CN107588862A - 一种用于柴油机监控系统的k偶温度测量模块 - Google Patents

Abstract

一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，本发明可以实现对20路K分度热电偶输入信号的测量，测量范围0～800℃，测量结果通过RS485总线或者CAN总线送出，并设有一个4位拨码开关作为通讯地址选择输入，可用于最大20缸的高速大功率柴油机的单缸排气温度测量，本发明具有结构简单，操作方便等特点，适合在高速大功率柴油机监控领域推广和应用。

Description

一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块

技术领域

本发明涉及一种K偶温度测量模块，具体涉及一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块。

背景技术

已知的，随着柴油机监控系统智能化程度越来越高,柴油机测点的数量也越来越多，针对这种变化趋势，申请人设计了一种双CAN总线架构的柴油机监控系统，相较以往普遍采用的RS485通讯，该监控系统使用双CAN网络进行内部数据交换，大幅度提高通讯速率和数据量的同时冗余的双CAN网络的应用也增强了监控系统的可靠性。

双CAN总线架构的柴油机监控系统功能组建形式灵活，包含基本组成和扩展组成两部分，基本组成可以满足大部分的柴油机单机监控需求，扩展组成可以选择性增删其中的功能模块使监控系统满足主推进机组、发电机组等不同的成套设备的监控应用需求。在扩展组成中K偶温度测量模块是关键部件之一，其必须满足双CAN总线架构的应用需求，对最大20缸的高速大功率柴油机的单缸排气温度测量，因此，开发一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块就成了本领域技术人员的必要技术诉求。

发明内容

为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，本发明可以实现对20路K分度热电偶输入信号的测量，可用于最大20缸的高速大功率柴油机的单缸排气温度测量。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，包括壳体、10路k分度热电偶传感器输入接口A、调试口、电源输入口、10路k分度热电偶传感器输入接口B、RS485通讯接口、第一路CAN通讯接口、第二路CAN通讯接口和印制电路板，在所述壳体的腔体内设有印制电路板，在所述印制电路板上分别设有输入处理电路、MCU电路、拨码开关、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路，所述MCU电路的输入端分别连接拨码开关和输入处理电路的输出端，MCU电路的输出端分别连接RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路的输入端，输入处理电路、MCU电路、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路分别连接电源电路，在壳体的前面板上分别设有10路k分度热电偶传感器输入接口A、调试口、电源输入口、10路k分度热电偶传感器输入接口B、RS485通讯接口、第一路CAN通讯接口和第二路CAN通讯接口，所述RS485通讯接口、第一路CAN通讯接口和第二路CAN通讯接口分别连接RS485、第一路CAN和第二路CAN的通讯总线，电源输入口4连接供电电源，调试口连接调试设备，10路k分度热电偶传感器输入接口A和10路k分度热电偶传感器输入接口B分别连接20路K分度热偶传感器形成所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块。

所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，所述输入处理电路包括20路K分度热偶信号滤波电路、一个16路模拟多路复用器、六个放大电路、冷端温度传感器及其驱动电路，所述16路模拟多路复用器选用ADG506AKR，所述放大电路的运放选用AD8608，所述20路K分度热偶信号滤波电路的输入端分别连接20个K分度热偶，其中16路K分度热偶信号滤波电路输出端连接16路模拟多路复用器的输入端，所述16路模拟多路复用器的输出端连接一路放大电路的输入端，其它四个4路K分度热偶信号滤波电路的输出端分别连接四个放大电路的输入端，所述冷端温度传感器的输出端连接冷端温度传感器驱动电路的输入端，所述冷端温度传感器驱动电路的输出端连接一个放大电路的输入端，所述六个放大电路的输出端分别连接MCU。

所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，所述电源电路为隔离型直流电源转换方式，允许供电电压范围为9～36V。

所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，所述K分度热偶的测量温度范围为0～800℃，测量精度为±1%。

所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，所述MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256。

所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，所述印制电路板通过螺栓固定在壳体内。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明可以实现对20路K分度热电偶输入信号的测量，测量范围0～800℃，测量结果通过RS485总线或者CAN总线送出，并设有一个4位拨码开关作为通讯地址选择输入，可用于最大20缸的高速大功率柴油机的单缸排气温度测量，本发明具有结构简单，操作方便等特点，适合在高速大功率柴油机监控领域推广和应用。

附图说明

图1是本发明中面板的布局结构示意图；

图2是本发明的原理架构图；

图3是本发明中输入处理电路的原理示意图；

图4是本发明中多路选通及放大电路的示意图；

图5是本发明中数据处理的示意图；

图6是本发明中温度-温度修正值分度表示意图；

图7是本发明中LM2576应用电路示意图；

图8是本发明中LM2940应用电路示意图；

在图中：1、壳体；2、10路k分度热电偶传感器输入接口A；3、调试口；4、电源输入口；5、10路k分度热电偶传感器输入接口B；6、RS485通讯接口；7、第一路CAN通讯接口；8、第二路CAN通讯接口。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

结合附图1～8所述的一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，包括壳体1、10路k分度热电偶传感器输入接口A2、调试口3、电源输入口4、10路k分度热电偶传感器输入接口B5、RS485通讯接口6、第一路CAN通讯接口7、第二路CAN通讯接口8和印制电路板，在所述壳体1的腔体内设有印制电路板，在所述印制电路板上分别设有输入处理电路、MCU电路、拨码开关、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路，所述MCU电路的输入端分别连接拨码开关和输入处理电路的输出端，MCU电路的输出端分别连接RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路的输入端，输入处理电路、MCU电路、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路分别连接电源电路，在壳体1的前面板上分别设有10路k分度热电偶传感器输入接口A2、调试口3、电源输入口4、10路k分度热电偶传感器输入接口B5、RS485通讯接口6、第一路CAN通讯接口7和第二路CAN通讯接口8，所述RS485通讯接口6、第一路CAN通讯接口7和第二路CAN通讯接口8分别连接RS485、第一路CAN和第二路CAN的通讯总线，电源输入口4连接供电电源，调试口3连接调试设备，10路k分度热电偶传感器输入接口A2和10路k分度热电偶传感器输入接口B5分别连接20路K分度热偶传感器形成所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块。

其中输入处理电路包括20路K分度热偶信号滤波电路、一个16路模拟多路复用器、六个放大电路、冷端温度传感器及其驱动电路，所述16路模拟多路复用器选用ADG506AKR，所述放大电路的运放选用AD8608，所述20路K分度热偶信号滤波电路的输入端分别连接20个K分度热偶，其中16路K分度热偶信号滤波电路输出端连接16路模拟多路复用器的输入端，所述16路模拟多路复用器的输出端连接一路放大电路的输入端，其它四个4路K分度热偶信号滤波电路的输出端分别连接四个放大电路的输入端，所述冷端温度传感器的输出端连接冷端温度传感器驱动电路的输入端，所述冷端温度传感器驱动电路的输出端连接一个放大电路的输入端，所述六个放大电路的输出端分别连接MCU。

进一步，所述电源电路为隔离型直流电源转换方式，允许供电电压范围为9～36V。

进一步，所述K分度热偶的测量温度范围为0～800℃，测量精度为±1%。

进一步，所述MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256。

进一步，所述印制电路板通过螺栓固定在壳体1内。

本发明的具体实施方式如下：

本发明是专门的温度测量模块, 可以实现对20路K分度热电偶输入信号的测量，测量范围0～800℃，测量结果通过RS485总线或者CAN总线送出。并设有一个4位拨码开关作为通讯地址选择输入。模块的接口配置如表1所示。具体面板布局如图1所示。

表1 接口配置表

本发明的原理架构如图2所示，输入处理电路主要完成对20路K分度热电偶信号的滤波选通和放大，以及对热电偶冷端温度的采集。MCU电路完成:AD转换、温度值计算、冷端温度补偿、数字滤波、结果校正、通讯数据的封装与发送等。通讯驱动电路与MCU电路配合完成总线通讯。电源电路为模块内各电路提供所需电源。

本发明的原理设计如下：

1、输入处理电路：

输入处理电路的原理示意如图3所示。K分度热偶信号在进入电路时会旁接4.7uF的滤波电容进行硬件滤波，通过使用1个16路模拟多路复用器在仅占用MCU的6路AD转换通道的情况下实现了对20路K分度热偶输入信号的采集。AD转换通道的多少与MCU性能和价格紧密相关，所需AD转换通道的减少意味着可以选择价格更低的MCU来满足设计需要，降低成本提高性价比。16路模拟多路复用器选用ADG506AKR，该器件可以实现对16路信号的多路复用。

K分度热电偶信号的范围是毫伏级的，按测量单元检测范围0～800℃计算，其信号电压值在0到33.277mV之间，而MCU的AD转换通道的基准电压为5V，为了提高测量的精度，输入MCU的电压最大值应尽可能与AD基准电压一致，故在K分度热电偶信号进入MCU进行AD转换前必须对其进行放大。在电路中实际上是对经过ADG506的16选1输出进行放大，具体如图4所示。R61、R62和U7A共同组成放大电路，放大倍数140，U7A选用运放AD8608，该器件为单电源四路轨到轨运算放大器，单电源的设计可以降低电源供电系统设计的复杂性，而轨到轨的设计使输出电压范围可以非常接近或几乎等于电源电压。经放大后进入MCU的电压范围在0到4.7V之间，接近AD转换的满量程。

K分度热电偶传感器测量的是待测温度点和冷端的温度差，理论上冷端温度应保持在0℃，但实际的冷端温度会受到室温的影响，所以有必要对冷端温度进行采集，为后续冷端补偿做准备。

通常会选用LM35D作为冷端温度传感器，但要想实现-50℃到100℃范围的冷端温度测量，必须为LM35D同时提供正电源和负电源，这会增加电路的复杂性并且增加电路成本，因此，这里选用PT1000作为冷端温度传感器， PT1000只需要单电源供电即可实现-50℃到100℃范围的冷端温度测量。

2、MCU数据处理

MCU是K分度热电偶温度测量模块的核心器件，K偶信号和冷端温度信号经放大后进入MCU，MCU对其进行数据处理才能得到正确的温度值。MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256，该芯片具有8通道12位精度的AD转换模块，2个SCI接口和3个CAN接口。MCU内部数据处理包括物理模型还原、误差校正和封装发送。如图5所示。

物理模型还原是指从AD采样值到温度值的转换。它包括以下三步：

第一，MCU控制多路复用开关ADG506依次选通16路K偶信号，同时控制内部AD完成对21路信号的AD采样。其中20路为外部输入的K分度热电偶信号，1路为PT1000输入的冷端温度信号。

第二，采用特性曲线折线近似法计算K偶温度。K分度热电偶的特性曲线是非线性的，在已知K偶传感器输出电压的情况下要想计算对应温度值，通常会使用如下近似公式进行计算。

式中，Vin为K偶输出电动势，Tout为对应温度值。

不管是平方运算还是浮点数运算都会消耗MCU大量的处理时间，考虑到K偶温度测量模块要在一次处理周期中实现20路信号检测，累计时间将相当可观，最恶劣的情况会严重影响温度测量模块的对外响应时间。因此采用特性曲线折线近似法，即以100℃为间隔将K分度热电偶特性曲线在0℃～800℃范围内划分为8个区，把两个相邻温度间的特性曲线认为是线性的，由此可以确定每个区域的“电压-温度”斜率，根据三角定理即可计算出对应温度值。该方法与近似公式相比计算误差小于1℃。

第三，对计算出的温度值进行冷端补偿，即将K偶温度值与PT1000冷端温度值相加。

由于电路元件的个体差异、外界环境温度等的影响，计算结果可能存在一定误差，因此需要对其进行校正，MCU采用查表和线性插值的方法对温度值进行校正。具体校正方法如下：首先在MCU中建立一个温度-温度修正值的对照表（见图6），然后根据T所在区域用插值法确定温度修正值TJc，最后使用TJc对计算结果进行校正。

为了抑制周期性干扰对计算结果的干扰，提高测量结果的平滑度，对校正后温度值进行递推平均滤波。具体方法为：把同一通道连续N个温度值看成一个队列的数据，队列的长度固定为N，每次得到一个新数据就放入队尾，并扔掉原来队首的一个数据（先进先出原则），对队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得所需滤波结果，该值将作为测量结果经通讯总线封装后发送。

在MCU进行计算的过程中选择以浮点数格式进行，这样可以避免使用定点数时对过程量的截取不当造成的计算结果精度的降低，同时，为了便于进行数据交互，在数据封装发送前，将其由浮点数转换为定点数，考虑到对测量结果精确到小数点后一位的要求，定点数将保留小数点后两位。

3、总线通讯：

MCU内部仅集成了SCI和CAN控制器的功能，不能提供物理层驱动，所以在实际使用时还需要通过收发驱动器后与总线相连。这里分别选用CTM8251D带隔离的双路CAN收发器芯片和RSM485隔离收发器芯片作为物理层的驱动芯片，它们在实现收发器功能的基础上具有隔离、静电保护、抗电磁干扰和防浪涌的特性。

当通过RS485总线与外部进行信息交换时，K偶温度测量模块遵循Modbus-RTU协议且工作在半双工模式下，传输速率为9600bps；当通过CAN总线与外部进行信息交换时，K偶温度测量模块遵循自定义的具备冗余能力的CAN应用协议，传输速率为250Kbps。其网络节点地址可以通过拨码开关进行设置。

4、电源电路：

K偶温度测量模块的供电电压为DC24V，系统中元器件所需工作电压共两种分别是12V和5V。电源电路可以将输入的24V电压转换为元器件所需的工作电压。这里选用LM2576实现24V到12V的转换，选用LM2940实现12V到5V的转换。

开关型稳压器LM2576具效率高、功耗小的特点，它具备8～30V的宽输入电压范围，提高了模块的适应能力，其应用电路如图7所示。电路中使用了单向二极管、NTC电阻、共模电感、压敏电阻等保护元件，具有防反接，抗开机瞬间冲击电流、抗共模干扰和防浪涌的功能。线性稳压器LM2940的输出具有很好的平滑性，可以为放大电路、MCU工作电路等关系到测量结果准确性的重要电路，提供高品质的工作电源，从电源上保证测量结果的稳定，减少误差。其应用电路如图8所示。

本发明内部采用单块印制板电路，外部采用铝壳封装，螺钉安装，端子选用插拔压接式端子，外形如图1所示。外形尺寸为170 mm×102 mm×30mm。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (6)

1.一种用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，包括壳体（1）、10路k分度热电偶传感器输入接口A（2）、调试口（3）、电源输入口（4）、10路k分度热电偶传感器输入接口B（5）、RS485通讯接口（6）、第一路CAN通讯接口（7）、第二路CAN通讯接口（8）和印制电路板，其特征是：在所述壳体（1）的腔体内设有印制电路板，在所述印制电路板上分别设有输入处理电路、MCU电路、拨码开关、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路，所述MCU电路的输入端分别连接拨码开关和输入处理电路的输出端，MCU电路的输出端分别连接RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路的输入端，输入处理电路、MCU电路、RS485驱动电路、第一路CAN驱动电路和第二路CAN驱动电路分别连接电源电路，在壳体（1）的前面板上分别设有10路k分度热电偶传感器输入接口A（2）、调试口（3）、电源输入口（4）、10路k分度热电偶传感器输入接口B（5）、RS485通讯接口（6）、第一路CAN通讯接口（7）和第二路CAN通讯接口（8），所述RS485通讯接口（6）、第一路CAN通讯接口（7）和第二路CAN通讯接口（8）分别连接RS485、第一路CAN和第二路CAN的通讯总线，电源输入口（4）连接供电电源，调试口（3）连接调试设备，10路k分度热电偶传感器输入接口A（2）和10路k分度热电偶传感器输入接口B（5）分别连接20路K分度热偶传感器形成所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块。

2.根据权利要求1所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，其特征是：所述输入处理电路包括20路K分度热偶信号滤波电路、一个16路模拟多路复用器、六个放大电路、冷端温度传感器及其驱动电路，所述16路模拟多路复用器选用ADG506AKR，所述放大电路的运放选用AD8608，所述20路K分度热偶信号滤波电路的输入端分别连接20个K分度热偶，其中16路K分度热偶信号滤波电路输出端连接16路模拟多路复用器的输入端，所述16路模拟多路复用器的输出端连接一路放大电路的输入端，其它四个4路K分度热偶信号滤波电路的输出端分别连接四个放大电路的输入端，所述冷端温度传感器的输出端连接冷端温度传感器驱动电路的输入端，所述冷端温度传感器驱动电路的输出端连接一个放大电路的输入端，所述六个放大电路的输出端分别连接MCU。

3.根据权利要求1所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，其特征是：所述电源电路为隔离型直流电源转换方式，允许供电电压范围为9～36V。

4.根据权利要求1所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，其特征是：所述K分度热偶的测量温度范围为0～800℃，测量精度为±1%。

5.根据权利要求1所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，其特征是：所述MCU选用飞思卡尔16位处理器9S12XET256。

6.根据权利要求1所述的用于柴油机监控系统的K偶温度测量模块，其特征是：所述印制电路板通过螺栓固定在壳体（1）内。