CN109540317A - 一种热电偶温度测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电偶温度测量系统，包括：主控芯片、第一模数转换器和第二模数转换器；第一模数转换器包括多个热端温度输入接口，用于分别接收对应热电偶的热端测量温度；第一模数转换器与主控芯片电连接；第二模数转换器包括外部冷端补偿输入接口和内部冷端补偿输入接口；外部冷端补偿输入接口用于接收热电偶的冷端绝对温度；内部冷端补偿输入接口用于接收系统环境绝对温度；第二模数转换器与主控芯片电连接；主控芯片根据热端测量温度、冷端绝对温度和系统环境绝对温度，获取热电偶的热端绝对温度。本发明提供了一种热电偶温度测量系统，以解决现有热电偶温度测量系统可靠性差，且体积过大的问题。

Description

一种热电偶温度测量系统
技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，尤其涉及一种有热电偶温度测量系统。
背景技术
在如冶金、石油、化工等各种行业中，对温度的测量的控制和测量都具有十分重要的意义。根据温度测量的方式可将温度测量方式分为两类：一类是接触式测量，另一类是非接触式测量，对于接触式测量，热电偶是使用较多的温度测量元件，热电偶是一种基于温差效应原理的温度计量单元。热电偶的温度检测系统现更多采用数字式控制方法，主控制器采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)或者单片机，使得温度检测系统具有通用性强、稳定性好以及开发周期短等优势。
目前，国内外的热电偶温度测量模块，大部分采用分立方式进行模块设计，采用外部电流源激励，增加了设计难度和成本，降低了模块的可靠性，增加了产品的体积。
发明内容
本发明实施例提供了一种热电偶温度测量系统，以解决现有热电偶温度测量系统可靠性差，且体积过大的问题。
本发明实施例提供了一种热电偶温度测量系统，包括：主控芯片、第一模数转换器和第二模数转换器；
所述第一模数转换器包括多个热端温度输入接口，用于分别接收对应热电偶的热端测量温度；所述第一模数转换器与所述主控芯片电连接，用于将所述多个热端测量温度传输至所述主控芯片；
所述第二模数转换器包括外部冷端补偿输入接口和内部冷端补偿输入接口；所述外部冷端补偿输入接口用于接收所述热电偶的冷端绝对温度；所述内部冷端补偿输入接口用于接收系统环境绝对温度；所述第二模数转换器与所述主控芯片电连接，用于将所述冷端绝对温度和系统环境绝对温度发送至所述主控芯片；
所述主控芯片根据所述热端测量温度、所述冷端绝对温度和所述系统环境绝对温度，获取所述热电偶的热端绝对温度。
可选的，所述第一模数转换器还用于将所述热端测量温度由模拟信号转换为数字信号；所述第二模数转换器还用于将所述冷端绝对温度和所述系统环境绝对温度由模拟信号转换为数字信号。
可选的，所述热电偶温度测量系统，还包括：第一绝对温度测量器和第二绝对温度测量器；所述第一绝对温度测量器与所述第二模数转换器的外部冷端补偿输入接口电连接，用于测量所述热电偶的冷端绝对温度，并将所述冷端绝对温度发送至所述第二模数转换器；所述第二绝对温度测量器与所述第二模数转换器的内部冷端补偿输入接口电连接，用于测量系统环境绝对温度，并将所述系统环境绝对温度发送至所述第二模数转换器。
可选的，所述第一绝对温度测量器和第二绝对温度测量器可以为硅传感器或者电阻传感器。
可选的，所述热电偶温度测量系统，还包括：协处理器；所述协处理器分别与所述主控芯片、所述第一模数转换器和所述第二模数转换器电连接，用于将所述主控芯片发出的控制信号传输至所述第一模数转换器和所述第二模数转换器，并将所述第一模数转换器和所述第二模数转换器输出的温度信号发送至所述主控芯片。
可选的，所述主控芯片通过第一串行总线与所述协处理器电连接；所述协处理器分别与所述第一模数转换器和第二模数转换器通过第二串行总线连接。
可选的，所述热电偶温度测量系统，还包括：PLC主机；所述主控芯片与所述PLC主机电连接，用于根据所述热端绝对温度形成调控信号，并将所述调控信号和所述热端绝对温度发送至所述PLC主机；所述PLC主机根据所述调控信号控制所述PLC主机发出调控指令。
可选的，所述主控芯片通过并行总线与所述PLC主机电连接；所述主控芯片还用于将所述热端绝对温度由串行信号转换为并行信号。
可选的，所述第一模数转换器和所述第二模数转换器为Σ-Δ模数转换器或SAR模数转换器。
可选的，所述第一模数转换器还包括：滤波电路；所述滤波电路设置于热端温度输入接口处，用于对所述热端测量温度进行滤波处理。
本发明中，通过第一模数转换器接收各热电偶测量的热端测量温度，并将热端测量温度传输至主控芯片，通过第二模数转换器接收热电偶的冷端绝对温度和热电偶温度测量系统的系统环境绝对温度，并将冷端绝对温度和系统环境绝对温度发送至主控芯片，使得主控芯片根据热端测量温度、冷端绝对温度和系统环境绝对温度，获取热端绝对温度，从而使得热电偶测量温度更将准确，增强热电偶的抗干扰特性，降低外界温度对于热电偶采集信号的影响。同时，第一模数转化器包括多个热端温度输入接口，集成度高，便于实现热电偶温度测量系统的体积小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种热电偶温度测量系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种热电偶温度测量系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的滤波电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种热电偶温度测量系统，参考图1，图1是本发明实施例提供的一种热电偶温度测量系统的结构示意图，该热电偶温度测量系统包括：
主控芯片11、第一模数转换器12和第二模数转换器13；
第一模数转换器12包括多个热端温度输入接口，用于分别接收对应热电偶2的热端测量温度；第一模数转换器12与主控芯片11电连接，用于将多个热端测量温度传输至主控芯片11；
第二模数转换器13包括外部冷端补偿输入接口T1和内部冷端补偿输入接口T2；外部冷端补偿输入接口T1用于接收热电偶2的冷端绝对温度；内部冷端补偿输入接口T2用于接收系统环境绝对温度；第二模数转换器13与主控芯片11电连接，用于将冷端绝对温度和系统环境绝对温度发送至主控芯片11；
主控芯片11根据热端测量温度、冷端绝对温度和系统环境绝对温度，获取热电偶2的热端绝对温度。
本发明中，通过第一模数转换器接收各热电偶测量的热端测量温度，并将热端测量温度传输至主控芯片，通过第二模数转换器接收热电偶的冷端绝对温度和热电偶温度测量系统的系统环境绝对温度，并将冷端绝对温度和系统环境绝对温度发送至主控芯片，使得主控芯片根据热端测量温度、冷端绝对温度和系统环境绝对温度，获取热端绝对温度，从而使得热电偶测量温度更将准确，增强热电偶的抗干扰特性，降低外界温度对于热电偶采集信号的影响。同时，第一模数转化器包括多个热端温度输入接口，集成度高，便于实现热电偶温度测量系统的体积小型化。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，每个热电偶2均包括冷端d2和热端d1，热电偶2测温的基本原理为两种不同材质导体组成闭合回路，当冷端d2和热端d1存在温度梯度时，回路中会有电流通过，此时冷端d2和热端d1之间存在热电动势。热端d1也称为工作端，用于测量待测试位置的温度，冷端d2又称为自由端，常常处于一个恒定的温度下，根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，根据该热电偶分度表，可通过测量的热电动势获取该热电偶热端d1的温度值，即通过测量的冷端d2和热端d1的电信号，可获取该热电偶热端d1的温度值。值的注意的是，不同材质导体构成的热电偶2的热电偶分度表不同，并且上述热电偶分度表是在冷端d2的绝对温度为0℃时得到的。在实际应用中是无法保证冷端d2的温度为0℃的，所以热电偶2的工作端测量的温度也是不够准确的。
本实施例通过第二模数转换器13的外部冷端补偿输入接口T1和内部冷端补偿输入接口T2分别接收热电偶2的冷端绝对温度和热电偶温度测量系统的系统绝对温度，对热端d1的热端测量温度进行补偿，从而获得准确的热端绝对温度，增强热电偶温度测量系统的可靠性。因为热电偶温度测量系统在工作过程中会产生部分热量，对系统周围环境具有一定的影响，所以通过测量系统绝对温度，对热电偶2的热端测量温度进一步进行补偿。
并且第一模数转换器12包括多个热端温度输入接口，可对应多个热电偶2，如图1所示，第一模数转换器12可设置四个热端温度输入接口TC1～TC4，每个热端温度输入接口对应一个热电偶2。第一模数转换器12可同时检测多个热电偶2的热端测量温度，提高了设备的集成度，减小了热电偶温度测量系统的体积。继续参考图1，多个热电偶2可共用一个冷端，以节省第二模数转换器13需要的外部冷端补偿输入接口T1的数量。
可选的，第一模数转换器12和第二模数转换器13可以为Σ-Δ模数转换器或SAR模数转换器。其中，Σ-Δ模数转换器测量精度较高，可实现24bit分辨率的热端温度采集，线性度(满量程)精度为±0.05％，精度为0.1℃，进一步提高热电偶温度测量系统的测量准确性，支持R、S、K、J、T等热电偶2的热端温度采集。SAR模数转换器同样具有低功耗、高分辨率、高精度和小尺寸的特点。
可选的，主控芯片可以为现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者单片机，进一步提高系统集成度、提高系统可靠性，此外，FPGA可反复进行使用，可通过不同的编程数据，实现不同的电路功能，提高热电偶温度测量系统的通用性。
可选的，第一模数转换器12还可用于将热端测量温度由模拟信号转换为数字信号；第二模数转换器13还可用于将冷端绝对温度和系统环境绝对温度由模拟信号转换为数字信号。本实施例中的热电偶温度测量系统采用数字式控制方法，故第一模数转换器12和第二模数转换器13需要将采集的温度信号均由模拟信号转换为数字信号。
可选的，继续参考图1，热电偶温度测量系统还可以包括：第一绝对温度测量器14和第二绝对温度测量器15；第一绝对温度测量器14与第二模数转换器13的外部冷端补偿输入接口T1电连接，用于测量热电偶2的冷端绝对温度，并将冷端绝对温度发送至第二模数转换器13；第二绝对温度测量器15与第二模数转换器13的内部冷端补偿输入接口T2电连接，用于测量系统环境绝对温度，并将系统环境绝对温度发送至第二模数转换器13。
第一绝对温度测量器14和第二绝对温度测量器15不同于热电偶，可直接对绝对温度进行精确测量，可选的，第一绝对温度测量器14和第二绝对温度测量器15可以为硅传感器或者电阻传感器，本实施中，第一绝对温度测量器14和第二绝对温度测量器15可采用铂电阻传感器。
可选的，参考图2，图2是本发明实施例提供的另一种热电偶温度测量系统的结构示意图，热电偶温度测量系统还可以包括：协处理器16；协处理器16分别与主控芯片11、第一模数转换器12和第二模数转换器13电连接，用于将主控芯片11发出的控制信号传输至第一模数转换器12和第二模数转换器13，并将第一模数转换器12和第二模数转换器13输出的温度信号发送至主控芯片11。
协处理器16用于实现主控芯片11与第一模数转换器12、第二模数转换器13的信号传输，并进行一定的稳压和滤波处理。具体的，协处理器16转发主控芯片11的控制信号至第一模数转换器12和第二模数转换器13，并发送第一模数转换器12和第二模数转换器13生成的数字形式的温度信号发送至主控芯片11。上述温度信号可包括第一模数转换器12发送的热端测量温度，或者第二模数转换器13发送的冷端绝对温度和系统环境绝对温度。
可选的，主控芯片11可通过第一串行总线与协处理器16电连接；协处理器16可分别与第一模数转换器12和第二模数转换器13通过第二串行总线连接。
第一模数转换器12发送的数字信号一位一位地在第一串行总线上传输，同理，第二模数转换器13发送的数字信号一位一位地在第二串行总线上传输。串行总线有利于热电偶温度测量系统覆盖更多的热电偶2，有利于提高热电偶温度测量系统的集成度。
可选的，继续参考图2，热电偶温度测量系统还可以包括：PLC主机17；主控芯片11与PLC主机17电连接，用于根据热端绝对温度形成调控信号，并将调控信号和热端绝对温度发送至PLC主机17；PLC主机17根据调控信号控制PLC主机17发出调控指令。
PLC主机17作为PLC设备的控制器，能够接收主控芯片11根据热端绝对温度生成的调控信号，并根据该调控信号生成调控指令，PLC设备根据调控指令执行相应的运行动作。示例性的，PLC设备为一个锅炉自动控制设备，热电偶2测量锅炉内温度，主控芯片11根据热电偶2的热端测量的热端测量温度，获取锅炉温度后，发送降温的调控信号至PLC主机17，使得PLC主机17发出降温命令。并且，PLC主机17可接收主控芯片11发送的热端绝对温度，可通过PLC设备上的显示装置对锅炉内温度进行显示，便于用户查看。
可选的，主控芯片11可通过并行总线与PLC主机17电连接；主控芯片11还可用于将热端绝对温度由串行信号转换为并行信号。
主控芯片11通过并行总线与PLC主机17电连接，使得主控芯片11能够快速将热端绝对温度以及调控信号发送至PLC主机17，实现对PLC设备的快速控制。并且主控芯片11通过并行总线发送信号时，可通过校验位进行校验，例如，可通过循环冗余校验进行校验，提高数据的可靠性。
可选的，第一模数转换器12还包括：滤波电路；滤波电路13设置于热端温度输入接口处，用于对热端测量温度进行滤波处理。
第一模数转换器12内的每个热端温度输入接口处设置滤波电路18，保证热端测量温度的准确性，也可在第二模数转换器13内的外部冷端补偿输入接口T1和内部冷端补偿输入接口T2处设置相同的滤波电路18，以保障冷端绝对温度和系统环境绝对温度等补偿信号的稳定性和抗干扰能力。
参考图3，图3是本发明实施例提供的滤波电路的结构示意图，图3中以热端温度输入接口的差分信号TC0+和TC0-为示例进行说明，差分信号TC0+和TC0-通过双向稳压二极管T1～T3，以抑制热端测量温度的电压信号瞬间过电压，当被保护电路瞬间出现浪涌脉冲电压时，双向稳压二极管能迅速齐纳击穿，由高阻状态变为低阻状态，对浪涌电压进行分流和箝位，从而保护电路中各元件不被瞬间浪涌脉冲电压损坏。
并且，滤波电路中还设置有共模抑制线圈L1，共模抑制线圈L1实质上是一个双向滤波器，一方面要滤除信号线上共模电磁干扰，另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。共模抑制线圈L1可以传输差模信号，直流和频率很低的共模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大的阻抗，可以用来抑制共模电流的干扰。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种热电偶温度测量系统，其特征在于，包括：主控芯片、第一模数转换器和第二模数转换器；
所述第一模数转换器包括多个热端温度输入接口，用于分别接收对应热电偶的热端测量温度；所述第一模数转换器与所述主控芯片电连接，用于将所述多个热端测量温度传输至所述主控芯片；
所述第二模数转换器包括外部冷端补偿输入接口和内部冷端补偿输入接口；所述外部冷端补偿输入接口用于接收所述热电偶的冷端绝对温度；所述内部冷端补偿输入接口用于接收系统环境绝对温度；所述第二模数转换器与所述主控芯片电连接，用于将所述冷端绝对温度和系统环境绝对温度发送至所述主控芯片；
所述主控芯片根据所述热端测量温度、所述冷端绝对温度和所述系统环境绝对温度，获取所述热电偶的热端绝对温度。
2.根据权利要求1所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，
所述第一模数转换器还用于将所述热端测量温度由模拟信号转换为数字信号；所述第二模数转换器还用于将所述冷端绝对温度和所述系统环境绝对温度由模拟信号转换为数字信号。
3.根据权利要求1所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，还包括：第一绝对温度测量器和第二绝对温度测量器；
所述第一绝对温度测量器与所述第二模数转换器的外部冷端补偿输入接口电连接，用于测量所述热电偶的冷端绝对温度，并将所述冷端绝对温度发送至所述第二模数转换器；
所述第二绝对温度测量器与所述第二模数转换器的内部冷端补偿输入接口电连接，用于测量系统环境绝对温度，并将所述系统环境绝对温度发送至所述第二模数转换器。
4.根据权利要求3所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，
所述第一绝对温度测量器和第二绝对温度测量器可以为硅传感器或者电阻传感器。
5.根据权利要求1所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，还包括：协处理器；
所述协处理器分别与所述主控芯片、所述第一模数转换器和所述第二模数转换器电连接，用于将所述主控芯片发出的控制信号传输至所述第一模数转换器和所述第二模数转换器，并将所述第一模数转换器和所述第二模数转换器输出的温度信号发送至所述主控芯片。
6.根据权利要求5所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，
所述主控芯片通过第一串行总线与所述协处理器电连接；
所述协处理器分别与所述第一模数转换器和第二模数转换器通过第二串行总线连接。
7.根据权利要求6所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，还包括：PLC主机；
所述主控芯片与所述PLC主机电连接，用于根据所述热端绝对温度形成调控信号，并将所述调控信号和所述热端绝对温度发送至所述PLC主机；
所述PLC主机根据所述调控信号控制所述PLC主机发出调控指令。
8.根据权利要求7所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，
所述主控芯片通过并行总线与所述PLC主机电连接；
所述主控芯片还用于将所述热端绝对温度由串行信号转换为并行信号。
9.根据权利要求1所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，
所述第一模数转换器和所述第二模数转换器为Σ-Δ模数转换器或SAR模数转换器。
10.根据权利要求1所述的热电偶温度测量系统，其特征在于，所述第一模数转换器还包括：滤波电路；所述滤波电路设置于热端温度输入接口处，用于对所述热端测量温度进行滤波处理。
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