CN102369422A - 具有连接检测电路的热电偶温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种装置，包括热电偶、冷接点传感器和电路。热电偶具有过程端和冷接点端。冷接点端具有第一和第二冷接点端子。冷接点传感器被支撑在冷接点端附近，被配置为测量冷接点端处的温度。电路与冷接点传感器、第一和第二冷接点端子电连接。电路被配置根据第一和第二冷接点端子上电压生成热电偶信号，以及根据冷接点传感器测量的冷接点端的温度生成冷接点传感器信号。电路还被配置为计算热电偶信号和冷接点传感器信号之间的相关度。

Description

具有连接检测电路的热电偶温度传感器
背景技术
本发明涉及热电偶，具体地，涉及热电偶连接。热电偶是广泛应用的温度传感器类型。基本上，热电偶包括由不同金属制成正引线和负引线，正引线和负引线的一端(通常称作过程端、过程接点、热端、热接点或主接点)耦合在一起。另一端通常称作冷端、或冷接点。典型地，热接点暴露于具有未知温度的环境中，冷接点暴露于具有已知温度的环境中。然后，测量冷接点上的电压。
以这种方式测量冷接点上的电压指示了未知温度和已知温度之间的温度差。这是因为任何金属在暴露于热梯度时都会产生电压。指定的金属倾向于根据热梯度幅度产生可预测的电压；而不同的金属在暴露于相同的梯度时产生不同的电压。因此，由两种不同金属制成的热电偶会在热接点和冷接点之间产生两个不同的电压。因此，从一个冷接点端到另一冷接点端的可测量电压降可靠地与未知温度和已知温度之间的温差相对应。
热电偶测量的电压必然依赖于为正引线和负引线选择何种金属。例如，K型热电偶对正电极使用铬镍合金，而对负电极使用阿留麦尔镍基合金。可以取而代之地使用其它金属；但是每种金属的性质必须是已知的，以获知如何将所测量的电压转换为温度。
在传统应用中，将热电偶的冷接点保持在恒定的已知温度，例如，0摄氏度。当冷接点在温度可以改变的环境中时，可以使用另一热敏器件(例如，热敏电阻、二极管和电阻式温度检测器)来测量冷接点温度。可以对热电偶执行的每个测量应用适当的校正，以针对冷接点处变化的温度而进行调整。该技术一般称为冷接点补偿。
发明内容
根据本发明，一种装置包括热电偶、冷接点传感器和电路。热电偶具有过程端和冷接点端。冷接点端具有第一和第二冷接点端子。冷接点传感器被支撑在冷接点端附近，并且被配置为测量冷接点端处的温度。电路与冷接点传感器、第一和第二冷接点端子电连接。电路被配置为根据第一冷接点端子和第二冷接点端子上的电压来生成热电偶信号，以及根据冷接点传感器测量的冷接点端的温度来生成冷接点传感器信号。电路还被配置为计算热电偶信号和冷接点传感器信号之间的相关度。还包括了使用该装置的方法。
附图说明
图1是温度传感器的示意图。
图2是热电偶测量图。
图3是测量相关度图。
具体实施方式
一般说来，本发明提供了一种用于确定热电偶的正引线和负引线是否与温度感测电路正确连接的装置和方法。
图1是温度传感器10的示意图。温度传感器10包括热电偶(TC)正引线12、TC负引线14、正冷接点(CJ)端子16、负CJ端子18、过程端20、冷接点补偿器(CJC)电路22、CJC正引线24、CJC负引线26、CJ温度传感器28、输出电路30、输出连接32、变送器34、变送器连接36和用户接口38。TC正引线12与TC负引线14在过程端20耦合。过程端20可以暴露于期望知道温度的过程环境中。过程端20通常还被称为“主接点”和“热接点”。TC正引线12还与正CJ端子16耦合，TC负引线14还与负CJ端子18耦合。CJC电路22经由CJC正连接24与正CJ端子16相连，经由CJC负连接26与负CJ端子18相连。正CJ端子16和负CJ端子18一起被称作冷接点。输出电路30经由输出连接32与CJC电路22相连。在所示的实施例中，正CJ端子16、负CJ端子18、过程端20、CJC电路22、CJC正引线24、CJC负引线26、CJ温度传感器28、输出电路30和输出连接32是变送器34的一部分。
实质上，TC正引线12可以由适于针对热电偶目的而用作正引线的任何导电材料(例如，铬镍合金)制成。实质上，TC负引线14可以由适于用作与为TC正引线12选择的材料配对的负引线的任何导电材料(例如，阿留麦尔镍基合金)制成。TC正引线12和TC负引线14一起包括热电偶。CJC电路22可以测量正CJ端子16和负CJ端子18之间的电压。CJC电路22还使用CJ温度传感器28来测量冷接点处的温度。CJ温度传感器28是热敏器件，例如，热敏电阻、二极管或电阻式温度器件。CJC电路22然后基于冷接点的温度计算校正电压。CJC电路22经由输出连接32将特定信号传递给输出电路30。这些信号包括：对在正CJ端子16和负CJ端子18之间测量的电压加以表示的信号，以及表示校正电压的信号。
基于来自CJC电路22的信号，输出电路30可以计算多种温度，包括冷接点的绝对温度、冷接点和过程端20之间的温差以及过程端20的绝对温度。可以使用任何常见的技术(例如，多项式插值法或通过查阅查找表中的值)来确定这些温度值。变送器连接36将变送器34电连接至用户接口38。在示出实施例中，输出电路30通过变送器连接36与用户接口38相连，所述变送器连接36可以是有线连接或无线连接。用户接口38可以基于从输出电路30接收的信号来显示由CJC电路22和输出电路30计算的温度值。在一个实施例中，用户接口38可以是能够显示数字温度值的图形用户界面。在其他的实施例中，用户接口38可以是能够向用户传达信息的几乎任何用户接口。
这些温度值的精度依赖于以下因素：例如，为TC正引线12和TC负引线14所选的材料，以及为CJ温度传感器28所选的热敏器件。此外，精度还依赖于适当连接的温度传感器10的所有部分。例如，温度传感器10在以下假定成立的情况下工作：TC正引线12与正CJ端子16耦合，TC负引线14也与负CJ端子18耦合。如果这些引线意外与错误的端子相连，则正CJ端子16与负CJ端子18之间的电压降将与正确连接的温度传感器的情况相反。在这种情况下，输出电路30可能针对过程端20计算出不精确的温度值。在一些情形下，用户可能并知道温度值不精确。
图2示出了热电偶测量图40。热电偶测量图40绘制了随时间的温度值。实线42表示在过程端20处相对于时间的实际过程温度。在所示实施例中，实际过程温度在大约60小时的过程中以线性速率从大约100摄氏度(C)升高到大约200摄氏度。TC线44表示：当温度传感器10的所有部分均被适当连接时，相对于时间的测量温度差(过程端20的温度减去冷接点的温度)。在所示实施例中，测量温度差在大约60小时的过程中以变化的速率从大约100摄氏度升高到大约200摄氏度。CJ线46表示冷接点的相对于时间的测量温度。在所示实施例中，冷接点的测量温度在大约60小时的过程中在零摄氏度附近波动。反TC线48表示：当温度传感器10被反接时(即，当TC负引线14与正CJ端子16耦合，TC正端子12与负CJ端子18耦合时)，相对于时间，过程端20与冷接点之间的错误地测量的温度差。在所示的实施例中，错误地测量的温度差表现为在大约60小时的过程中以变化的速率从大约-100摄氏度下降到大约-200摄氏度。实际上，反TC线48是TC线44的负。
从热电偶测量图40可以看出，TC线44具有与CJ线46的反相关度。当冷接点的温度增长时，温度差必然下降。这还可以由等式示出：(实际过程温度)-(CJ温度)＝(测量的TC温度差)。从热电偶测量图40还可以看出，反TC线48具有与CJ线46的正相关度。这还可以由等式示出：-[(实际过程温度)-(CJ温度)]＝(反测量的TC温度差)。因此，通过对冷接点温度和测量的TC温度差之间的相关度进行比较，可以清楚热电偶是否被正确连接。
图3示出了测量相关度图50。测量相关度图50绘制了关于时间的、在测量的冷接点温度与测量的温度差之间的相关度。正确线52表示当温度传感器10被正确连接时的相关度。在所示的实施例中，正确线52具有在大约10小时的过程中在0和-1之间波动的值。反线54表示当温度传感器10被反接时(即，当TC负引线14与正CJ端子16耦合，TC正引线12与负CJ端子18耦合时)的相关度。在所示实施例中，反线54具有在大约10小时的过程中在0和1之间波动的值。断路线56表示当温度传感器10具有断路时(即，当正CJ端子16或负CJ端子18不与TC正引线12或TC负引线14相连时)的相关度。在所示实施例中，断路线56具有在大约10小时的过程中近似0的值。
输出电路30可以基于从CJC电路22接收的数据信号，来计算随时间的相关度。可以以两种方式之一来测量相关度。首先，可以作为在冷接点处测量的温度的时间变化率与正CJ端子16和负CJ端子18之间的电压的时间变化率之间的相关度，来测量相关度。其次，可以作为在冷接点处测量的温度的时间变化率与冷接点和过程端之间的温度差的时间变化率之间的相关度，来测量相关度。由于冷接点和过程端之间的温度差直接与正CJ端子16和负CJ端子18之间的电压对应，所以这些相关度中的任一个都可以是有用的。
测量相关度必然需要冷接点处的至少某种程度的温度变化。典型地，这种变化自然地发生，尤其是在延长的时间段内。在冷接点处的温度变化与过程端20处的温度变化相比相对较大的设置下，可以提高该方法的精度。冷接点处的温度变化越大，那么这种变化对以下操作的作用就越大：改变温度差，使相关度值更接近-1或1，从而提高关于温度传感器10是否被正确连接的结论的置信度。相关度越接近-1，温度传感器10被正确连接的可信度越高。相关度越接近1，温度传感器10被反接的可信度越高。相关度值始终为0指示断路。相关度值接近0指示非决定性测试或传感器故障。
输出电路30可以驱动用户接口38，以向用户通知连接的状态。在一个实施例中，用户接口38可以显示表示相关度-时间的图，例如测量相关度图50。在另一个实施例中，用户接口38可以显示数字相关度值。在其它实施例中，用户接口38可以使用相关度信息来向用户提供关于连接状态的结论性信号。在一个实施例中，用户接口38可以提供指示正确连接、错误连接或无连接的三个信号之一。可以在提供这种信号之前设置相关度阈值。例如，用户接口38可以只要相关度降到零以下就提供指示正确连接的信号，或者仅当相关度降到小于零的某一预定值以下时才提供指示正确连接的信号。此外，用户接口38可以只要相关度降到预定阈值以下较短时间就提供指示正确连接的信号，可以在仅当相关度降到预定阈值以下预定的时间段时才提供指示正确连接的信号，或者可以在仅当平均相关度降到预定阈值以下预定的时间段时才提供指示正确连接的信号。当冷接点温度足够频繁地变化时，可以在10分钟或更少时间内完成相关。以类似于提供指示正确连接的信号的方式，用户接口38还可以提供指示错误接线的信号，不同之处在于使用正阈值。以类似于提供指示正确连接的信号的方式，用户接口38还可以提供指示无接线的信号，不同之处在于使用正阈值和负阈值。
如果用户接口38指示温度传感器10是反接的，则用户可以切换TC正引线12或者TC负引线以与正确端子相连。类似地，如果用户接口38指示断路，则用户可以重新连接引线。如果用户接口38指示温度传感器10是正确连接的，则用户可以对温度传感器10测量的温度值更加相信。
应该认识到本发明提供许多的益处和优点。例如，使温度传感器的用户可以确信热电偶确实被正确连接。此外，当温度传感器被反接时，可以通知用户出错。这防止用户信任错误的温度数据，并且允许用户纠正不适当的连接。此外，当热电偶的引线断开或者被破坏时，可以向用户警告错误情况。在测量温度与冷接点所处的第二环境的温度接近的第一环境时，所有这些优点可以尤为有用。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的改变。例如，相关度计算不需要实际发生在变送器中。为此，可以使用能够计算冷接点温度与所测量的TC温度差之间的随时间的相关度的任何电路。

Claims (20)

1.一种对热电偶(12，14)的操作加以监视的方法，所述热电偶(12，14)与变送器(34)相连，所述方法包括：
利用热电偶(12，14)感测温度，以根据热电偶的热接点(20)的温度和热电偶(12，14)的冷接点(16，18)的温度，生成热电偶信号(44)；
利用冷接点温度传感器(28)感测温度，以根据冷接点(16，18)的温度生成冷接点传感器信号(46)；
使热电偶信号(44)和冷接点传感器信号(46)相关，以生成热电偶(12，14)是否与变送器(34)正确相连的指示。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
向用户提供指示的信号。
3.如权利要求2所述的方法，其中，信号是所显示的相关度-时间图(50)。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
响应于正相关度，向用户提供第一信号；以及
响应于负相关度，向用户提供第二信号。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
响应于近似0的相关度，向用户提供第三信号。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
计算热电偶信号(44)与冷接点传感器信号(46)的平均相关度值；以及
响应于平均相关度值超过预定正值，向用户提供第一信号。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
响应于第一信号，将热电偶(12，14)重新连接至变送器(34)，使得先前与变送器(34)的第一端子(16)相连的热电偶(12，14)的第一冷接点端现在与变送器(34)的第二端子(18)相连，先前与第二端子(18)相连的热电偶(12，14)的第二冷接点端现在与第一端子(16)相连。
8.如权利要求6所述的方法，其中，当第二温度改变时，在时间段上计算平均相关度值。
9.如权利要求8所述的方法，其中，时间段超过大约10分钟。
10.如权利要求8所述的方法，其中，预定正值在0和1之间。
11.如权利要求8所述的方法，还包括：
响应于第一信号，将热电偶(12，14)重新连接至变送器(34)，使得先前与变送器(34)的第一端子(16)相连的热电偶(12，14)的第一冷接点端现在与变送器(34)的第二端子(18)相连，先前与第二端子(18)相连的热电偶(12，14)的第二冷接点端现在与第一端子(16)相连。
12.如权利要求8所述的方法，还包括：
响应于平均相关度值小于预定负值，向用户提供第二信号。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
响应于平均相关度值在预定正值和预定负值之间，向用户提供第三信号。
14.如权利要求1所述的方法，还包括：
向用户提供温度信号，温度信号表示基本上与热接点(20)的温度相等的温度值。
15.一种将热电偶(12，14)连接至变送器(34)的方法，所述方法包括：
将热电偶(12，14)的第一冷接点端和第二冷接点端分别连接至变送器(34)的第一端子(16)和第二端子(18)；
将热电偶(34)的过程端(20)暴露在具有第一温度的第一环境中，将热电偶(12，14)的冷接点端暴露在具有第二温度的第二环境中；
利用热电偶(12，14)感测温度，以根据第一温度和第二温度之差，生成热电偶信号(44)；
利用冷接点温度传感器(28)感测温度，以根据第二温度生成冷接点传感器信号(46)；
如果在冷接点传感器信号(46)和热电偶信号(44)之间存在正相关度，则将热电偶(12，14)重新连接至变送器(34)，使得将第一冷接点端与第二端子(18)相连，而将第二冷接点端与第一端子(16)相连。
16.一种装置，包括：
热电偶(12，14)，具有过程端(20)和冷接点端(16，18)，其中，冷接点端(16，18)具有第一冷接点端子(16)和第二冷接点端子(18)；
冷接点传感器(28)，被支撑在冷接点端(16，18)附近，并且被配置为测量冷接点端(16，18)处的温度；以及
电路(22，30)，与冷接点传感器(28)电连接，并且与第一冷接点端子(16)和第二冷接点端子(18)电连接，其中，电路(22，30)被配置为：
根据第一冷接点端子(16)和第二冷接点端子(18)上的电压，生成热电偶信号(44)，
根据冷接点传感器(28)测量的冷接点端(16，18)的温度，生成冷接点传感器信号(46)，以及
计算热电偶信号(44)和冷接点传感器信号(46)之间的相关度。
17.如权利要求16所述的装置，还包括：
与电路(22，30)电连接的用户接口(38)。
18.如权利要求17所述的装置，其中，电路(22，30)被配置为驱动用户接口(38)以产生对热电偶(12，14)是否与电路(22，30)正确相连加以指示的信号。
19.如权利要求17所述的装置，其中，电路(22，30)被配置为向用户接口(38)发送相关度数据和温度数据。
20.如权利要求17所述的装置，其中，电路(22，30)包括冷接点补偿器(22)。
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