CN110088581A - 用于驱动热电偶元件的电子电路、温度感测设备、以及用于观察热电偶元件的泄漏电阻的方法 - Google Patents

Abstract

用于驱动热电偶元件的电子电路、温度感测设备和用于观察热电偶元件的泄漏电阻的方法。本发明涉及用于驱动热电偶元件（11）的电子电路（12），包括用于连接热电偶元件（11）的冷端电极（14）的接触电极（15,16）和被设计为测量在接触电极（15,16）之间由热电偶元件（11）生成的热电压（18'）的测量线路（17）。本发明的特征在于接触电极（16）中的一个被通过具有电阻器（21,22）的分压器（19）连接到电子电路（12）的供给电压（V0）和地电位（23），所述电阻器（21,22）具有预限定的电阻值，使得如果在接触电极（16）和地电位（23）之间有效的泄漏电阻（33）与预限定的阈值相比更大，则在接触电极（16）和地电位（23）之间的共模电压（20）在预限定的范围内。

Description

用于驱动热电偶元件的电子电路、温度感测设备、以及用于观 察热电偶元件的泄漏电阻的方法

本发明涉及用于使用或者驱动热电偶元件的电子电路。本发明还提供包括热电偶元件和电子电路的温度感测设备。本发明还提供用于使用热电偶元件来确定与温度相关的信号并且用于观察热电偶元件的泄漏电阻的方法。

能够在所谓的矿物绝缘线缆的基础上生产用于高温传感器的感测元件。矿物绝缘线缆可以包括在其中能够布置形成所谓的热电偶的布线的管状护套。为了使布线相对于护套电绝缘，可以利用矿物粉末（例如氧化镁或者氧化铝）来填充在布线和护套之间的空间。在热电偶元件的所谓的冷端侧处，热电偶布线在热电效应的基础上生成热电压。热电压的值是在热电偶元件的冷端侧和相对的热端侧之间的温度差的函数。布线在冷端侧处的一端在后续被称为冷端电极。

在矿物绝缘护套内部的矿物粉末（尤其是氧化镁）是强亲水物并且因此自然地吸收水分或者环境湿度。然而，所吸收的水分或者环境湿度导致矿物粉末的电绝缘特性的劣化。这最终可能导致温度传感器测量精度的劣化。

本发明的目的是即使是在电绝缘矿物粉末中存在湿气的情况下也在热电偶元件的基础上提供精确的温度测量。

该目的是通过独立权利要求的主题来解决的。

通过独立权利要求的主题来实现该目的。在下面的描述、从属权利要求和各图中指明利用本发明的方便和非平凡的进一步实施例的有利发展。

本发明提供用于使用或者驱动热电偶元件的电子电路。热电偶元件可以被连接到该电子电路。为此，接触电极被提供用于连接热电偶元件的冷端电极。冷端电极可以例如借助于扩展布线被连接到接触电极。

电子电路包括测量线路，该测量线路被设计为如果冷端电极被连接到接触电极，则测量在接触电极之间由热电偶元件生成的热电压。可以根据现有技术来设计测量线路。

如已经解释的那样，热电压是在热电偶元件的冷端电极和热端侧之间的温度差的函数。因此热电压的值提供关于在热电偶元件的冷端电极和热端侧之间的相对温度差的信息。

为了确保这种热电压的测量不受由例如湿度引起的泄漏电阻影响，创新的电子电路提供以下附加的特征。接触电极中的一个被连接到电子电路的供给电压和地电位这两者。该连接由具有电阻器的分压器提供，所述电阻器具有预限定的电阻值。换句话说，所述接触电极可以经电阻器中的一个被连接到供给电压。接触电极能够经电阻器中的另一个被连接到地电位。通过将接触电极连接到分压器，在接触电极和地电位之间生成共模电压CMV。如果在接触电极和地电位之间有效的泄漏电阻大于预限定的阈值，则共模电压的值在预限定的范围之内。换句话说，如果泄漏电阻高于阈值，则共模电压的值本质上是由分压器的电阻器的电阻值来限定的。然而，如果泄漏电阻低于阈值，则泄漏电阻具有类似于与将接触电极连接到地电位的电阻器并联连接的附加电阻器的效果。换句话说，电阻器和泄漏电阻的并联连接的有效电阻造成使共模电压降低的有效电阻值，使得共模电压的值在预限定范围之外。换句话说，根据本发明的电子电路提供通过测量在接触电极中的一个和地电位之间有效的共模电压来提供观察泄漏电阻的值的可能性。

提供被设计为将共模电压与预限定的范围或者值的范围进行比较的监督单元。监督单元被设计为如果共模电压在所述范围之外，则执行预限定的例程。换句话说，监督单元检测对于提供热电压的准确测量来说太低的泄漏电阻。在这种情况下，执行预限定的例程。监督单元可以是在微控制器或者比较器的基础上提供的。

例程包括生成用于校准测量线路的至少一个校准值。换句话说，测量线路适配于泄漏电阻的当前值。这提供了通过将泄漏电阻的值考虑在内或者通过补偿泄漏电阻的值来提供获得热电压和/或温度的准确测量的可能性。单个校准值可以是例如用于校正或者适配例如在未考虑泄漏电阻的值的预限定标准例程的基础上计算的温度值的偏差值（例如，-3℃）。若干个校准值可以提供数学描述，例如用于将热电压与温度相关联/使热电压关联于温度的数学函数。因此，借助于至少一个校准值，减少了在温度的测量温度值和真实温度值之间的差。

本发明还包括提供给予附加技术优点的特征的可选实施例。

可以在如下的函数或者模型的基础上生成或者计算所述至少一个校准值：所述函数或者模型描述在泄漏电阻和共模电压之间的函数关系和/或在泄漏电阻和热电压之间的函数关系。这样的函数或者模型可以是例如以表的形式提供的或者是在参数方程的基础上提供的。在接触电极之间的热电压的测量受泄漏电阻影响的情况下，通过使用这样的函数或者模型，共模电压的测量可以被用于得出泄漏电阻的值和/或确定热电压的真实值。

为了将测量线路用于热电压的测量和共模电压的测量这两者，所述接触电极优选地经如下的开关连接到测量线路的测量电极：所述开关被设计为将测量电极交替地连接到接触电极以及地电位（另一情况下）。电子电路包括控制线路，所述控制线路被设计为致动所述开关以使得测量线路交替地测量热电压和共模电压。因此，一个单个的测量线路可以被用于对如下这两者的测量：用于确定温度的热电压；以及用于观察或者确定泄漏电阻的共模电压。控制线路可以是在微控制器的基础上提供的。

优选地提供在后续被称为连接开关的进一步的开关。连接开关被连接到接触电极以使得通过闭合连接开关来在接触电极之间提供短路。这提供了如下优点：如果连接开关是闭合的，则热电压不影响共模电压的测量。这提供了泄漏电阻的更准确的测量。通过打开连接开关，热电压在接触电极之间可用。

例程还可以包括生成以信号告知低的泄漏电阻值的警告信号。术语“低”意味着泄漏电阻值在所描述的范围之外。通过生成警告信号，可以将测量可能受低泄漏电阻影响或者由于低泄漏电阻而被歪曲通知给电子电路的用户或者接收热电压的测量值或从热电压得出的温度值的系统。

在一个实施例中，接地接触电极被提供用于将热电偶元件的矿物绝缘线缆的护套连接到地电位。这提供了如下优点：能够在电子电路的基础上观察由在护套内部的水分和/或环境湿度引起的泄漏电阻。

将热电偶元件与根据本发明的电子电路进行组合造成创新的温度感测设备。

最后，本发明还包括用于使用热电偶元件来确定与温度相关的信号并且用于观察热电偶元件的泄漏电阻的方法。与温度相关的信号可以是例如热电压的测量信号或者从热电压得出（例如，通过缩放）的温度信号。以所描述的方式，测量线路测量作为热电偶元件的冷端电极和热端侧之间的温度差的函数的、在电子电路的接触电极之间由热电偶元件生成的热电压。如已经描述的那样，接触电极中的一个经分压器的相应的电阻器连接到电子电路的供给电压和地电位，其中电阻器具有预限定的电阻值。因此，分压器在接触电极和地电位之间生成共模电压，其中如果在接触电极和地电位之间有效的泄漏电阻大于预限定的阈值，则共模电压在预限定的范围之内。

本发明还包括创新方法的进一步的发展，所述进一步的发展包括如以下的特征：已经将它们与电子电路的进一步的发展相关地进行了描述。出于该原因，在此不再描述创新方法的进一步的发展的对应特征。

在下面描述本发明的示例性实现。各图示出：

图1是在第一测量模式中的创新的温度感测设备的实施例的示意性图示；以及

图2是在第二测量模式中的温度感测设备的示意性图示。

在下面解释的实施例是本发明的优选的实施例。然而，在实施例中，所描述的实施例的组件每个都表示本发明的单独的特征，所述特征要被彼此独立地考虑并且每个也都彼此独立地发展本发明，并且由此还要被认为是本发明的采用单独的方式或者采用除了所示出的组合的另外的方式的组件。更进一步地，所描述的实施例还能够通过本发明的已经描述的进一步的特征来补充。

在各图中，利用相同的参考标号标记提供同样功能的元件。

图1示出温度感测设备10，其包括热电偶元件11和电子电路12以及将热电偶元件11的冷端电极14与电子电路12的接触电极15、16进行连接的布线13。电子电路12可以是例如基于印制电路板12'的。电子电路12可以包括被设计为测量接触电极15、16之间的电压18的电压测量线路17。测量线路17能够生成作为测量电压18的函数的测量信号V。电压测量线路17可以是如从现有技术已知的那样设计的。

附加地，电子电路12可以包括分压器19，其被连接到接触电极16中的一个并且被设计为在接触电极16处提供电压20。为了提供电压20，分压器19包括用于以已知方式划分供给电压V0的电阻器21、22。分压器19能够将供给电压V0与地电位23进行连接。进一步地，电子电路12能够包括开关24、25。开关24、25可以被提供为例如晶体管或者继电器。

开关24、25能够由控制线路26来控制。开关24可以被控制以或者将接触电极16与电压测量线路17的测量电极17进行连接或者将测量电极27连接到地电位23。开关25可以被控制以交替地进行如下：在接触电极15、16之间提供短路；以及将接触电极15、16断连。控制线路26能够包括例如微控制器。

图1示出用于测量作为电压18的热电压18'的在测量模式M1中的温度感测设备10。为此，控制线路26控制开关24、25以使得开关24将测量电极27与接触电极16进行连接，并且开关25将接触电极15、16断连。分压器19对于由电压测量线路17进行的热电压18'的测量没有影响。热电压18'是由两个热电偶布线28、29生成的，该两个热电偶布线28、29被由在热电偶元件11的所谓的热端侧31处的接合部30连接。热电压18'是在热端侧31和所谓的冷端侧32处的温度差的函数，在冷端侧32处冷端电极14被连接到布线13。

因此在测量模式M1中由测量线路17测量的电压是温度差的函数。

图2图示用于确定或者检查泄漏电阻33的值的第二测量模式M2。泄漏电阻33不是电子元件，但是可能得自于例如可能已经到达热电偶元件11的布线28、29的湿气。例如，布线28、29可以是矿物绝缘线缆34的一部分。泄漏电阻33可以是在布线28、29和线缆34的外部护套35之间有效的。护套35可以被电连接到电子电路12的接地接触电极36。接地接触电极36可以被连接到地电位23。

如果泄漏电阻33的值高于预限定的阈值，则由分压器19生成的电压20具有在预限定范围中的值。

在第二测量模式M2中，为了测量电压20，切换开关24以使得电压测量线路17的测量电极27被连接到地电位23。闭合开关25以在接触电极15、16之间提供短路。

换句话说，在测量模式M2中，电压测量线路17在测量电极27处被连接到地电位并且在另一个测量电极处被连接到电极16（通过穿过热电偶元件11）。

在泄漏电阻33高于所述阈值的情况下，仅有的显著的电流流经电阻器22，造成针对电压20的值在预限定的范围之内。然而，如果泄漏电阻33低于给定的阈值，则电压20造成与由范围限定的值相比更低的值。

这能够使用电压测量线路17来检测。例如，被使用用于提供控制线路26的微控制器还能够提供监督线路26'。如果所测量的电压20低于某个阈值，则能够生成指示泄漏电阻33太低的信号37。附加地或者替换地，能够执行校准以使得泄漏电阻33的值在测量模式M1中被考虑或者被补偿。

这在以下三个步骤中解决精度的问题：

a) 通过建立在绝缘电阻33和所测量的热电偶电压18关于实际热电压18'的改变之间的关系；

b) 通过从CMV值20提取电隔离电阻33；

c) 通过补偿热电压偏移来恢复温度感测设备10的测量精度。

该解决方案背后的原理在于建立在隔离电阻33和热电压偏移之间的关系并且将其用于补偿。这造成关于进入热电偶元件11内部的湿气侵入的更强健的设计。

优点是：

a) 改进在寿命期内的测量精度；

b) 更强健的传感器设计；

c) 成本效益，因为可以减少用以收紧热电偶元件11的努力。

能够利用在图1和图2中图示的设备10来执行用于测量热电压18'和泄漏电阻33的一种可能的方法：

a) 测量在接触电极15、16之间的热电压18'（图1，M2）；

b) 测量共模电压20，而接触电极15、16是短路的。（图2，M2）；

c) 计算由于电隔离电阻下降所致的热电压偏移；

d) 针对在测量模式M1中测量的热电压值上的该效应进行校正；

e) 根据校正的热电压对在热端侧31处的热结温度进行标准计算。

总的来说，示例示出通过本发明如何提供针对在基于热电偶的高温传感器中的绝缘电阻下降的补偿。

Claims (8)

1.一种用于驱动热电偶元件（11）的电子电路（12），包括：

- 接触电极（15,16），用于连接所述热电偶元件（11）的冷端电极（14），以及

- 测量线路（17），其被设计为测量在所述接触电极（15,16）之间由所述热电偶元件（11）生成的作为在所述热电偶元件（11）的所述冷端电极（14）和热端侧（31）之间的温度差的函数的热电压（18'），其特征在于：

所述接触电极（16）中的一个经具有电阻器（21,22）的分压器（19）连接到所述电子电路（12）的供给电压（V0）和地电位（23），所述电阻器（21,22）具有预限定的电阻值，使得如果在所述接触电极（16）和所述地电位（23）之间有效的泄漏电阻（33）与预限定的阈值相比更大，则在所述接触电极（16）和所述地电位（23）之间的共模电压（20）在预限定的范围之内，其中监督单元（26'）被设计为将所述共模电压（20）与所述预限定的范围进行比较，并且如果所述共模电压（20）在该范围之外，则执行预限定的例程，所述例程包括生成用于校准所述测量线路（17）的至少一个校准值。

2.根据权利要求1所述的电子电路（12），其中所述至少一个校准值是在描述所述泄漏电阻（33）和所述共模电压（20）之间的函数关系和/或在所述泄漏电阻（33）和所述热电压（18'）之间的函数关系的函数或者模型的基础上计算的。

3.根据前述权利要求中的任何一个所述的电子电路（12），其中通过被设计为交替地将测量电极（27）连接到所述接触电极（16）和所述地电位（23）的开关（24）来将所述接触电极（16）连接到所述测量线路（17）的所述测量电极（27），其中控制线路（26）被设计为致动所述开关，使得测量线路（17）交替地测量所述热电压（18'）和所述共模电压（20）。

4.根据前述权利要求中的任何一个所述的电子电路（12），其中提供连接到所述接触电极（15,16）的连接开关（25），使得通过闭合所述连接开关（25）来在所述接触电极（15,16）之间提供短路。

5.根据前述权利要求中的任何一个所述的电子电路（12），其中所述例程包括生成以信号告知低泄漏电阻值的警告信号（37）。

6.根据前述权利要求中的任何一个所述的电子电路（12），其中接地接触电极（36）被提供用于将所述热电偶元件（11）的矿物绝缘线缆（34）的护套（35）连接到所述地电位（23）。

7.一种温度感测设备（10）包括根据前述权利要求中的任何一个所述的热电偶元件（11）和电子电路（12）。

8.一种用于使用热电偶元件（11）确定与温度相关的信号（V）并且用于观察热电偶元件（11）的泄漏电阻（33）的方法，其中测量线路（17）测量在电子电路（12）的接触电极（15,16）之间由所述热电偶元件（11）生成的作为在所述热电偶元件（11）的冷端电极（14）和热端侧（31）之间的温度差的函数的热电压（18'），其的特征在于：

所述接触电极（16）中的一个经具有电阻器（21,22）的分压器（19）连接到所述电子电路（12）的供给电压（V0）和地电位（23），所述电阻器（21,22）具有预限定的电阻值，其中所述分压器（19）在所述接触电极（16）和所述地电位（23）之间生成共模电压（20），其中如果在所述接触电极（16）和所述地电位（23）之间有效的泄漏电阻（33）与预限定的阈值相比更大，则所述共模电压（20）在预限定的范围之内，其中监督单元（26'）将所述共模电压（20）与所述预限定的范围进行比较，并且如果所述共模电压（20）在所述范围之外，则执行预限定的例程，所述例程包括生成用于校准所述测量线路（17）的至少一个校准值。