CN102654758A - Plc 的热电偶输入模块中的温度估算装置和方法 - Google Patents

Plc 的热电偶输入模块中的温度估算装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PLC的热电偶输入模块中的温度估算装置和方法，其中，根据本发明的估算以这样的方式执行：将对应于热电动势的模拟信号转换成数字数据，并且对应于转换为数字数据的热电动势，使用预定的温度估算函数执行估算。

Description

PLC 的热电偶输入模块中的温度估算装置和方法
技术领域
根据本发明的示例性实施例的教导主要涉及一种用于估算温度的技术，尤其涉及一种温度估算装置及其方法，所述装置可应用于作为PLC(可编程逻辑控制器)的扩展模块的热电偶输入模块。 
背景技术
常规地，热电偶是接触式电传感器的常用形式。热电偶包括两根不同的金属线，这两根金属线在其端部连接以形成电路。连接点之一连结到或者嵌入待测组件的表面，其被称为感测连接点或者“热”连接点。另一个连接点为参照连接点或者“冷”连接点。典型地，两根金属线形成在单根电缆中。由于电子沿温度梯度的扩散(塞贝克效应)，所以电路产生电压，通常，选择材料以便给出大约与两个连接点之间的温度差成比例的电压输出，例如，小于100mv。在冷连接点端使用电压表测量所产生的低电压，并使用电缆类型的热电偶的校准器(calibration)将所述低电压转换为温度。冷连接点温度通常用电阻温度计测量，该电阻温度计一般与信号调节单元一体形成。此时，热电偶的电压和温度特性为略微非线性的，其中整个温度变化的宽度在-250℃～2000℃范围内。 
就是说，热电偶使用两根由不同的材料形成的导线，例如，一根导线由铜镍合金形成，另一根导线由铜形成，两根导线在一个端部处连接以形成热电偶连接点。热电偶连接点产生代表温度的电压，并且该电压随热电偶所暴露于的不同温度而发生变化。常规的热电偶常常通过将一对不同的金属线连接在一起而形成，所选择的金属使得可以根据该对金属线的连接端与自由端之间的温差大小来观测电压。 
通过加热热电偶连接点，可将热电偶用于温度测量和温度控制。热电偶效应在于能够将温差直接转换为电能，这样产生的电能的量提供了对温度的测量。于是，根据本领域一般技术人员所熟知的标准方程，所观测到的电压便提供了沿该对金属线长度的温差估算。 
这种类型的热电结构构成了热电转换器，其能够例如在冷连接点和热连接点之间施加温度梯度时通过塞贝克效应产生电动势。 
作为用于PLC(可编程逻辑控制器)的扩展模块之一的热电偶输入模块输出由热电偶产生的电动势，并将其作为模拟电信号经由模数转换器(ADC)输入到数字数据中，其中通过ADC的数字数据需要转换成实际温度的过程。 
常规的热电偶输入模块使用了如下方法：其中在将数字数据转换成实际温度时，必须为各个温度单位准备一表，然后查询与数字数据对应的温度。然而，这个方法的缺点在于：转换速度被延迟了很长时间，从而降低了热电偶输入模块的性能。 
另一个缺点是需要大容量的存储器来在控制器的OS(操作系统)程序中存储温度转换表，由于增加了OS程序的容量从而降低了价格竞争能力。 
发明内容
本发明旨在解决现有技术的缺点，因此本发明的某些实施例的目的是提供一种能够应用于热电偶输入模块的温度估算装置及其方法，用于通过加快热电偶中的温度转换期间的计算速度来提高热电偶输入模块的性能。 
本发明要解决的技术主题不限于上述描述，从下面的描述中本领域技术人员将清楚地了解任何其他尚未提及的技术问题。就是说，参照附图，在给出的下述说明性的描述中本发明将更容易理解，并且本发明的其他目的、特征、细节和优点将变得更加明显，且无意隐含对本公开的任何限制。 
本发明的目的是整体或部分地解决至少一个以上上述问题和/或缺点，并至少提供在后面所描述的优点。为了整体或部分地至少达到上述目的，并且根据本发明的目标，如所实施和所宽泛地描述的，在本发明的一个总方案中，提供了一种温度估算装置，其估算从多个热电偶输入单元输入的热电动势的温度，所述装置包括：转换器，其将对应于所述热电动势的模拟信号转换成数字数据；以及控制器，其估算对应于转换成数字数据的所述热电动势的温度。 
优选地，但非必须地，所述装置进一步包括多路复用器，其从多个模拟信号中选择任一个，所述多个模拟信号对应于从所述多个热电偶输入单元输入的热电动势。 
优选地，但非必须地，所述装置进一步包括放大器，其放大对应于所述热电动势的模拟信号。 
优选地，但非必须地，所述放大器为运算放大器。 
优选地，但非必须地，所述装置进一步包括隔离单元，其置于所述转换器与所述控制器之间以隔离传送给所述控制器的数字数据。 
优选地，但非必须地，所述隔离单元为光电耦合器。 
优选地，但非必须地，所述控制器使用预定的温度估算函数来估算对应于所述热电动势的温度。 
优选地，但非必须地，所述预定的温度估算函数由下列方程定义： 
方程1：T(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e，其中，T(x)为基于热电动势x的温度。 
优选地，但非必须地，“a”到“e”为所述预定的温度估算函数中的变量，并且由输入所述热电动势的热电偶输入单元的类型及温度范围确定“a”到“e”。 
优选地，但非必须地，所述装置进一步包括存储变量的存储器。 
在本发明的另一个基本方案中，提供了一种温度估算方法，所述方法包括：将对应于热电动势的模拟信号转换成数字数据；并且估算对应于转换成数字数据的所述热电动势的温度。 
优选地，但非必须地，所述方法进一步包括从对应于多个热电动势的多个模拟信号中选择任一个模拟信号。 
优选地，但非必须地，所述方法进一步包括放大对应于所述热电动势的模拟信号。 
优选地，但非必须地，估算温度的步骤包括使用预定的温度估算函数来估算对应于热电动势的温度。 
优选地，但非必须地，所述预定的温度估算函数由下列方程定义： 
方程1：T(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e，其中，T(x)为基于热电动势x的温度。 
优选地，但非必须地，“a”到“e”为所述预定的温度估算函数中的变量，并且由输入所述热电动势的热电偶输入单元的类型及温度范围确定“a”到“e”。 
本发明具有的有益效果在于通过热电偶温度估算函数来估算温度，从而能够提高温度转换期间的转换速度的常规延迟，能够最小化用于存储温度转换表的存储容量，并且能够提高PLC输入模块的性能和经济性。 
在所附的独立权利要求和从属权利要求中列出了本发明的具体和优选的方案。如果合适并且不仅仅如权利要求中所明确列出的，从属权利要求中的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征进行结合。 
尽管本领域中的装置有不断的改进、变化和发展，但相信本构思代表实质上新的和新颖的改进，包括对现有技术的脱离，因而提供这种性质的更有效、更稳定和更可靠的装置。 
结合附图，本发明上述及其他的特点、特征和优点通过下面的详细描述将变得显而易见，其通过示例的方式图示出了本发明的原理。仅为了示例给出了本说明书，并不限制本发明的范围。下面引用的参考图指的是附图。 
附图说明
所包括的附图提供了对本公开的进一步理解，其包含在本申请中并构成本申请的一部分，附图图示出本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中： 
图1是图示出根据本发明的示例性实施例的PLC热电偶输入模块的示意性框图； 
图2是图示出根据现有技术的PLC热电偶输入模块的温度转换方法的流程图； 
图3是根据现有技术的示例性温度转换表的一部分； 
图4是图示出根据本发明的热电偶输入模块的温度转换方法的流程图； 
图5A是图示出通过根据现有技术的温度转换方法转换的参考温度的曲线图；以及 
图5B是图示出通过根据本发明的温度估算方法估算的温度的曲线图。 
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述多个示例性实施例，在附图中示出了一些示例性实施例。然而，本发明的构思可以以多种不同的形式实施，并且不应被解释为限于此处所列的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例以使本说明书是充分的和完整的，并且向本领域的技术人员全面地传达本发明构思的范围。 
应理解的是，当提及一个元件或者一层“在...之上”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或者另一层时，其可以是直接在其他元件或者层之上、连接到或者联接到其他元件或者其他层，或者可以存在介入元件或者介入层。相比之下，当提及一个元件“直接在...之上”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或者另一层时，则不存在介入元件或者介入层。全文中，相似的附图标记表示相似的元件。 
应理解的是，尽管此处可以使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受到这些术语限制。这些术语只是用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分进行区分。因此，下面所论述的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不会偏离本发明构思的教导。 
如此处所使用的，单数形式的“一(a)”、“一(an)”和“这个(the)”意图也包括复数形式，除非上下文另外明确地指出。应进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括了”和/或“包括着”时，此术语明确指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或者附加。 
除非另外有定义，否则此处使用的所有术语(包括科技术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。应进一步理解的是，这些术语，例如那些在通常使用的词典中所定义的术语，应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，并且不以理想化的或者过分形式化的意思进行解释，除非此处明确地如此定义。 
对已知组件和处理技术的描述被省略以便不必要地模糊本公开的实施例。 
下面，将参照附图详细描述PLC的热电偶输入模块中的温度估算装置和方法。 
图1是图示出根据本发明的示例性实施例的PLC热电偶输入模块的示意性框图。 
参照图1，根据本发明的示例性实施例的PLC热电偶输入模块包括热电偶输入单元10、模拟多路复用器20、放大器30、模数转换器(ADC)40、 隔离器50和控制器60。根据本发明的示例性实施例，热电偶输入模块中的控制器60例如是MPU(微处理器单元)，但不限于此。 
热电偶输入单元10输入由金属连接点产生的热所产生的电压(热电动势)。图1示例出了n(n为自然数)个通道(CH1至CHn)中的每一个都形成于热电偶输入单元10中。 
模拟多路复用器20在从n个通道(CH1至CHn)输入的信号中选择实际可转换的(待转换的)信号。放大器30将输入信号放大至适合输入给ADC 40的电压。尽管放大器30例如是运算放大器，但并不限于此。ADC 40将输入的模拟信号转换为数字数据。隔离器50用于使PLC热电偶输入模块内部的模拟电路与数字电路隔离，并且将信号传送给控制器60。就是说，隔离器50隔离传送给控制器60的数字信号。隔离器50例如是光电耦合器，但不限于此。 
控制器60控制模拟多路复用器20、放大器30、ADC 40和隔离器50，接收转换后的数字信号以估算对应于相关热电动势的温度，并且输出估算的温度。将参照附图详细描述通过控制器60的温度估算。 
尽管图中未图示出，但是PLC热电偶输入模块可以包括电源输入单元，电源输入单元又向PLC热电偶输入模块提供驱动电源。 
现在，将参照图2描述根据现有技术的PLC热电偶输入模块的温度转换方法，将参照图4描述根据本发明的图1中的热电偶输入模块的温度转换方法。 
图2是图示出根据现有技术的PLC热电偶输入模块的温度转换方法的流程图。根据本发明的组成元件将被描述为图1的那些元件，但应明确的是，根据本发明的控制器60与图2的控制器在功能上是不同的。 
如图中所示，根据现有技术的PLC热电偶输入模块的温度转换方法为：检查热电偶输入单元的每一个通道的转换是否是允许的(S21)；并且如果通道转换不是允许的(S22)，则初始化数据(S23)并且操作结束。在S22步骤，如果判定通道转换是允许的，则选择热电偶输入单元的实际可转换的通道(S24)，并且放大相关信号。接着，计算执行模/数转换所需要的寄存器(register)，其中从热电偶输入单元输入的热电动势的模拟信号被转换成数字数据(S25)。此后，从温度转换表中检索对应于数字数据的实际温度(S26)。 
图3是根据现有技术的示例性温度转换表的一部分，其中温度相对与各个电动势对应的数字数据以1℃为单位进行转换。为此，尽管未示出，但在PLC热电偶输入模块上常规地安装有存储器。 
参照图3，常规的温度转换表被配置为对应于以1℃为单位的温度的热电动势(mV)。例如，在图3中，K型热电偶中的0mV意味着0℃。 
如上所述，在常规的热电偶输入模块中，在温度表中以一对一的基础比对A/D转换后的热电动势，并且进行比对检索直至所测量到的热电动势与参考热电动势相匹配。例如，如果从热电偶输入单元输入的数值为K型热电偶，并且转换后的热电动势为47,336mV，则根据常规的温度转换方法，在温度转换表中输出对应于相关热电动势的1,160℃的温度。 
就是说，对温度转换表的检索是在整个表中进行(S27)，以输出转换后的温度(S28)。现在，经过这个过程，PLC热电偶输入模块的温度转换结束。换句话说，在常规的PLC热电偶输入模块中，检索为每1℃单位指定的温度转换表以输出温度转换，使得鉴于热电偶的特性必须检索很宽的温度范围(-250℃至2000℃)，从而，由于在转换速度中产生的延迟降低了PLC热电偶输入模块的运算速度性能。此外，需要大容量的存储器来存储宽温度范围中的热电动势的数据，从而不可避免地降低了价格竞争能力。 
为解决上述缺点，与通过检索温度转换表来执行温度转换的常规技术不同，根据本发明的温度估算装置具有的技术特征在于：通过将A/D转换后的数字数据输入到温度转换函数来估算对应于热电动势的温度，从而导出对应于热电动势的实际温度。 
现在，对于其的详细描述提供如下。 
图4是图示出根据本发明的热电偶输入模块的温度转换方法的流程图。 
参照图4，根据本发明的温度估算方法用于控制器60，以便：检查热电偶输入单元10的每个通道的温度估算是否是允许的(S31)；并且作为通过控制器60的检查结果，如果温度估算是不允许的(S32)，则初始化数据(S33)并且操作结束。 
在步骤S32，如果判定通道转换是允许的，则控制模拟多路复用器20以选择实际可转换的热电偶输入单元的通道(S34)，其中放大器30放大相关信号。接着，ADC 40计算执行模/数转换所需的寄存器(未示出)，其中将对应于从热电偶输入单元10输入的热电动势的模拟信号转换成数字数据 (S35)。此后，根据本发明的PLC热电偶输入模块的控制器60估算对应于通过隔离器50输入的数字数据的实际温度(S36)。更具体地，根据本发明的控制器60向温度估算函数输入A/D转换后的数字数据，以输出实际的对应温度(S37)。 
进一步具体地，下列方程1提供了用于温度估算的温度估算函数。 
[方程1] 
T(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e 
其中，T(x)是四次方程的估算温度，x是热电动势(mV)，a至e是变量并且根据热电偶的类型和温度区段而变化。例如，在K型热电偶中，在0至250℃区段中，a＝-0.004174，b＝0.090509，c＝-0.584159，d＝25.590167，e＝-0.066700。 
为此，温度估算装置可以进一步包括用于存储上述变量的存储器(未示出)。然而，与图2的现有技术不同，该存储器只存储64字节的5个变量，使得可以安装比现有技术的存储器容量小很多的存储器。 
提供下表以比较图3的温度转换表中的转换后的参考温度与由根据本发明的控制器60所估算出的估算温度。 
表1 
  热电动势(mv)   参考温度(℃)   估算温度(℃)   误差(℃)
  0   0   -0.07   0.07
  2.023   50   49.99   0.01
  4.096   100   99.99   0.01
  6.138   150   150.00   0.00
  8.138   200   199.97   0.03
  10.153   250   250.01   0.01
如从上表所显而易见的，能够注意到的是，由常规的温度转换方法获得的参考温度与由根据本发明的温度估算方法获得的估算温度满足大约0.1℃范围内的误差范围。 
就是说，与常规的温度转换方法要求多达64×250的数据容量来存储250个数据(以每1℃为单位存储0～250℃的数据)相比，如果只存储5个变量(a至e)，则根据本发明的温度估算要求64位×5的数据容量，从而在快很多的时间内执行温度估算。 
然而，前述变量限于K型热电偶的部分温度区段，与温度估算相关的变量可以根据热电偶的类型及温度范围而改变，并且对于本领域技术人员来说很明显的是，热电偶的类型及温度范围能够由根据本发明的权利要求的范围所保护，而与变量的精确值无关。 
图5A是图示出由根据现有技术的温度转换方法所转换的参考温度的曲线图，图5B是图示出由根据本发明的温度估算方法所估算的温度的曲线图，其中，图5A和图5B都图示出根据K型热电偶的温度范围的曲线图。 
如图5A和图5B所示，能够注意到，根据本发明的估算温度在K型温度区段内满足0.1℃的误差范围。 
由上述明显看出，根据本发明的PLC的热电偶输入模块中的温度估算装置及方法具有的工业实用性在于：通过使用热电偶温度估算函数进行温度估算，能够提高温度转换期间的常规转换速度，同时还能保持常规的PLC热电偶输入模块的配置完整；能够最小化存储温度转换表的存储容量；并且能够同时增强PLC输入模块的性能和经济性。 
提供本发明的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或者使用本发明。各种对发明的改进对于本领域技术人员将是极显而易见的，并且在不偏离本发明的精神或范围的情况下，此处定义的一般原则可以应用到其他变型中。这样，本发明并无意限制在此处所描述的示例，而是给予与此处公开的原则及新颖的特征一致的最宽的范围。 

Claims (16)

1.一种温度估算装置，其估算从多个热电偶输入单元输入的热电动势的温度，所述装置包括：转换器，其将对应于所述热电动势的模拟信号转换成数字数据；以及控制器，其估算对应于转换成数字数据的所述热电动势的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括多路复用器，其从多个模拟信号中选择任一个，所述多个模拟信号对应于从所述多个热电偶输入单元输入的热电动势。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括放大器，其放大对应于所述热电动势的模拟信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述放大器为运算放大器。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括隔离单元，其置于所述转换器与所述控制器之间以隔离传送给所述控制器的数字数据。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述隔离单元为光电耦合器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器使用预定的温度估算函数来估算对应于所述热电动势的温度。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述预定的温度估算函数由下列方程定义：
方程1：T(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e，其中，T(x)为基于热电动势x的温度。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，“a”到“e”为所述预定的温度估算函数中的变量，并且由输入所述热电动势的热电偶输入单元的类型及温度范围确定“a”到“e”。
10.根据权利要求8所述的装置，进一步包括存储变量的存储器。
11.一种温度估算方法，所述方法包括：将对应于热电动势的模拟信号转换成数字数据；并且估算对应于转换成数字数据的所述热电动势的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从对应于多个热电动势的多个模拟信号中选择任一个模拟信号。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括放大对应于所述热电动势的模拟信号。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，估算温度的步骤包括使用预定的温度估算函数来估算对应于所述热电动势的温度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述预定的温度估算函数由下列方程定义：
方程1：T(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e，其中，T(x)为基于热电动势x的温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，“a”到“e”为所述预定的温度估算函数中的变量，并且由输入所述热电动势的热电偶输入单元的类型及温度范围确定“a”到“e”。
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