CN101881671A - 一种虚拟程控温度测试仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种虚拟程控温度测试仪器，属于机电产品测试技术领域。主要包括上位计算机、电源模块、温度传感器、信号调理模块、单片机、串口服务器。温度传感器由24路K型热电偶组成，热电偶采集到信号经过信号调理模块放大，冷端补偿，A/D转换，获得温度数字信号储存在单片机内存中，温度值经过单片机串口传送到串口服务器，串口服务器将串口信号转换成以太网信号，实现与上位计算机远程通讯。上位计算机软件自动判断温升是否符合标准，实现温度采集频率的设定，温度通道的定义，温度测试值的实时显示，温度曲线的绘制，测试报告的自动生成，本发明测试形式简单，能够提高系统的智能性、准确性、可靠性，符合当今网络化测试的需求。

Description

一种虚拟程控温度测试仪器

技术领域

本发明涉及一种温度测试仪，尤其涉及一种家用电器、手持式电动工具、灯具等机电产品安全性测试中的温升试验程控温度测试仪。

背景技术

机电产品的安全、环保、质量越来越受到用户的重视。机电产品电气安全检测的任务越来越重，检测的标准和要求越来越高。国家标准如GB4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求》中第11章规定在家用电器试验期间要连续监测温升，温升值不得超过规定的值。机电产品进行温升试验，即模拟机电产品在正常工作状态下，测试各个规定部位的最大温升。

国内对温度测试仪器的研究主要是对温度测试点进行数据采集、信号调理、温度值保存、温度查询等功能。北京科技大学刘伟等人在《基于虚拟仪器的热电偶温度测试与分析系统》(见《自动化仪表》期刊，2007年第3期，第65～66页)研究的多通道温度测试仪器主要是将热电偶数据读入计算机并进行相应的分析计算，实现信号的实时采集和显示。现有的温度测试仪器只能被动机械地检测并且记录测试温度，没有嵌入机电产品的温升限值国家标准，不能自动生成适用于家电、电动工具、灯具等机电产品温升测试报告。

电气安全检测实验室常用的日本YOKOGAWA公司制造的DR130-00-21-1R型温度测试仪缺点是功能单一，缺少很好的通信接口，不能根据测试要求制定测试程序进行测试结果的自动判定，自动报警，自动生成通道定义明确的实验报告；更不符合当今仪器网络化的趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种机电产品虚拟程控温度仪，根据机电产品温升测试的要求，实现温度在线自动测试，报告自动生成的功能，并在此基础上保证各温度测试通道测试对象定义明确，测试结果智能判定，测试数据远程获取，实现温度信号的远程测试、智能测试功能。

本发明解决技术问题的技术方案是：

一种虚拟程控温度测试仪器，包括电源模块1、温度传感器2、信号调理模块3，信号调理模块3包括信号调理电路31、模拟开关32和A/D芯片33，串口转以太网模块4和上位计算机5，所述上位计算机5安装有可编程温度测试软件，串口转以太网模块4包括单片机41、单片机RAM内存43、串口服务器46和串口芯片，温度传感器2获取的测试部位温度信号经信号调理电路31放大和冷端温度补偿后，再通过模拟开关32送到A/D芯片33，A/D芯片33按照上位计算机5可编程温度测试软件设置的采样速率获取温度模拟信号，并将温度模拟信号转化为数字信号，数字信号储存到单片机RAM内存43，再由单片机41传递到串口芯片，串口芯片按照设定的握手信号与串口服务器46建立通讯，上位计算机5与串口服务器46之间为TCP/IP通讯方式，上位计算机7获取通道温度测试信号后，对传递数据的格式进行解读并显示到人机界面中。

在所述上位计算机5软件数据库内嵌有机电产品温升限值国家标准。

上述虚拟程控温度测试仪器采用24路细丝K型热电偶，上位计算机7进行24个测试通道定义。

本发明的技术效果是：本发明采用上位计算机和下位计算机(温度采集终端中的单片机)相结合的结构，测试形式简单，使用常用电子元器件即可实现设定功能，完全满足机电产品温升测试的要求。本发明冷端温度补偿技术，基于支持向量机的热电偶非线性补偿方法，增强了温度测试的可靠性和准确性。本发明上位计算机软件数据库内嵌有符合家电、电动工具、灯具三种国家标准的温升限值的数据库，采集到的温度数据与数据库设定的温度值对比，判断是否符合测试标准，对测试温度进行在线判断，增强了温度仪的智能性；本发明通过一个功能齐备，性能稳定且界面友好的可编程温度测试软件，具有数据处理、显示、分析、计算、存储、远程通信功能，实现整个温度信号处理与分析过程全自动处理，提高测试的准确性和测试效率，能够自动生成符合各种安全标准的温升测试报告；同时测试仪具备以太网通讯模式，通过网络化通讯接口实现仪器的远程温度测试功能，实现上位计算机和下位计算机的双向数据交换。简单实用的温度测试电路，在0～450℃范围内，可以达到0.2℃的测试精度，工作状态稳定可靠。因此，本发明具有测试精度高，根据标准自动判断，自动化程度高，成本低廉，便于携带测试，具备网络远程通讯的特点，可以推广到其它温度测试领域。

附图说明

图1为本发明系统方框图。

图2为本发明温度采集终端方框图。

图3为本发明冷端温度补偿和信号放大电气原理图。

图4为本发明上位计算机方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1和图2所示，本发明一种虚拟程控温度测试仪器主要由电源模块1、温度传感器2、温度采集终端6和上位计算机5组成。温度采集终端6包括信号调理模块3和串口转以太网模块4，信号调理模块3包括信号调理电路31、模拟开关32和A/D芯片33，串口转以太网模块4包括单片机41、单片机RAM内存43、液晶显示器42和串口服务器46，温度采集终端6负责完成温度信号的传感检测，信号调理，模拟通道切换，A/D转换，数据采集和处理，液晶显示，数据保存，数据通讯等功能，实现对热电偶信号的放大，冷端补偿，将采集到的温度信号由模拟量转化为数字量，并实现基于TCP/IP协议的温度测试数据远程传输(其中信号调理模块3，进行滤波放大、温度冷端补偿和A/D转换；串口转以太网模块4，完成串口RS232转TCP/IP信号的电平转换)。上位计算机5通过安装的可编程温度测试软件作为温度测试系统，负责完成数据采集处理，系统设置，曲线显示及表格显示，曲线和报表打印，数据保存等功能，能够实现人机界面交换，温度曲线的绘制，温度超值报警，温度信号的软件线性化处理。温度采集终端6与温度测试系统(上位计算机7)之间通过RS232、TCP/IP等通讯接口实现数据交换。本实施例温度传感器2采用24路细丝K型热电偶，上位计算机5进行24个测试通道定义。温度传感器2中的K型热电偶获取测试对象指定部位的温度信号。温度测试终端6把K型热电偶获取的温度模拟量进行信号放大，A/D转换，温度补偿，不断将温度测试数据(各个测试部位的表面温度)按照设定频率采集并且储存到单片机内存43中，温度数据通过单片机41的串口RS232传送到串口服务器46，串口服务器46将串口转以太网通讯的方式传给上位计算机5。为解决热电偶温度信号非线性问题，上位计算机5把下位机——温度采集终端传送来的多路温度测试数据首先输送到基于支持向量机原理的线性补偿软件模块，采用软件线性化处理的方法，提高温度测试精度。上位机的可编程温度测试软件数据库后台采用Microsoft Access数据库，数据库预先储存3种主要机电产品(家电、电动工具、灯具)的各个部位的温度升高限值。每个测试通道在每个时间间隔获得的温度测试数据也储存在数据库中，温度测试数据与该定义通道的标准规定温升限值不断作比较，如果测试值大于温升限值，那么就在软件界面出现该通道温度超高的报警信号，起到智能判定机电产品温升合格性的作用。本发明采用的远程测试功能，由串口服务器46、单片机串口通讯端口RS232、上位计算机TCP/IP端口三部分实现。我们采用MOXA公司最新的NPort 5110串口服务器，用该串口服务器将RS232串口方式改为以太网络的RJ45方式。串口服务器46完成的是一个面向连接的RS 232链路和面向无连接以太网之间的通信数据的存储控制，系统对各种数据进行处理，处理来自串口设备的串口数据流，并进行格式转换，使之成为可以在以太网中传播的数据帧；对来自以太网的数据帧进行判断，并转换成串行数据送达响应的串口设备。本实施例温度测试仪的分辨率：0.25℃；准确度等级：±(0.05％+0.07℃)；温度通道：24通道；采样频率：200ms。温度测试终端6以Atmel高级单片机为核心处理器，完成温度传感信号的放大，A/D转换，温度补偿，通道选择，数据通讯等功能的协调和管理工作。A/D转换采用美国AD公司的高精度高速12位A/D芯片独立工作方式，采样频率为100kHz，转换时间为10μs。A/D转换电路主要由A/D1674、74HC74、74HC00组成。其中74HC74和74HC00主要起到了延时作用，使其满足A/D1674采样的时序，A/D1674中的20IN、10IN分别为其输入端，当从20IN输入时，A/D1674可以测量0-20V的电压信号，当从10IN输入时，A/D1674可以测量0-10V的电压信号。

如图3所示，热电偶采集到的热电动势很微弱，只有mV级，不能直接将其送至A/D芯片33，所以必须对其进行一定倍数的放大。所以需要信号调理电路31对冷端温度进行补偿和放大，本实施例采用基于高精度温度传感器AD590冷端补偿技术和集成放大芯片。J1为K型热电偶，其中2脚为热电偶热端(阳极)，1脚热电偶冷端(阴极)。J2为接AD590温度传感器，其中2脚正极，1脚负极，进行温度补偿，补偿的输出电压为K型热电偶的热端到地(GND)的电压。R1、R3为1KΩ电阻，R6为200KΩ电阻，由于为测量环节，所以采用精密电阻；运放OP07C的放大倍数达到201倍。由于热电偶输出的热电势很小，所以选择该高精度/低温漂/失调电压的集成运放；RV2电位器运放调零用；C1为105PF的去藕电容，去除电路中的一些高频干扰成份。本发明的热电偶冷端补偿采用基于高精度温度传感器AD590冷端补偿技术，该补偿电路主要由温度传感器AD590、1kΩ的精密电位器、K型热电偶、高精度/低温漂/失调电压的集成放大芯片OP07C、20KΩ的调零电阻、1kΩ和200kΩ的精密电阻、105PF的去藕电容等组成。由于K型热电偶在25℃时αT＝40.4μV/℃，即当K型热电偶的冷端温度每增加1℃，热电偶热端(2脚)和冷端(1脚)之间的输出热电势就减小40.4μV，若不进行冷端补偿就会引起比较大的测量误差。AD590为电流输出型的精密温度传感器，电流方向为正极(2脚)流向负极(1脚)，它具有1μA/℃的正温度系数，且性能非常稳定。将RV3精密电位器调至40.4欧，这样冷端温度每增加1℃时，AD590输出电流精确增加1μA，该电流流经RV3精密电位器产生电压降增加40.4μV，使得RV3上端比下端(接地)增加40.4μV，而此时热电偶由于冷端温度增加1℃，热端(2脚)和冷端(1脚)之间输出热电势减小了40.4μV，两者相互抵消，恰好补偿了热电势的减小量，从而当冷端温度变化时，补偿后的输出电压即K型热电偶的热端到地(GND)电压基本不变，最终实现了热电偶的冷端温度补偿。

如图4所示，上位计算机5包含串口参数设置，温度通道控制，温度数据处理，图形显示等界面，具有温度通道选取，温度数据采集，数据分析，安全温度对比，温度变化实时图形显示，温度数据存储及打印等功能。所有的程序都运行在上位计算机5，温度采集终端6操作简单(仅将热电偶探头安装在被测机电产品表面)。在上位计算机5安装可编程温度测试软件并在上位计算机5进行操作，即可完成对温升测试实验的各种操作，这样设计为系统的实施提供了方便，具有易维护，易扩展，可重构的优点。系统如果需要升级时，只要对温升测试标准进行更改、增加，升级可编程温度测试软件即可，与温度采集终端6无关。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种虚拟程控温度测试仪器，包括电源模块(1)、温度传感器(2)、信号调理模块(3)，信号调理模块(3)包括信号调理电路(31)、模拟开关(32)和A/D芯片(33)，其特征在于：还设有串口转以太网模块(4)和上位计算机(5)，所述上位计算机(5)安装有可编程温度测试软件，串口转以太网模块(4)包括单片机(41)、单片机RAM内存(43)、串口服务器(46)和串口芯片，温度传感器(2)获取的测试部位温度信号经信号调理电路(31)放大和冷端温度补偿后，再通过模拟开关(32)送到A/D芯片(33)，A/D芯片(33)按照上位计算机(5)可编程测试软件设置的采样速率获取温度模拟信号，并将温度模拟信号转化为数字信号，数字信号储存到单片机RAM内存(43)，再由单片机(41)传递到串口芯片，串口芯片按照设定的握手信号与串口服务器(46)建立通讯，上位计算机(7)与串口服务器(46)之间为TCP/IP通讯方式，上位计算机(5)获取通道温度测试信号后，对传递数据的格式进行解读并显示到人机界面中。

2.根据权利要求1所述一种虚拟程控温度测试仪器，其特征在于：所述上位计算机(5)软件数据库内嵌有机电产品温升限值国家标准。

3.根据权利要求1或2所述一种虚拟程控温度测试仪器，其特征在于：所述温度传感器(2)采用24路细丝K型热电偶，所述上位计算机(5)进行24个测试通道定义。

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