CN103712709A - 多通道高精度测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于计算机平台的多通道高精度测温系统。包括热电偶接入模块、热电偶通道测量模块、热电偶冷端测量模块、上位机接口和上位机。本发明提供了一种提高了温度测量的集成度和测量精度的多通道高精度测温系统。

Description

多通道高精度测温系统

技术领域

本发明属于电子测试测量领域，涉及虚拟仪器技术，尤其涉及一种基于计算机平台的多通道高精度测温系统。

背景技术

目前，市面上的多通道高精度热电偶测温系统的冷端补偿方式多种多样，有0℃恒温法、热电偶补偿法，补偿电桥法、补偿导线法以及软件冷端补偿法等。

0℃恒温法是将热电偶冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端为0℃不变。这种方法精度高，但在工程中应用很不方便，不好实现。

热电偶补偿法是在测温热电偶回路中反向串联一个同型号的热电偶作为补偿热电偶，并将其测量端置于恒温T0（0℃），以其反向热电势补偿测温热电偶的冷端温度。这种方法和0℃恒温法一样，在工程中应用同样不方便，不好实现。

补偿电桥法是利用不平衡电桥（又称冷端补偿器）产生不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。因为热电偶是非线性的，采用这种方法的测量结果精度会受到限制，不能实现高精度的热电偶温度测量。

补偿导线法即延长热电极法，将热电偶的自由端引至测量设备处，而测量设备放在恒温或温度波动较小的地方。采用这种方法也不能实现高精度的温度测量。

还有就是软件补偿法，软件冷端补偿是测温装置同时采集热电偶通道和热电偶冷端温度，通过冷端温度换算成冷端电压对热电偶通道的实测电压进行补偿，然后转换成被测对象的温度。这种方法硬件实现简单，测量精度高。在基于计算机的测温装置中使用优势明显。但每个热电偶具有一个冷端，使得测量通道增加了一倍。当热电偶通道数较多时，需要测量的冷端也较多。

目前的高精度ADC多为Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC利用过采样技术和数字信号处理技术，可获得很高的测量精度。但这种ADC采样率较低，采用多路复用开关的方式扩充通道时，能够扩展的通道数有限。而且扩展的通道数越多则会更大地降低测量精度。如果能够减小测温产品的测量通道则能提高产品测量精度。

高精度的热电偶测温系统，测试电路的零偏、零漂以及增益温度稳定性对于测温装置的测量精度都是不能忽视的因素。较大的零偏、零漂以及较差的温度稳定性严重影响着高精度测温系统测量指标的实现。这也是市场现有热电偶测温产品普遍存在且不好解决的问题。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种多通道高精度测温系统。该系统采用热电偶冷端共用技术，自动调零通道零偏、零漂补偿和增益温度补偿技术实现多通道高精度温度测量。有效地提高了测量精度，改善了高精度测量产品的零偏以及温度稳定性。

本发明的技术方案是：

一种多通道高精度测温系统，其特殊之处在于：包括热电偶接入模块、至少一组热电偶通道测量模块、热电偶冷端测量模块和用于进行测量数据处理的上位机；

上述热电偶接入模块包括用于冷端温度测量的冷端测温传感器和用于热电偶接入的连接端子；

上述热电偶接入模块通过连接器分别与热电偶通道测量模块和热电偶冷端测量模块连接；

上述热电偶通道测量模块与热电偶冷端测量模块通过上位机接口将测量数据传输到上位机；

上述热电偶冷端测量模块包括多个冷端测量通道和与冷端测量通道相对应的冷端测温传感器；

上述每组热电偶通道测量模块包括依次连接的一个直接接地的自动调零通道，用于通道复用的多路复用器，一个用于数据采集的AD，还包括板内温度传感器；

上述热电偶冷端测量模块包括多个冷端组；所述每个冷端组设置有一块导热铜皮，不同组的导热铜皮互相隔离；

上述上位机包括通过软件算法对热电偶通道测量模块进冷端补偿、零偏补偿和温度系数补偿的软件算法补偿模块；

上述上位机接口为PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串口；

上述热电偶接入模块采用U型连接器、螺钉接线柱接入。

本发明的有益效果是：本发明的主要特点是热电偶的软件冷端补偿及补偿通道共用以及通过自动调零通道和内嵌测温传感器实现高精度，高稳定性的温度测量。提高了温度测量的集成度和测量精度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明冷端测温传感器布局和通道共用示意图；

图3为本发明热电偶通道测量原理框图；

图4为本发明热电偶冷端测量原理框图；

图5为本发明PXIe系统框图；

图6为本发明软件处理流程图；

其中1-热电偶接入模块，2-热电偶接入模块，3-热电偶冷端测量模块，4-上位机接口，5-上位机。

具体实施方式

参见图1-图6，一种多通道高精度测温系统，包括热电偶接入模块1、至少一组热电偶通道测量模块2、热电偶冷端测量模块3和用于进行测量数据处理的上位机5；热电偶接入模块1包括用于冷端温度测量的冷端测温传感器和用于热电偶接入的连接端子；热电偶接入模块1通过连接器分别与热电偶通道测量模块2和热电偶冷端测量模块3连接；热电偶通道测量模块2与热电偶冷端测量模块3通过上位机接口4将测量数据传输到上位机5；热电偶冷端测量模块3包括多个冷端测量通道和与冷端测量通道相对应的冷端测温传感器；每组热电偶通道测量模块2包括依次连接的一个直接接地的自动调零通道，用于通道复用的多路复用器，一个用于数据采集的AD，还包括板内温度传感器；热电偶冷端测量模块3包括多个冷端组；所述每个冷端组设置有一块导热铜皮，不同组的导热铜皮互相隔离；上位机5包括通过软件算法对热电偶通道测量模块进冷端补偿、零偏补偿和温度系数补偿的软件算法补偿模块；上位机接口4为PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串口；热电偶接入模块2采用U型连接器、螺钉接线柱接入。

热电偶通道测量的温度传感器实时对板卡的工作温度进行检测；上位机软件补偿算法包括采用测量的地信号数据对热电偶测量通道进行数据补偿，也包括采用实时测到的板卡工作温度对测试结果进行补偿。冷端的分组可根据PCB布局就近选择，一般2到6个通道可分为一组；

热电偶通道的分组根据系统测试精度要求进行通道划分，对于选定的Σ-Δ型ADC，复用的通道数越少可获得更高的测量精度。

上位机软件的温度补偿系数可通过板卡在环境试验0℃-50℃工作时的测试数据进行分析获得。

图1为本发明的总体结构框图，本发明由五个部分构成，包括1热电偶接入、2热电偶通道测量、3热电偶冷端测量、4计算机接口和5计算机五个部分，其中计算机为软件设计，其他四部分需要进行电路设计。1-4部分根据计算机接口的不同可以在一个模块上实现、也可以分几个模块实现。如计算机接口选择基于PXI和PXIe总线形式，则可分两个模块来实现，一个模块仅实现1热电偶接入部分，2-4部分由另一个模块实现。两个模块通过连接器进行连接。

图2为冷端测温传感器布局和通道共用，即热电偶接入部分的实现。这部分可采用U型连接器、螺钉接线柱等方式连接，图2示例为32个热电偶输入通道的螺钉接线柱实现方式。由图可知：热电偶输入通道TC0-TC3公用一个冷端，该冷端温度由SR0进行测量；TC4-TC6公用一个冷端，该冷端温度由SR1进行测量；TC8-TC10、TC16-TC18公用一个冷端，该冷端温度由SR3进行测量，等等。这样，32个热电偶输入通道仅用8个冷端来实现，节省了24个冷端通道测量。减少了硬件资源，降低了成本并提高了精度。这里需要注意的是，冷端共用的通道在PCB上需要靠近分布，处于相邻或相近的位置，冷端测温传感器需要靠近这些通道布局。冷端共用的通道所占区域在PCB布线时需要铺铜并与其他区域进行隔离。这样能够保证该区域内温度恒定。如图2中灰色部分，整个PCB板分了8个区域，铺了8块互不关联的铜皮。

图3是热电偶测温通道原理框图，这里为了提高测量精度，将32个热电偶通道分为两组，分别由两个24位Σ-Δ型ADC进行采集。每个AD包含16个热电偶输入通道。要追求更高的测量精度可用更多个ADC进行采集。

图3中每个AD的多路复用前端，除了16个热电偶输入通道外又包含了一个自动调零通道，该通道直接连接到信号地。对地信号进行测量。

对自动调零通道的使用可有多种方式，这里举两种进行说明。方式1是在每次任务开始时采集自动调零通道，并求采集数据的平均值作为地电平，此后采集的每通道数据与自动调零通道采集的平均值求差作为实际测量值；方式2是任务中配置的各通道每完成一次采集，采集一次自动调零通道。采集的每通道数据与自动调零通道采集数值求差作为实际测量值。这两种工作模式，第一种能够改善模块的零偏及其时漂；第二种通过实时检测地电平电压并补偿测试数据，能够改善模块零偏及零偏电压的时漂和温漂。这两种方式都能够有效提高板卡的测量精度。

图3中又包含了一个温度传感器，能够实时检测测温装置的板内温度。如果知道测温装置板卡的温度特性，根据测温装置板内温度对测量结果进行系数补偿。则能够有效提高板卡的测量精度。测温装置板卡的温度特性可以通过0℃～50℃或-20℃～55℃等温度区间的环境试验进行获得。

图4为热电偶冷端测量原理框图。32个热电偶通道通过冷端共用，只有8个冷端补偿通道。8个冷端补偿通道通过多路复用方式采用一个AD进行采集。冷端温度传感器有很多种，可以是测温半导体，热敏电阻等。图2和图4所示原理均已热敏电阻进行说明。热敏电阻需要激励电压源，激励电压源由电压基准U2和具有一定驱动能力的运放U1构成。电压基准U2提供精准的电压参考，其输出经过运放构成的跟随器进行驱动后直接作为热敏电阻（图2中的SR0-SR7）的激励电源。每一路的热敏电阻分别经过电阻进行分压（图4中的R1-R8），然后经过多路复用器（模拟开关U3）选择输出。热敏电阻的阻值与热电偶冷端温度具有一定的对应关系，当热电偶冷端温度变化时，热敏电阻的阻值会发生改变，使得多路复用器U3选择输出的电压信号也会发生改变，该电压信号经由仪表放大器U4进行放大调理后供给AD进行采集。

图5是PXIe系统框图和测温装置的构成形式，左图给出了一个基于PXIe总线测温装置的系统构成。该系统由计算机、零槽控制器、PXIe机箱、测温装置和传感器构成，一个PXIe机箱可插入多个测温装置构成更大通道的温度测量系统。右图描述了基于PXIe总线的测温装置的构成形式。该测温装置由PXIe测温模块和热电偶输入接线盒两部分构成，输入接线盒实现热电偶信号接入并包含冷端温度测量传感器，PXIe测温模块包含热电偶通道测量和热电偶冷端测量以及PXIe总线接口。

图6为多通道高精度测温装置的软件处理流程。该流程描述了任务配置、数据采集以及数据结果处理等整个软件处理过程。

本发明通过电子电路和计算机技术对热电偶输出信号进行测量及测量结果显示，以实现对被测对象温度的测量。热电偶输出信号为微弱缓变电压信号，信号范围为几毫伏到几十毫伏。信号最大带宽在几赫兹或几十赫兹。根据热电偶的信号特点，通过模拟调理电路对热电偶信号进行滤波、放大处理后经过AD进行模拟信号到数字信号转换，然后经过计算机对采集到的数据进行处理、显示，来实现对被测对象的温度测量。方案中通过多路复用开关实现热电偶通道的扩展，通过自动调零通道和板内温度传感器实现测量结果补偿，实现高精度的温度测量。

Claims (6)

1.一种多通道高精度测温系统，其特征在于：包括热电偶接入模块、至少一组热电偶通道测量模块、热电偶冷端测量模块和用于进行测量数据处理的上位机；

所述热电偶接入模块包括用于冷端温度测量的冷端测温传感器和用于热电偶接入的连接端子；

所述热电偶接入模块通过连接器分别与热电偶通道测量模块和热电偶冷端测量模块连接；

所述热电偶通道测量模块与热电偶冷端测量模块通过上位机接口将测量数据传输到上位机。

2.根据权利要求1所述的多通道高精度测温系统，其特征在于：所述热电偶冷端测量模块包括多个冷端测量通道和与冷端测量通道相对应的冷端测温传感器；

所述每组热电偶通道测量模块包括依次连接的一个直接接地的自动调零通道，用于通道复用的多路复用器，一个用于数据采集的AD，还包括板内温度传感器。

3.根据权利要求2所述的多通道高精度测温系统，其特征在于：所述热电偶冷端测量模块包括多个冷端组；所述每个冷端组设置有一块导热铜皮，不同组的导热铜皮互相隔离。

4.根据权利要求3所述的多通道高精度测温系统，其特征在于：所述上位机包括通过软件算法对热电偶通道测量模块进冷端补偿、零偏补偿和温度系数补偿的软件算法补偿模块。

5.根据权利要求4所述的多通道高精度测温系统，其特征在于：所述上位机接口为PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串口。

6.根据权利要求5所述的多通道高精度测温系统，其特征在于：所述热电偶接入模块采用U型连接器、螺钉接线柱接入。

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