CN108917964A - 一种基于fpga的热电偶电势与温度转换方法 - Google Patents

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王成
江国进
白涛
孙永滨
陈乃奎
陈银杰
史雄伟
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China General Nuclear Power Corp
China Techenergy Co Ltd
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/10—Arrangements for compensating for auxiliary variables, e.g. length of lead

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，FPGA内部存储热电偶分度表的电动势‑温度的数据表；通过热电偶的冷端温度确定冷端温度所在的温度区间，找出对应的电动势区间；根据冷端温度对应的电动势区间修正电动势值；根据热电偶输入的电动势值和所述修正的电动势值求出补偿后的电动势值；确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间；求取最终的温度值。本发明基于FPGA的正反查表法对于多通道转换速度更快，更稳定可靠。灵活的定点数数据格式，能够使运算结果精度可调节。

Description

一种基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法
技术领域
本发明涉及温度测量的技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法
背景技术
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它的基本原理是两种不同成分的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端中间就存在电动势，实际应用中需要将该电动势值转换成温度值。
热电偶的电势-温度的转换通常采用公式运算法或查表法。公式运算法是根据GB/T 16839.1-1997《热电偶第1部分：分度表》中对应类型热电偶多项式进行计算，最终通过电动势值求出温度值。查表法是根据GB/T 16839.1-1997《热电偶第1部分：分度表》中对应类型热电偶的分度表，通过电动势值查表查出对应温度值。由于用公式运算法进行热电偶的电势-温度转换时，要求要用足所给系数的位数(十进制小数位最高11位)，计算设备必须具有实现这种精度的能力，且运算公式较复杂，一般设备难于实现，所以现有技术以查表法为主，且基于CPU系统实现。
现有技术中基于CPU系统的正向查表法能够迅速查找出单路冷端温度对应的电动势值，然后再根据计算后的电动势值查找出最终的温度值，且单精度浮点数能够满足基本的精度要求。
用基于CPU系统的查表法进行热电偶的电势-温度转换，可以较快查出单通道对应的温度值，但是对于有多路同时转换需求的系统，该方法不能同时查找出各个通道的温度值，只能顺序查找，通道越多，转换越慢。且单精度浮点数的格式固定，不能对精度进行调整来满足不同的使用环境。
基于FPGA的多通道并行查表法，对于单通道转换优势并不明显，但是对于多通道同时转换，转换速度提高显著，而且采用灵活的定点数据格式可以得到可调节的精度范围。
FPGA：现场可编程逻辑门阵列，一种硬件可编程集成电路。
热电偶：一对一端连接的不同材料的导体，并作为用热点效应测量温度电路的一部分。
发明内容
为了解决现有技术中对多通道进行快速转换和用调节转换精度来满足不同的使用环境的技术问题；本发明提供一种基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案包括：
一种基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，
FPGA内部存储热电偶分度表的电动势-温度的数据表；
通过热电偶的冷端温度确定冷端温度所在的温度区间，找出对应的电动势区间；
根据冷端温度对应的电动势区间修正电动势值；
根据热电偶输入的电动势值和所述修正的电动势值求出补偿后的电动势值；
确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间；
求取最终的温度值。
进一步，根据所述冷端温度的整数和小数部分，确定冷端温度所在的温度区间。
进一步，根据所述冷端温度的小数部分，对冷端温度对应的电动势值进行修正。
进一步，将所述冷端温度的小数部分扩大或减少位数，以满足不同的精度要求。
进一步，所述冷端温度的小数部分位数大于23位。
进一步，采用二分法反查表确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间。
进一步，读取所述数据表中最中间电动势值与所述补偿后的电动势值比较，确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间。
进一步，如果所述最中间电动势值大于补偿后的电动势值，则继续向表格数列小的部分进行二分法查表。
进一步，如果所述最中间电动势值小于补偿后的电动势值，则继续向表格数列大的部分进行二分法查表。
采用本发明提供的上述技术方案，可以至少获得以下有益效果中的一种：
(1)基于FPGA的正反查表法对于多通道转换速度更快，更稳定可靠。
(2)灵活的定点数数据格式，能够使运算结果精度可调节。
发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的电动势与温度转换方法逻辑图。
图2为本发明实施例示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员更加容易、清晰理解本发明，而非对本发明的限定性解释；并且只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明主要是使用FPGA技术实现把热电偶的电势转换成温度。热电偶的基本功能就是产生电动势，即电动势由热电偶产生。根据GB/T 16839.1-1997《热电偶第1部分：分度表》，将冷端温度值(C)换算为热电偶电动势在冷端温度为0℃的电动势值，假设该电动势值为CV，令Z＝CV+输入的热电偶电动势的值。然后再根据GB/T 16839.1-1997《热电偶第1部分：分度表》，将该电动势值Z转换为摄氏温度。
下面通过附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述：
在FPGA内部存储GB/T 16839.1-1997《热电偶第1部分：分度表》热电偶分度表的电动势-温度的数据表。如图1所示，查表查找相邻温度对应的电动势。根据输入的冷端温度的整数(C整数)和小数部分(C小数)，确定冷端温度所在的温度区间，再通过查表查找出对应的电动势区间(Uc大和Uc小)。
根据线性关系修正电动势值。默认相邻电动势值呈线性，根据冷端温度的小数部分，对冷端温度对应的电动势值进行修正。
计算公式为：CV＝(Uc大–Uc小)*C小数+Uc小。
为了调节精度，FPGA内部可以采用灵活的定点数据格式(注：表格中的电动势值不需要小数只需整数即可)。输入的冷端温度的小数可以尽量扩大或减少位数，以满足不同的精度要求。单精度浮点数2进制小数位最高23位，单精度浮点数是用来表示带有小数部分的实数，一般用于科学计算。占用4个字节(32位)存储空间，包括符号位1位，阶码8位，尾数23位。本发明中冷端温度的小数位可以任意定义，为了满足更高精度要求，可以远远大于23位(注：小数的位数越多，占用的FPGA资源越大)。
把修正后的冷端温度对应的电动势值与输入的电动势值相加，求出最终的电动势值Z。
反查表确定对应的温度区间。采用2分法的反查表法，先读出表格中最中间的电动势值，然后与电动势值Z值进行比较，如果电动势值Z小于读出的数据，则继续向小的部分进行2分法查表；如果电动势值Z大于读出的数据，则继续向大的部分进行2分法查表，依次类推，最终确定电动势值Z所处的最小温度区间。FPGA最快1个时钟读取出内部ram的数据，1个时钟输出比较结果。如果FPGA系统时钟100MHz，1个时钟为10ns，则K型热电偶满范围查找所需时间为10ns*2*10次＝200ns。所查范围为-270℃—1372℃。热电偶有许多类型，包括R型、S型、K型等等，其中K型是由镍铬/镍铝组合而成。
根据线性关系修正最终的温度值。计算公式为：(Uz大、Uz小为最终电动势区间，Tz小为最终温度区间对应的较小的温度值)
综上所述，为了节省FPGA内部ram资源，支持更多通道的同时转换，本发明采用正反查表法，在FPGA内部只存储热电偶分度表的电动势-温度的数据表即可求出最终的温度值，实现方式简单。灵活的定点数据格式提供了可调节的运算精度，以适应不同的环境要求。
如图2，基于FPGA的热电偶的电动势-温度转换用于DCS控制站主控板卡(基于FPGA平台)内部算法块的运算过程中。算法块的功能即通过AI板卡采集的冷端温度和热电偶电动势，求出转换后的温度值，输出给AO板卡进行温度监控。运算过程中小数部分采用定点数2进制小数位16位，运算精度为2-16。FPGA系统时钟100MHz，该模块的电势-温度转换时间不管单通道还是多通道转换总时间都为运算时间+转换时间约等于500ns。
最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，
FPGA内部存储热电偶分度表的电动势-温度的数据表；
通过热电偶的冷端温度确定冷端温度所在的温度区间，找出对应的电动势区间；
根据冷端温度对应的电动势区间修正电动势值；
根据热电偶输入的电动势值和所述修正的电动势值求出补偿后的电动势值；
确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间；
求取最终的温度值。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，根据所述冷端温度的整数和小数部分，确定冷端温度所在的温度区间。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，根据所述冷端温度的小数部分，对冷端温度对应的电动势值进行修正。
4.根据权利要求2或3所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，将所述冷端温度的小数部分扩大或减少位数，以满足不同的精度要求。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，所述冷端温度的小数部分位数大于23位。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，采用二分法反查表确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，读取所述数据表中最中间电动势值与所述补偿后的电动势值比较，确定所述补偿后的电动势值对应的温度区间。
8.根据权利要求8所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，如果所述最中间电动势值大于补偿后的电动势值，则继续向表格数列小的部分进行二分法查表。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的热电偶电势与温度转换方法，其特征在于，如果所述最中间电动势值小于补偿后的电动势值，则继续向表格数列大的部分进行二分法查表。
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