CN102435338A - 用于热电偶连接的集成冷接点补偿电路 - Google Patents

用于热电偶连接的集成冷接点补偿电路 Download PDF

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CN102435338A
CN102435338A CN2011102841084A CN201110284108A CN102435338A CN 102435338 A CN102435338 A CN 102435338A CN 2011102841084 A CN2011102841084 A CN 2011102841084A CN 201110284108 A CN201110284108 A CN 201110284108A CN 102435338 A CN102435338 A CN 102435338A
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Abstract

本发明名称为用于热电偶连接的集成冷接点补偿电路，公开一种用于热电偶(100)连接的集成冷接点(108)补偿系统。该系统包括与接线端(134)集成的温度传感器(136)，热电偶导线(102，104)端接于该接线端(134)。温度传感器(136)与接线端(134)集成在热电偶(100)的冷接点(108)附近，使得传感器(136)位置处的温度实质等于冷接点(108)处的温度。温度传感器(136)还与携带热电偶(100)所输出的电压的电路电信号绝缘。

Description

用于热电偶连接的集成冷接点补偿电路
技术领域
一般来说，本公开涉及温度测量装置。更具体来说，本发明涉及用于热电偶连接的冷接点补偿(CJC)电路。
背景技术
热电偶是两个相异金属之间产生与温差相关的电位的接点(junction)。如图1的热电偶所示，热电偶100由相异金属所制成的两个不同热电偶导线102、104组成。导线102指定为正，而导线104指定为负。正和负指定表示制成导线的相应金属的塞贝克系数。热电偶导线102、104在尖端106例如通过软焊、焊接或其它方式来接合。在螺丝接线端107，导线102、104的开口端可电连接到导线或迹线112、114，导线或迹线112、114可由铜或其它导电材料制成。在这里，冷接点108或参考接点在相异材料导线的端接处、例如在导线102、112之间以及在导线104、114之间形成。
在闭合电路中，当热接头和冷接点保持在不同温度时，产生电流。典型地，因它们在温度与电压之间的可预测和可重复关系，将特定金属和合金组对以形成接点。热电偶可由多种材料制成，包括例如铁、康铜、铜和锡。用于热电偶的材料的类型和计量尺寸典型地根据字母代码来分类，例如T(铜-康铜)、J(铁-康铜)、E(镍铬-康铜)和K(镍铬-镍铝)，它们例如具有不同的电压-温度特性。
热电偶测量两个点之间的温差而不是绝对温度。为了确定热接点处的温度，冷接点温度必须为已知。在一种最简单情况下，冷接点例如在冰槽(ice bath)中处于0℃(32°F)。在这种情况下，热接点温度是冷接点温度的直接转换，并且能够使用诸如国家标准局所发布的那些之类的查找表来找到。但是，具有已知温度的接点虽然对实验室校准是有用的，但是对大多数测量和控制应用是不便的，特别是在其中冷接点处的温度变化的轻型手持装置和永久安装中。
当冷接点不是处于0℃时，必须找到冷接点的温度，以便确定实际热接点温度。还必须补偿热电偶100的输出电压，以便考虑非零冷接点温度所引起的电压。这个过程称作冷接点补偿。
冷接点处的准确温度的获取是准确的冷接点补偿计算所必要的，但出现难题。如示出安装到印刷电路板126的多极接线板(terminalblock)120的图2所示，一种解决方案是将诸如热敏电阻122、124之类的外部温度传感器在接线条128的相对端安装到印刷电路板126。但是，这些热敏电阻122、124可能没有位于充分靠近冷接点108、位于接线板120处的热电偶延长线180、182的端接处以准确获取实际冷接点温度。热敏电阻122、124是否充分靠近冷接点108可取决于环境条件其中之一或其组合，包括冷接点108出现的接线条的距离上的温度梯度。
发明内容
本公开的第一方面提供一种设备，包括：衬底；安装到衬底的接线板；热电偶，具有端接于接线板的热电偶导线，从而形成冷接点；以及与接线板的表面集成的至少一个温度传感器。至少一个温度传感器位于冷接点附近，其中冷接点处的温度实质等于至少一个温度传感器处的温度。至少一个温度传感器设置成通过多个导电管脚与衬底进行电信号通信。
本公开的第二方面提供一种冷接点补偿(CJC)系统。CJC系统包括具有正热电偶导线和负热电偶导线的热电偶，该热电偶与接线板进行电信号通信。热电偶向接线板输出电压，接线板安装到印刷电路板(PCB)并且与印刷电路板(PCB)上的第一迹线进行电信号通信。至少一个温度传感器与接线板集成，其中，至少一个温度传感器的每个位于热电偶的冷接点附近，其中冷接点处的温度实质等于至少一个温度传感器处的温度。至少一个温度传感器与PCB上的第二迹线进行电信号通信。还包括用于计算热接点温度的计算装置，该计算装置与第一迹线和第二迹线进行电信号通信。计算装置经由第一迹线对从热电偶接收表示输出电压的电信号以及经由第二迹线对从温度传感器接收表示冷接点温度的电信号。
本公开的第三方面提供一种冷接点补偿系统，包括：热电偶，具有在第一和第二导线的每个的第一端处接合以形成第一热接点的第一正导线和第二负导线；第一热电偶延长线，电连接到第一正导线；第二热电偶延长线，电连接到第二负导线；公连接器本体，与第一热电偶延长线和第二热电偶延长线进行电通信；以及母连接器本体，公连接器插入其中，从而形成冷接点。母连接器本体包括位于冷接点附近的温度传感器，其中冷接点处的温度实质等于温度传感器处的温度。母连接器本体包括与第一和第二热电偶延长线相异的金属制成的电接触部。第一温度传感器导线和第二温度传感器导线向连接器传递冷接点参考信号，并且第一延长线和第二延长线向连接器传递输出电压信号。这个连接器安装到衬底。还包括用于执行冷接点补偿计算的计算装置，其中计算装置与衬底进行电信号通信。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述，本发明的这些及其它方面、优点和突出特征将会变得显而易见，附图中，相似部分在本发明的附图、公开实施例中通篇由相似参考标号来表示。
图1示出热电偶。
图2示出印刷电路板(PCB)安装的多极接线板，其中温度传感器在接线条的各端安装到PCB。
图3示出按照本发明的一个实施例、用于提供热电偶的冷接点处的参考温度的设备。
图4示出按照本发明的一个实施例、用于提供包括多极接线板的热电偶的冷接点处的参考温度的设备。
图5示出按照本发明的一个实施例、用于冷接点补偿的测量装置。
图6示出图5所示装置的一部分的详细视图。
具体实施方式
下面参照与热电偶冷接点补偿电路的操作结合的其应用来描述本发明的至少一个实施例。虽然本文中相对与印刷电路板进行电通信的热电偶来描述和示出本发明的实施例的一部分，但是应当理解，示教同样可适用于其它衬底。此外，下面参照标称尺寸并且包括一组标称大小(nominal dimensions)来描述本发明的至少一个实施例。但是，本领域的技术人员应当清楚地知道，本发明同样可适用于任何适当热电偶热接点测量设备和/或装置。此外，本领域的技术人员应当清楚地知道，本发明同样可适用于各种标度(scale)的标称尺寸和/或标称大小。
如上所述，本发明的方面提供一种设备，用于提供热电偶冷接点108处的参考温度，如图3-5所示。图3中，示出用于提供热电偶(图1)的冷接点108处的参考温度的设备110的实施例。
诸如图1所示之类的热电偶可包括延伸热电偶导线的范围的热电偶延长线180、182(图3)。热电偶延长线180、182由分别与热电偶导线102、104(图1)相同的材料制成，使得热电偶导线180为正，而热电偶导线182为负。如图3所示，冷接点108A-B出现于接线板134处的相异金属的接点处，其中热电偶延长线180、182可接触例如铜传导线。在一个备选实施例中，如果没有使用热电偶延长线180、182，则热电偶导线102、104可端接于冷接点108A-B。热电偶100可以表示为VTC的电压向接线板134输出电能。
在一个实施例中，接线板134可物理地安装到衬底132，衬底132可以是例如其上包括由铜或其它导电材料所制成的第一对迹线142和第二对迹线144的印刷电路板(PCB)。接线板134可经由第一迹线对142和导电管脚或脚(feet)(未示出)与衬底132进行电信号通信，这是本领域已知的。
在也如图3所示的另一个实施例中，热电偶延长线180、182可端接于接线板插头140。传感器136B可按照与以上所述相似的方式与接线板插头140的表面集成。接线板插头140可插入接线板管座(header)135，接线板管座135可按照与接线板134相似的方式安装到衬底132。接线板134或接线板插头140和接线板管座135的使用是设计选择，并且本文中在多个实施例的任一个中的描述预计是非限制性并且只是示范性的。
迹线142从接线板134带走由热电偶100在电压VTC所生成的输出电力。在一个实施例中，至少一个温度传感器136A在冷接点108A附近或与冷接点108A重合地与接线板134的表面集成。相对冷接点108A，温度传感器136A的布置在附近可以是使得避免得到冷接点处的准确冷温度测量的任何物理或环境障碍。温度传感器136A可定位成充分靠近冷接点108A，使得温度传感器136A处的温度实质等于冷接点108A的温度。
如图4所示，在其它实施例中，接线板134可以是具有两个或更多热电偶导线180、182端接点的多级接线板，从而形成两个或更多冷接点108A、108B。在这种实施例中，可使用两个或更多温度传感器136A-B，两个或更多温度传感器136A-B的每个位于冷接点108A-B附近，使得温度传感器136A-B处的温度实质等于冷接点108A-B的温度。
在多个实施例中，温度传感器136A-B可以是热敏电阻、电阻性热装置(resistive thermal device)(RTD)或者任何其它适当的温度传感器。在一些实施例中，温度传感器136A-B与接线板134或接线板插头140的表面的集成可通过将温度传感器136成型(mold)到134、140的本体中来实现。备选地，通过在接线板134或插头140的本体中提供空腔，并且将温度传感器136放入空腔中，温度传感器136可与134、140的表面集成。温度传感器136A-B的至少一个表面可暴露于冷接点108A-B附近的环境空气。
不管接线板样式，衬底132上的迹线142可将电信号从热电偶延长线180、182(或者热电偶导线102、104)传送给计算装置150，如图3所示。温度传感器136A-B还可通过多个导电管脚或其它方式与衬底132进行电信号通信。温度传感器136A-B还可设置成经由第二对迹线144与计算装置150进行电信号通信。第二对迹线144与第一对迹线142电绝缘。
如图所示，衬底132上的第一对迹线142和第二对迹线144形成与用于计算表示为T(Vtotal)的热接点106(图1)温度的计算装置150(图3)的电绝缘电路连接，下面进一步论述。计算装置150可经由第一迹线142来接收表示由热电偶100在输出电压VTC所生成的电能的电信号以及经由第二迹线144从温度传感器136、136A-B接收表示冷接点108的温度、表示为VCJC的电信号，下面进一步论述。
如图3所示，计算装置150包括处理单元146、存储器152、操作上通过通道154相互连接的输入/输出(I/O)接口148，其中通道154提供计算装置150中的每个组件之间的通信链路。此外，计算装置150示为与显示器156、外部I/O装置/资源158和存储单元160进行通信。I/O资源/装置158能够包括一个或多个人-I/O装置，例如鼠标、键盘、操纵杆、数字键盘或字母数字键盘或者其它选择装置，它们使人类用户能够与计算装置150和/或一个或多个通信装置进行交互，从而使装置用户能够使用任何类型的通信链路与计算装置150进行通信。
一般来说，处理单元146运行计算机程序代码162，计算机程序代码162提供计算装置150的功能。本文进一步描述的诸如计算器模块164之类的模块存储在存储器152和/或存储单元160中，并且执行本文所述的本发明的功能和/或步骤。存储器152和/或存储单元160能够包括驻留在一个或多个物理位置的各种类型的计算机可读数据存储介质的任何组合。至此，存储单元160可包括一个或多个存储装置，例如磁盘驱动器或光盘驱动器。此外要理解，图3未示出的一个或多个附加组件能够包含在计算装置150中。另外，在一些实施例中，一个或多个外部装置158、显示器156和/或存储单元160可包含在计算装置150中，而不是如图所示在外部，采取可以是便携和/或手持的计算装置150的形式。
计算装置150能够包括能够运行其上安装的程序代码、诸如程序162的一个或多个通用计算制造产品。要理解，本文所使用的“程序代码”表示按照任何语言、代码或符号的指令的任何集合，它们使具有信息处理能力的计算装置直接执行或者在下列各项的任何组合之后执行特定动作：(a)转换到另一种语言、代码或符号；(b)以不同的实质形式(material form)进行再现；和/或(c)解压缩。至此，程序162能够实施为系统软件和/或应用软件的任何组合。
此外，程序162能够使用诸如计算器164之类的模块或者模块集合166来实现。在这种情况下，计算器164能够使计算装置150能够执行由程序162所使用的一组任务，并且能够与程序162的其它部分分开地单独开发和/或实现。本文所使用的术语“组件”表示带有或没有软件的硬件的任何配置，它使用任何解决方案来实现与其结合描述的功能性，而术语“模块”表示使计算装置150能够使用任何解决方案来实现与其结合描述的动作的程序代码。当固定在包含处理单元146的计算装置150的存储器152或存储单元160中时，模块是实现这些动作的组件的实质部分。然而，要理解，两个或更多组件、模块和/或系统可共享其相应硬件和/或软件的部分/全部。此外，要理解，可以不实现本文所述功能性的一部分，或者可将附加功能性作为计算装置150的一部分来包含。
当计算装置150包括多个计算装置时，各计算装置能够仅具有其上固定的程序162的一部分(例如一个或多个模块164、166)。但是，要理解，计算装置150和程序162仅表示可执行本文所述过程的各种可能的等效计算机系统。至此，在其它实施例中，由计算装置150和程序162所提供的功能性能够至少部分地由包括带有或没有程序代码的通用和/或专用硬件的任何组合的一个或多个计算装置来实现，包括但不限于用于冷接点补偿的手持测量装置。在各实施例中，硬件和程序代码在被包含时能够分别使用标准工程和编程技术来创建。
无论如何，当计算装置150包括多个计算装置时，计算装置能够通过任何类型的通信链路进行通信。此外，当执行本文所述的过程时，计算装置150能够使用任何类型的通信链路与一个或多个其它计算机系统进行通信。在任一种情况下，通信链路能够包括各种类型的有线和/或无线链路的任何组合；包括一种或多种类型的网络的任何组合；和/或利用各种类型的传输技术和协议的任何组合。
如上所述，计算装置150包括用于分析由迹线对142、144的每个所提供的电信号的计算器模块164。计算器模块164可按如下所述来计算热接点106的温度。
测量由热电偶100所输出并且经由热电偶导线102和104、热电偶延长线180和182以及迹线142传送给计算装置的电压且将其表示为VTC。
测量表示来自冷接点补偿电路的信号的、由通过温度传感器136传递的电流所生成并且经由迹线144传送给计算装置150的电压，并且将其表示为VCJC。
使用电压VCJC和电压与温度曲线将VCJC转换成冷接点补偿温度(T)，这是本领域已知的。
作为冷接点处的温度T的函数、使用所使用特定类型的热电偶导线的逆多项式方程、对于使用中的特定类型的热电偶100来计算作为冷接点108处的温度的函数、表示为V(T)的电压：
        V(T)＝C0+C1T+C2T2...
其中，C0、C1和C2是热电偶类型的系数，这是本领域已知的，并且由例如国家标准和技术协会(NIST)发布。
然后，通过将作为冷接点108处的温度的函数、表示为V(T)的电压与所测量热电偶输出电压(VTC)相加来确定冷接点108处表示为Vtotal的总电压：
          Vtotal＝V(T)+VTC
然后，可使用热电偶线性化方程、作为Vtotal的函数来计算表示为T(Vtotal)的最终温度：
            T(Vtotal)＝K0+K1Vtotal+K2Vtotal 2...
其中，K0、K1和K2是已发布系数，这是本领域已知的，并且由例如国家标准和技术协会(NIST)发布。
如本文所述，由T(Vtotal)所表示的冷接点补偿温度包括通过非零冷接点108温度对冷接点108处创建的电压的补偿，这是本领域已知的。
图5-6示出冷接点补偿系统170的附加实施例。如图5所示，包含热电偶100的热电偶探头200在操作上与绝缘线缆172连接。绝缘线缆172包含相互电绝缘的热电偶延长线180、182。
如图5所示并且如图6更详细所示，始于热电偶探头200的绝缘线缆172与公连接器本体184端接，公连接器本体184包括两个插脚(prong)，与热电偶延长线180和182的每个热电偶延长线有一个插脚进行电信号连接。公连接器本体184成形和确定尺寸为插入母连接器本体186，并且公和母连接器本体184、186包括一对配套电接触部。母连接器本体186还包括延长线192、194，它们在公连接器本体184插入母连接器本体186时分别与热电偶导线180、182进行电信号通信。延长线192、194由与热电偶导线102、104和热电偶延长线180、182不同的材料制成。延长线192、194可以是例如铜。母连接器本体186还包括温度传感器导线188、190，它们与温度传感器136进行电信号通信，温度传感器136可与母连接器本体186集成，如图6所示。在多个实施例中，各温度传感器136可以是热敏电阻、RTD或其它温度传感器装置。在一个实施例中，温度传感器136可成型到母连接器本体186中。在另一个实施例中，可将空腔成型到母连接器本体186中，温度传感器136可放入其中。在任一种情况下，温度传感器136定位在母连接器本体中，使得它位于冷接点108附近，如上所述。
如图5-6所示，温度传感器导线188、190与温度传感器136进行电信号通信，并且还经由连接器196与印刷电路板126或其它衬底132进行电信号通信，但与导线192、194电信号绝缘。导线188、190经由连接器196将表示冷接点108处的参考温度的信号从温度传感器136传递给衬底132，衬底132可以是如图5中的印刷电路板126或者另一个衬底。表示冷接点108处的温度的这个信号(VCJC)还经由电绝缘迹线144传递给计算装置150，如上所述。第一和第二延长线192、194还与连接器196进行电信号通信，并且向连接器196传送输出电压信号(VTC)。连接器196安装到衬底132，并且还经由电绝缘迹线142与衬底132和计算装置150进行电信号通信，如上所述。在如图5所示的一个实施例中，计算装置150可以是用于冷接点补偿的手持测量装置。如上所述，计算装置150还可用于使用冷接点108处的参考温度来确定热接点106处的温度。
本发明的多个实施例的技术效果包括提供热电偶的冷接点的位置处的准确参考温度。与本发明的多个实施例关联的其它技术效果包括准确执行冷接点补偿计算并且在冷接点处于非零(即，不是0℃)温度的情况下准确地确定热接点温度的能力。
本文所使用的术语“第一”、“第二”等等不是表示任何顺序、量或重要性，而是用于区分一个元件与另一个元件，并且本文中的术语“一个(不定冠词)”不是表示量的限制，而是表示存在所提到的项的至少一个。与量结合使用的修饰语“大约”包含所述值，并且具有上下文所规定的含义(例如包括与特定量的测量关联的误差程度)。本文所使用的复数形式预计包括它修饰的项的单数和复数，由此包括那个项的一个或多个(例如，金属包括一种或多种金属)。
虽然本文描述了多个实施例，但是通过说明书将会理解，元件的各种组合、其中的变更或改进可由本领域的技术人员进行，并且落入本发明的范围之内。另外，可对本发明的示教进行多种修改以适合具体情况或材料，而没有背离其实质范围。因此，预计本发明并不局限于作为考虑用于执行本发明的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围之内的所有实施例。
部件表
100  常规热电偶
102  第一正导线
104  第二负导线
106  尖端(热接点)
107  螺丝接线端
108  冷接点
108A 冷接点
108B 冷接点
110  用于提供参考温度的设备
112  传导线
114  传导线
120  多极接线板
122  外部热敏电阻
124  外部热敏电阻
126  印刷电路板
128  接线条
132  衬底
134  接线板
135  接线板管座
136  温度传感器
136A 温度传感器
136B 温度传感器
140  接线板插头
142  第一迹线
144  第二迹线对
146  处理单元对
148  I/O接口
150  计算装置
152  存储器
154  通道
156  显示器
158  外部I/O装置
160  存储单元
162  程序代码
164  计算器模块
166  模块集合
170  冷接点补偿系统
172  绝缘线缆
180  第一热电偶延长线
182  第二热电偶延长线
184  公连接器本体
186  母连接器本体
188  第一温度传感器导线
190  第二温度传感器导线
192  延长线
194  延长线
196  连接器
200  热电偶探头

Claims (10)

1.一种设备(110)，包括：
衬底(132)；
接线板(134)，安装到所述衬底(132)；
热电偶(100)，其中热电偶导线(102，104)端接于所述接线板(134)处，从而形成冷接点(108)；以及
至少一个温度传感器(136)，与所述接线板(134)的表面集成或者在所述冷接点(108)附近，其中所述冷接点(108)处的温度实质等于所述至少一个温度传感器(136)处的温度；
其中所述至少一个温度传感器(136)设置成通过多个导电管脚(138)与所述衬底(132)进行电信号通信。
2.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述至少一个温度传感器(136)成型到所述接线板(134)中。
3.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述接线板(134)还在所述接线板(134)的表面中包括至少一个空腔，并且所述至少一个温度传感器(136)被放入所述至少一个空腔中，其中所述至少一个温度传感器(136)的至少一个表面暴露于接近所述冷接点(108)的环境空气。
4.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述至少一个温度传感器(136)还包括至少一个热敏电阻。
5.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述至少一个温度传感器(136)还包括至少一个电阻性热装置(RTD)。
6.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述衬底(132)还包括印刷电路板(PCB)(126)。
7.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述至少一个温度传感器(136)与接线板插头(140)集成。
8.如权利要求1所述的设备(110)，其中，所述接线板(134)还包括具有两个或更多热电偶配线(102，104)端接点的多级接线板(120)，并且其中所述至少一个温度传感器(136)还包括两个或更多温度传感器(136)，所述两个或更多温度传感器(136)的每个位于所述两个或更多热电偶配线(102，104)端接点其中之一附近。
9.一种冷接点(108)补偿系统，所述系统包括：
具有正热电偶导线(102)和负热电偶导线(104)的热电偶(100)，所述热电偶(100)与接线板(134)进行电信号通信，其中所述热电偶(100)向所述接线板(134)输出电压，并且其中所述接线板(134)安装到印刷电路板(PCB)(126)并且与所述印刷电路板(PCB)(126)上的第一迹线对(142)进行电信号通信；
与所述接线板(134)集成的至少一个温度传感器(136)，其中，至少一个温度传感器(136)各位于所述热电偶(100)的冷接点(108)附近，其中所述冷接点(108)处的温度实质等于各温度传感器(136)处的温度；并且各温度传感器(136)与所述PCB(126)上的第二迹线对(144)进行电信号通信；以及
用于计算热接点(106)温度的计算装置(150)，所述计算装置(150)与所述第一迹线对(142)和所述第二迹线对(144)进行电信号通信，
其中所述计算装置(150)经由所述第一迹线对(142)从所述热电偶(100)接收表示输出电压的电信号以及经由所述第二迹线对(144)从所述温度传感器(136)接收表示所述冷接点(108)温度的电信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述热接点(106)温度使用下式来计算：
T(Vtotal)＝K0+K1Vtotal+K2Vtotal 2…
其中
T(Vtotal)＝热接点温度；
K0、K1和K2是系数；以及
Vtotal是所述冷接点(108)处的总电压，等于作为所述冷接点(108)处的温度的函数的电压和所述热电偶(100)所输出的电压。
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