换后的数字电压值进行校正；所述数据处理器将所述冷接点的数字电压值转换为冷接点温度值，计算冷接点温度值的偏移量，并对所述冷接点温度值进行补偿；及所述计算机对上述校正后的每个待测物体的数字电压值进行冷接点补偿；将每个补偿后的待测物体的数字电压值转换为待测物体的实际温度值。本发明还提供一种多通道热电偶温度采集系统。

Description

多通道热电偶温度采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多通道热电偶温度采集系统及方法。

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，在利用热电偶进行测量多个物体时，由于热电偶各个冷接点温度不同，冷接点补偿的技术不够精确，直接导致测量出的温度值不够准确，存在一定的误差。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种多通道热电偶温度采集系统，可以有效的对多通道热电偶温度采集器的冷接点进行补偿，使得测量的待测物体的实际温度值更加精确。

鉴于以上内容，还有必要提供一种多通道热电偶温度采集方法，可以有效的对多通道热电偶温度采集器的冷接点进行补偿，使得测量的待测物体的实际温度值更加精确。

本发明较佳实施例提供一种多通道热电偶温度采集系统，包括依次连接的热电偶、电路板、模拟数字转换装置、数据处理器及计算机，所述电路板上焊接有一个补偿感温器，所述热电偶用于采集至少两个待测物体的模拟电压值；所述电路板上包括一块热等温块，用于使得热电偶测量所述至少两个待测物体的冷接点达到等温，由温度-电压转换公式可得所述冷接点的电压值相同；所述补偿感温器，用于测量冷接点的电压值，该电压值为模拟电压值；所述模拟数字转换装置，用于将所述至少两个待测物体的模拟电压值以及所述冷接点的模拟电压值转换为数字电压值，并对转换后的待测物体的数字电压值及冷接点的数字电压值进行校正；所述数据处理器，用于根据电压-温度转换公式将所述冷接点的数字电压值转换为冷接点温度值，计算冷接点温度值的偏移量，并根据所述偏移量对所述冷接点温度值进行补偿；及所述计算机，用于根据上述补偿后的冷接点温度值对上述校正后的每个待测物体的数字电压值进行冷接点补偿，并将每个补偿后的待测物体的数字电压值转换为待测物体的实际温度值。

本发明较佳实施例提供一种多通道热电偶温度采集方法，利用依次连接的热电偶、电路板、模拟数字转换装置、数据处理器及计算机采集待测物体的实际温度，所述电路板上焊接有一个补偿感温器，该方法包括步骤：热电偶测量至少两个待测物体的模拟电压值；提供一块热等温块于电路板上，使得热电偶测量所述至少两个待测物体的冷接点达到等温，由温度电压转换公式可得所述冷接点的电压值相同；补偿感温器测量热电偶的冷接点的电压值，该电压值为模拟电压值；所述模拟数字转换装置将所述至少两个待测物体的模拟电压值以及所述冷接点的模拟电压值转换为数字电压值，并对转换后的待测物体的数字电压值及冷接点的数字电压值进行校正；所述数据处理器根据电压-温度转换公式将所述冷接点的数字电压值转换为冷接点温度值，计算冷接点温度值的偏移量，并根据所述偏移量对所述冷接点温度值进行补偿；及所述计算机根据上述补偿后的冷接点温度值对上述校正后的每个待测物体的数字电压值进行冷接点补偿；及将每个补偿后的待测物体的数字电压值转换为待测物体的实际温度值。

相较于现有技术，所述的多通道热电偶温度采集系统及方法，能够使得热电偶测量多个待测物体时，热电偶的所有冷接点达到等温，可以对多通道热电偶温度采集器的冷接点进行有效的补偿，使得测量的待测物体的实际温度值更加精确。

附图说明

图1是热电偶测量蜡烛火焰温度的示意图。

图2是本发明多通道热电偶温度采集系统较佳实施例的系统架构图。

图3是本发明多通道热电偶温度采集方法较佳实施例的流程图。

图4是本发明多通道热电偶温度采集方法较佳实施例中AD装置计算AD通道的校正系数的具体流程图。

图5是本发明多通道热电偶温度采集方法较佳实施例中AD装置对AD通道所采集的电压值进行校正的具体流程图。

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：

冷接点与冷接点补偿：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接点J1与J2，并且两个接点J1与J2都是由两根不同的金属丝铜与钴连接而成。其中，J1是热电偶接点，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接点，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V_J1与V_J2的代数和，因此为了计算J1接点产生的电压值，就必须要知道J2接点的电压值。以往，解决该问题的方法是将J2接点放置于0℃的冰水混合物中，因此称J2为冷接点，则V_J2＝0，因此Vmeas＝V_J1。然而，在实际应用中，获得一个0℃的参考温度不太现实，如果冷接点温度不是0℃，那么，为了确定实际热电偶接点(简称热接点)J1的温度，就必须已知冷接点J2的温度。考虑到非零冷接点温度的电压，必须对热电偶输出电压进行补偿，即所谓的冷接点补偿。

参阅图2所示，是本发明多通道热电偶温度采集系统较佳实施例的系统架构图。其包括：热电偶(图中未示出)，电路板1，模拟数字转换(analog to digital convertor，简称AD)装置2，数据处理器3，通讯端口4及计算机5。

所述热电偶具有多个通道，每个通道都可测量一个待测物体的温度，每个通道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，两种金属分别为铜和镍。

本系统还包括一个接线盒(图中未示出)，该接线盒内有一个电路板1，所述热电偶连接于该电路板1。该电路板1在本实施例中是铜制的，热电偶的镍线与铜电路板1的接头处即产生冷接点22，该接头处称为热偶接头。所述接线盒内还包括一个热等温块20，该热等温块20与所述热偶接头上的冷接点22之间的距离较近，该距离可使得该热等温块20的温度与冷接点的温度接近，于本较佳实施例中，该热等温块20与所述冷接点22之间距离约为0.5mm。该热等温块20是块镀了锡的铜箔，使得20个热偶接头的冷接点达到均温，根据温度与电压之间转换公式，可知所述20个冷接点22的电压相等。所述电路板1上焊接有一个补偿感温器21，该补偿感温器21用于测量所述20个冷接点22的电压值，该电压值为模拟电压值。

该电路板1上还有一个接口(图中未示出)，该接口用于连接AD装置2的多个AD通道(图中未示出)，每个AD通道都可采集一个模拟电压值。本实施例中，以只采集一个待测物体的温度为例进行说明本发明，故本实施例中需要至少两个AD通道，其中一个AD通道用于采集热电偶所测量的待测物体的模拟电压值，另一个AD通道用于采集补偿感温器21所测的冷接点的模拟电压值。所述AD装置2用于将上述AD通道所采集的待测物体的模拟电压值以及冷接点的模拟电压值分别转换为数字电压值，所述数字电压值通常以二进制表示。该AD装置2还用于分别计算用于采集待测物体的模拟电压值的AD通道的校正系数与用于采集冷接点模拟电压值的AD通道的校正系数，用户通过计算机5发送命令控制该AD装置2利用校正系数校正所述转换后的待测物体的数字电压值以及冷接点的数字电压值。该AD装置2将所述待测物体的数字电压值通过数据处理器3和通讯端口4传送给计算机5。

所述AD转换装置2连接有一个数据处理器3，该数据处理器3用于接收AD装置2所校正的冷接点的数字电压值，并计算出该数字电压值所对应的冷接点温度值及计算出该冷接点温度值的偏移量，根据该偏移量补偿所述冷接点温度值，并将该补偿后的冷接点的温度值通过通讯端口4传送给计算机5。所述通讯端口4可以为通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)端口及以太网接口等。

所述计算机5包括控制模块50，数据接收模块51及计算模块52。所述控制模块50向数据处理器3和AD装置2发送命令，用于控制AD装置2校正所述数字电压值，并控制数据处理器3补偿所述冷接点温度值。数据接收模块51用于接收所述校正后的待测物体的数字电压值，并接收所述补偿后的冷接点温度值。计算模块52用于将所述校正后的待测物体的数字电压值转换为十进制电压值V，并将所述补偿后的冷接点温度值根据温度-电压之间的关系式转换为电压值V1，计算热电偶所采集的待测物体而产生的塞贝克电压值：V0＝V-V1，利用温度-电压之间的关系式将V0转换为待测物体的实际温度值T。

如图3所示，是本发明多通道热电偶温度采集方法较佳实施例的流程图。

步骤S300，首先，热电偶测量待测物体的模拟电压值，该热电偶具有多个通道，每个通道都可测量一个待测物体的温度，每个通道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，两种金属分别为铜和镍。。

步骤S301，提供一个热等温块20，该热等温块20与所述热偶接头上的冷接点22之间的距离较近，该距离可使得该热等温块20的温度与冷接点的温度接近，于本较佳实施例中，该热等温块20与所述冷接点22之间距离约为0.5mm。该热等温块20是块镀了锡的铜箔，使得20个热偶接头的冷接点达到均温，由于温度与电压值之间的关系可知，所述20个冷接点的电压值相同。

步骤S302，补偿感温器21测量所述冷接点的电压值，该电压值为模拟电压值。

步骤S303，AD装置2上的一个AD通道采集热电偶所测量的待测物体的模拟电压值，另一个AD通道采集补偿感温器21所测量的冷接点的模拟电压值，AD装置2将所述待测物体的模拟电压值和冷接点的模拟电压值分别转换为数字电压值。

步骤S304，控制模块50发送命令给AD装置2，使得AD装置2计算出采集待测物体的电压值的AD通道的校正系数，并计算出采集冷接点的电压值的AD通道的校正系数，利用所述校正系数分别对所述待测物体的数字电压值以及冷接点的数字电压值进行校正，并将待测物体校正后的数字电压值通过数据处理器3和通讯端口4传送给计算机5。

步骤S305，数据处理器3接收AD装置2所校正的冷接点的数字电压值，并计算出该冷接点数字电压值所对应的冷接点温度值t及计算出该冷接点温度值的偏移量δ，根据该偏移量δ补偿所述冷接点温度值t，补偿公式为：T＝t+δ，并将该补偿后的冷接点的温度值T通过通讯端口4传送给计算机5。

步骤S306，数据接收模块51接收待测物体校正后的数字电压值和补偿后的冷接点的温度值T。

步骤S307，计算模块52将所述待测物体校正后的数字电压值转换为十进制电压值V，并将所述补偿后的冷接点温度值T根据温度-电压之间的关系式转换为电压值V1，计算热电偶所采集的待测物体而产生的塞贝克电压值：V0＝V-V1，利用温度-电压之间的关系式将V0转换为待测物体的实际温度值T。

如图4所示，是图3中步骤S304中AD装置2计算AD通道的校正系数的具体流程图。由于AD通道所采集的电压值可能因为某些因素，例如：放大倍数、有无缓冲器设置、前端电路、温度以及湿度等影响，导致误差的存在，为了使最终测得的待测物体的实际温度值更加准确，需要对AD通道进行误差校正。

需要指出的是，采集待测物体的模拟电压值的AD通道与采集冷接点模拟电压值的AD通道的原理相同，故本流程图对两个AD通道校正系数的计算均有效。校正系数具体计算步骤如下：步骤S400，所述AD装置2接收用户从连接到AD装置2上的一温度校正仪(图中未示出)输入的标准电压值a1，其中，a1＝0.000毫伏。步骤S401，接收AD通道所采集的一个模拟电压值，并将该模拟电压值转换为数字电压值b1。步骤S402，接收温度校正仪输入的标准电压值a2，该a2为AD装置2的满量程值。步骤S403，接收AD通道所采集的另一个模拟电压值，并将该模拟电压值转换为数字电压值b2。步骤S404，所述AD装置2根据上述接收及转换后的数字电压值计算出该AD通道的校正系数。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。其中，所计算出的校正系数y表示偏移量，x表示斜率。

如图5所示，是图3中步骤S304中对数字电压值进行校正的具体流程图。该步骤S304中分别对待测物体的数字电压值和冷接点的数字电压值进行校正，由于原理相同，故只以对待测物体的数字电压值校正为例进行说明。首先，步骤S500，所述AD装置2读取AD通道所采集的待测物体的模拟电压值并将该模拟电压值转换为数字电压值Vmeas。步骤S501，该AD装置2根据计算出的校正系数x与y对所述数字电压值Vmeas进行校正，校正的方法：V＝xVmeas+y。步骤S502，AD装置2将该校正后的电压值V传送给数据处理器3，数据处理器3再将该电压值V通过通讯端口4传送给计算机5。

Claims (6)

1.一种多通道热电偶温度采集系统，包括依次连接的热电偶、电路板、模拟数字转换装置、数据处理器及计算机，所述电路板上焊接有一个补偿感温器，其特征在于：

所述热电偶用于采集至少两个待测物体的模拟电压值；

所述电路板上包括一块热等温块，用于使得热电偶测量所述至少两个待测物体的冷接点达到等温，由温度电压转换公式可得所述冷接点的电压值相同；

所述补偿感温器，用于测量冷接点的电压值，该电压值为模拟电压值；

所述模拟数字转换装置，用于将所述至少两个待测物体的模拟电压值以及所述冷接点的模拟电压值转换为数字电压值，并对转换后的待测物体的数字电压值及冷接点的数字电压值进行校正；

所述数据处理器，用于根据电压温度转换公式将所述冷接点的数字电压值转换为冷接点温度值，计算冷接点温度值的偏移量，并根据所述偏移量对所述冷接点温度值进行补偿；及

所述计算机，用于根据上述补偿后的冷接点温度值对上述校正后的每个待测物体的数字电压值进行冷接点补偿，并将每个补偿后的待测物体的数字电压值转换为待测物体的实际温度值。

2.如权利要求1所述的多通道热电偶温度采集系统，其特征在于，所述模拟数字转换装置上至少有两个模拟数字转换通道，分别用于采集热电偶所测量的待测物体的电压值，以及补偿感温器所测量的冷接点的电压值。

3.如权利要求1所述的多通道热电偶温度采集系统，其特征在于，所述计算机包括：

控制模块，用于向数据处理器和模拟数字转换装置发送命令，控制模拟数字转换装置校正待测物体的数字电压值以及冷接点的数字电压值，并控制数据处理器补偿冷接点温度值；

数据接收模块，用于接收校正后的待测物体的数字电压值，并接收补偿后的冷接点温度值；

计算模块，用于将所述校正后的待测物体的数字电压值转换为十进制电压值V，并将所述补偿后的冷接点温度值根据温度-电压之间的关系式转换为数字电压值V1，计算热电偶所采集的待测物体而产生的塞贝克电压值：V0＝V-V1，利用温度-电压之间的关系式将V0转换为待测物体的实际温度值。

4.一种多通道热电偶温度采集方法，利用依次连接的热电偶、电路板、模拟数字转换装置、数据处理器及计算机采集待测物体的实际温度，所述电路板上焊接有一个补偿感温器，其特征在于，该方法包括步骤：

热电偶测量至少两个待测物体的模拟电压值；

提供一块热等温块于电路板上，使得热电偶测量所述至少两个待测物体的冷接点达到等温，由温度电压转换公式可得所述冷接点的电压值相同；

补偿感温器测量热电偶的冷接点的电压值，该电压值为模拟电压值；

所述模拟数字转换装置将所述至少两个待测物体的模拟电压值以及所述冷接点的模拟电压值转换为数字电压值，并对转换后的待测物体的数字电压值及冷接点的数字电压值进行校正；

所述数据处理器根据电压温度转换公式将所述冷接点的数字电压值转换为冷接点温度值，计算冷接点温度值的偏移量，并根据所述偏移量对所述冷接点温度值进行补偿；及

所述计算机根据上述补偿后的冷接点温度值对上述校正后的每个待测物体的数字电压值进行冷接点补偿；及

将每个补偿后的待测物体的数字电压值转换为待测物体的实际温度值。

5.如权利要求4所述的多通道热电偶温度采集方法，其特征在于，所述模拟数字转换装置包括至少两个模拟数字转换通道，分别采集热电偶所测量的待测物体的模拟电压值，以及补偿感温器所测量的冷接点的模拟电压值。

6.如权利要求4所述的多通道热电偶温度采集方法，其特征在于，所述步骤将补偿后的待测物体的数字电压值转换为待测物体的实际温度值包括：将所述校正后的待测物体的数字电压值转换为十进制电压值V，并将所述补偿后的冷接点温度值根据温度电压之间的关系式转换为数字电压值V1，计算热电偶所采集的待测物体而产生的塞贝克电压值：V0＝V-V1，利用温度-电压之间的关系式将V0转换为待测物体的实际温度值。

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