CN111121996A - 一种高精度热电偶温度检测系统及方法 - Google Patents

一种高精度热电偶温度检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热电偶温度补偿技术领域，具体地说，涉及一种高精度热电偶温度检测系统及方法。该系统包括：电源电路，其用于提供工作电压；温度检测电路，其包括用于检测温度的热电偶、用于对热电偶处产生的模拟信号进行滤波的输入保护电路和用于将经滤波后的模拟信号转换为数字信号的AD电路；冷端温度补偿电路，其用于对热电偶冷端温度进行检测并转换成数字信号；以及MCU电路，MCU电路的SPI接口通过第一隔离电路与温度检测电路连接、通过第二隔离电路与冷端温度补偿电路连接，MCU电路用于根据温度检测电路和冷端温度补偿电路的输出检测温度。该方法基于上述系统实现。本发明测量精度较高且设计和调试成本较低。

Description

一种高精度热电偶温度检测系统及方法
技术领域
本发明涉及热电偶温度补偿技术领域，具体地说，涉及一种高精度热电偶温度检测系统及方法。
背景技术
热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件，采用热电偶对温度进行测量已成为在合理精度内较高性价比测量宽温度范围的工业标准方法。热电偶主要由在一头相连的两根不同材质的金属线组成，其相连端称为测量接合点(也即热端)，其不相连端通过接入信号调理电路并通过未处理器对信号进行处理进而获取温度读数，该不相连端与信号调理电路间的节点称为参考接合点(也即冷端)。
热电偶的测温原理为，在其热端(测量端)与冷端(基准端)之间产生温度差时，热电偶在热端与冷端之间会产生热电动势，通过对热电动势的处理即可获取热端所测量温度。基于热电偶的该种测量原理可知，热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件，故必须知道参考接合点(即冷端)处的温度才可以获得较为精确的绝对温度读数。在热电偶的测量过程中，需要对冷端的温度进行知晓，这一过程也被称为参考接合点温度补偿。
虽然热电偶在相当宽的温度范围内能够提供较为稳定可靠的温度测量，但由于其测量原理，在将热电偶处的热电动势转换成可用的温度读数前需进行大量的信号调理。而热电偶的信号调理比其它温度测量系统的信号调理更为复杂，处理稍有不当就会引入误差，进而导致测量精度的降低。故对热电偶处的信号进行调理往往会耗费大量的设计时间，而这会延长产品的上市时间。故在工业运用中面对需要在设计时间与精度之间进行折衷的情形时，热电偶优势难以彰显。
发明内容
本发明提供了一种高精度热电偶温度检测系统，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种高精度热电偶温度检测系统，其包括：
电源电路，其用于提供工作电压；
温度检测电路，其包括用于检测温度的热电偶、用于对热电偶处产生的模拟信号进行滤波的输入保护电路和用于将经滤波后的模拟信号转换为数字信号的AD电路；
冷端温度补偿电路，其用于对热电偶冷端温度进行检测并转换成数字信号；以及
MCU电路，MCU电路的SPI接口通过第一隔离电路与温度检测电路连接、通过第二隔离电路与冷端温度补偿电路连接，MCU电路用于根据温度检测电路和冷端温度补偿电路的输出检测温度。
本发明中，通过设置冷端温度补偿电路对热电偶的冷端温度进行检测，使得MCU电路能够根据温度检测电路与冷端温度补偿电路所检测的数值获取热电偶处的检测温度，故而能够较佳的实现对热电偶的冷端补偿，进而能够较佳地提升热电偶的测量精度，且由于冷端温度补偿电路是通过直接测量热电偶冷端处的温度以实现温度补偿，故整体电路的设计时间和调试时间也较短。
作为优选，热电偶为J、K或T型热电偶。故适用范围较广，能够较佳地适配多种型号的现有热电偶。
作为优选，热电偶通过接线端子接入输入保护电路，输入保护电路包括分别设于接线端子每个引脚处的第一TVS二级管和第二TVS二级管，以及采用电容C7、电容C8、电容C9、电阻R9和电阻R10构成的RF衰减滤波器，RF衰减滤波器在-3dB差分和共模带宽分别是7.9kHz和1.6MHz。通过设置第一TVS二级管D5-C和第二TVS二级管D5-D构建T VS网络，能够较佳地对热电偶TC处所产生的瞬态信号进行抑制；而通过电容C7、电容C8、电容C9、电阻R9和电阻R10所构成的RF衰减滤波器，能够具备如下作用：1、能够较佳地从输入线路中去掉尽可能多的RF能量，以保持每条线路和地之间的交流信号平衡；2、能够维持足够高的测量带宽输入阻抗，以避免载入信号源。
作为优选，AD电路包括芯片AD7793，芯片AD7793由电源电路供电；芯片AD7793的AIN+引脚和AIN-引脚分别接入输入保护电路的输出端，芯片AD7793的DOUT引脚、DIN引脚、SCLK引脚和CS引脚通过第一隔离电路与MCU电路的SPI接口连接。从而能够较佳地对热电偶处产生的模拟信号进行处理，进而生成便于MCU电路处理的数字信号。
作为优选，冷端温度补偿电路包括芯片ADT7320，芯片ADT7320由电源电路供电；芯片ADT7320的DOUT引脚、DIN引脚、SCLK引脚和CS引脚通过第二隔离电路与MCU电路的SPI接口连接。从而能够较佳地对热电偶冷端处的温度进行较为精确的实时检测。
作为优选，MCU电路包括微处理器芯片，芯片AD7793和芯片ADT7320的DOUT引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_MISO引脚，芯片AD7793和芯片ADT7320的DIN引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_MOSI引脚，芯片AD7793和芯片ADT7320的SCLK引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_CLK引脚，芯片AD7793的CS引脚通过第一隔离电路接入微处理器芯片的SPI_SEL_A引脚，芯片ADT7320的CS引脚通过第二隔离电路接入微处理器芯片的SPI_SEL_B引脚。从而能够较佳地实现芯片AD7793和芯片ADT7320与MCU电路间的数据传输。
作为优选，第一隔离电路和第二隔离电路均包括芯片ADuM1401。从而能够较佳地提供信号隔离。
作为优选，电源电路包括电源保护电路和电源转换电路。通过电源保护电路和电源转换电路能够较佳避免电源处所产生的干扰。
基于上述的任一系统，本发明还提供了一种高精度热电偶温度检测方法，其包括如下步骤：
步骤一、采用一温度检测电路对热电偶处的检测信号进行处理并获取表征热电偶处的电压的数字信号；
步骤二、采用一冷端温度补偿电路对热电偶的冷端温度进行检测并转换成数字信号；
步骤三、采用一MCU电路对步骤一和步骤二中获取的信号进行处理，进而获取热电偶处所检测的温度值。
作为优选，步骤三中，MCU电路首先通过SPI接口读取当前时刻下冷端温度补偿电路处的信号，之后使用美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式将此参考温度测量值转换成等效热电电压；之后MCU电路能够将对冷端温度补偿电路处的信号换算后的等效热电电压与温度检测电路处的输出相加，之后再次根据美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式即可获取热电偶(TC)所检测的温度。
通过上述的方法，能够较佳地对热电偶处的检测信号进行补偿。
附图说明
图1为实施例1中的一种高精度热电偶温度检测系统的框图示意图；
图2为实施例1中的一种高精度热电偶温度检测系统的电路图示意图；
图3为实施例1中的电源保护电路的电路图示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
本实施例提供了一种高精度热电偶温度检测系统，通过该系统的冷端温度补偿方案，使得热电偶的测量精度更高，且可更灵活地运用于多种类型的热电偶中。
如图1所示，本实施例提供了一种高精度热电偶温度检测系统，其包括：
电源电路，其用于提供工作电压；
温度检测电路，其包括用于检测温度的热电偶TC、用于对热电偶TC处产生的模拟信号进行滤波的输入保护电路和用于将经滤波后的模拟信号转换为数字信号的AD电路；
冷端温度补偿电路，其用于对热电偶TC冷端温度进行检测并转换成数字信号；以及
MCU电路，MCU电路的SPI接口通过第一隔离电路与温度检测电路连接、通过第二隔离电路与冷端温度补偿电路连接，MCU电路用于根据温度检测电路和冷端温度补偿电路的输出检测温度。
本实施例中，通过设置冷端温度补偿电路对热电偶TC的冷端温度进行检测，使得MCU电路能够根据温度检测电路与冷端温度补偿电路所检测的数值获取热电偶TC处的检测温度，故而能够较佳的实现对热电偶TC的冷端补偿，进而能够较佳地提升热电偶的测量精度，且由于冷端温度补偿电路是通过直接测量热电偶TC冷端处的温度以实现温度补偿，故整体电路的设计时间和调试时间也较短。
本实施例中，热电偶TC为J、K或T型热电偶。故本实施例中的系统适用范围较广，能够较佳地适配多种型号的现有热电偶。
结合图2所示，热电偶TC通过接线端子J2接入输入保护电路，输入保护电路包括分别设于接线端子J2每个引脚处的第一TVS二级管D5-C和第二TVS二级管D5-D，以及采用电容C7、电容C8、电容C9、电阻R9和电阻R10构成的RF衰减滤波器，RF衰减滤波器在-3dB差分和共模带宽分别是7.9kHz和1.6MHz。
本实施例所设置的输入保护电路中，通过设置第一TVS二级管D5-C和第二TVS二级管D5-D构建T VS网络，能够较佳地对热电偶TC处所产生的瞬态信号进行抑制；而通过电容C7、电容C8、电容C9、电阻R9和电阻R10所构成的RF衰减滤波器，能够具备如下作用：1、能够较佳地从输入线路中去掉尽可能多的RF能量，以保持每条线路和地之间的交流信号平衡；2、能够维持足够高的测量带宽输入阻抗，以避免载入信号源。
结合图2所示，AD电路包括芯片AD7793，芯片AD7793由电源电路供电；芯片AD7793的AIN+引脚和AIN-引脚分别接入输入保护电路的输出端，芯片AD7793的DOUT引脚、DIN引脚、SCLK引脚和CS引脚通过第一隔离电路与MCU电路的SPI接口连接。
本实施例中，通过采用芯片AD7793构建AD电路，热电偶TC的输出通过输入保护电路的滤波处理后，能够作为一对差分输入连接至芯片AD7793的AIN+引脚和AIN-引脚，自AIN+引脚和AIN-引脚处接入的输入在芯片AD7793内能够依次经一个多路复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器后对热电偶TC处产生的小信号进行放大并在一个ADC单元处转换成数字信号，进而能够较佳的通过高精度、低功耗的方式测量热电偶TC的电压。
结合图2所示，冷端温度补偿电路包括芯片ADT7320，芯片ADT7320由电源电路供电；芯片ADT7320的DOUT引脚、DIN引脚、SCLK引脚和CS引脚通过第二隔离电路与MCU电路的SPI接口连接。
本实施例中，能够通过芯片ADT7320构建冷端温度补偿电路，芯片ADT7320作为一个数字式温度检测芯片，其能够充分靠近热电偶TC的冷端放置，且芯片ADT7320在–10℃至+85℃温度范围内的温度测量精度可达到±0.2℃，故温度检测精度较高。芯片ADT7320在对温度进行检测时，能够产生与绝对温度成正比的电压，该电压通过其内部处理能够将输出一个16位的数字式温度数据，故便于MCU电路的后续数据处理。由于芯片ADT7320在整个额定温度范围–40℃至+125℃内均呈现出色的线性度，故不需要用户校正或校准，因而其数字输出可视为参考接合点状态的较精确表示，故能够大大降低整体系统的设计和调试时间。
结合图2所示，MCU电路包括微处理器芯片，芯片AD7793和芯片ADT7320的DOUT引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_MISO引脚，芯片AD7793和芯片ADT7320的DIN引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_MOSI引脚，芯片AD7793和芯片ADT7320的SCLK引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_CLK引脚，芯片AD7793的CS引脚通过第一隔离电路接入微处理器芯片的SPI_SEL_A引脚，芯片ADT7320的CS引脚通过第二隔离电路接入微处理器芯片的SPI_SEL_B引脚。
本实施例中，MCU电路能够主要采用芯片STM32F103构建，通过在芯片STM32F103处构建SPI接口，即可较佳地实现对芯片AD7793和芯片ADT7320的控制。其中，芯片AD7793和芯片ADT7320能够通过同一或不同的SPI接口接入芯片STM32F103，芯片STM32F103处构建的SPI接口包括主设备数据输入信号接口(即SPI_MISO引脚)、主设备数据输出信号接口(即SPI_MOSI引脚)、时钟信号接口(即SPI_CLK引脚)以及片选信号接口(即SPI_SEL_A引脚和SPI_SEL_B引脚)。本实施例中，芯片AD7793和芯片ADT7320通过同一SPI接口接入芯片STM32F103，为实现片选功能，设置两个片选信号接口(即SPI_SEL_A引脚和SPI_SEL_B引脚)分别作为芯片AD7793和芯片ADT7320的片选信号输出。
基于本实施例的系统，其检测方法包括如下步骤：
步骤一、采用一温度检测电路对热电偶TC处的检测信号进行处理并获取表征热电偶TC处的电压的数字信号；
步骤二、采用一冷端温度补偿电路对热电偶TC的冷端温度进行检测并转换成数字信号；
步骤三、采用一MCU电路对步骤一和步骤二中获取的信号进行处理，进而获取热电偶TC处所检测的温度值。
本实施例中，温度检测电路处的输出为表征热电偶TC处的电压的数字信号，冷端温度补偿电路处的输出为表征热电偶TC冷端温度的数字信号；故MCU电路在对冷端温度补偿电路和温度检测电路处的输出进行处理时，能够首先通过SPI接口读取当前时刻下冷端温度补偿电路处的信号，之后使用美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式将此参考温度测量值转换成等效热电电压；根据NIST ITS-90热电偶数据库，多项式系数为：T＝d0+d1E+d2E2+...dNEN，式中：T为温度，单位为℃；E为热电偶输出(VOUT)，单位为mV；dN为多项式系数，每一热电偶的系数是唯一的；N为多项式的最大阶数；之后MCU电路能够将对冷端温度补偿电路处的信号换算后的等效热电电压与温度检测电路处的输出相加，之后再次根据NIST公式即可获取热电偶TC所检测的温度。
本实施例中，第一隔离电路和第二隔离电路均包括芯片ADuM1401。其中，ADuM1401数字隔离器采用
Figure BDA0002369334080000081
技术，能够为MCU和远端负载之间，或者输入/输出模块和背板之间提供必要的隔离；ADuM1401的3个通道在一个方向上进行通信，第4个通道在相反方向进行通信，提供来自转换器的隔离数据回读。
本实施例中，电源电路包括电源保护电路和电源转换电路。通过电源保护电路和电源转换电路能够较佳避免电源处所产生的干扰。
结合图3所示，其为本实施例中的电源保护电路的电路图，其左端通过接线端子P1接入+24V电源，其右端作为电源转换电路的输入，电源转换电路为DC-DC转换电路，其用于产生各种芯片的工作电压VDD。
其中，为了本实施例中的系统免于电源端口可能产生的各种干扰，本实施例中的电源保护电路在板级设计中采取下列改进措施：
1、压敏电阻R1被连接到靠近+24V电源输入端口的接地端(GND)
这使得，在常规操作期间，压敏电阻R1的阻抗非常高，因此漏电流很低微，当一个电流浪涌(例如由闪电引起)被感应到+24V电源输入端口时，压敏电阻R1会被击穿，微小的电压变化就会导致快速的电流变化；在数十纳秒(ns)内，压敏电阻R1的阻抗就会显著下降；这种低阻抗路径可使得多余的能量浪涌返回到输入端，这样就保护了IC线路；
此外，3个可选的压敏电阻(R2、R3和R4)也被连接到输入路径中，以便在PLC板采用3线配置供电时提供保护，这些压敏电阻的成本一般低于1美元，故而成本较低；
2、一个正温度系数电阻PTC1与电源输入走线串联连接
这使得，在常规运行期间，PTC1的阻抗非常低，对电路的其余部分没有影响；当电流超出标称值时，PTC1的温度和阻抗都会迅速增加，这种高阻抗模式限制了电流并保护了输入电路，当电流减少到标称值时，阻抗就回到标准值；
3、当检测系统浮动时，Y电容器C2、C3和C4可抑制共模传导EMI；
4、电感器L1和L2滤掉从电源端口进入的共模传导干扰信号，二极管D1保护系统不受反向电压影响，工作电流下规定了一个低的正向电压的通用硅或肖特基二极管可被使用。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：包括，
电源电路，其用于提供工作电压；
温度检测电路，其包括用于检测温度的热电偶(TC)、用于对热电偶(TC)处产生的模拟信号进行滤波的输入保护电路和用于将经滤波后的模拟信号转换为数字信号的AD电路；
冷端温度补偿电路，其用于对热电偶(TC)冷端温度进行检测并转换成数字信号；以及
MCU电路，MCU电路的SPI接口通过第一隔离电路与温度检测电路连接、通过第二隔离电路与冷端温度补偿电路连接，MCU电路用于根据温度检测电路和冷端温度补偿电路的输出检测温度。
2.根据权利要求1所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：热电偶(TC)为J、K或T型热电偶。
3.根据权利要求2所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：热电偶(TC)通过接线端子(J2)接入输入保护电路，输入保护电路包括分别设于接线端子(J2)每个引脚处的第一TVS二级管(D5-C)和第二TVS二级管(D5-D)，以及采用电容C7、电容C8、电容C9、电阻R9和电阻R10构成的RF衰减滤波器，RF衰减滤波器在-3dB差分和共模带宽分别是7.9kHz和1.6MHz。
4.根据权利要求3所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：AD电路包括芯片AD7793，芯片AD7793由电源电路供电；芯片AD7793的AIN+引脚和AIN-引脚分别接入输入保护电路的输出端，芯片AD7793的DOUT引脚、DIN引脚、SCLK引脚和CS引脚通过第一隔离电路与MCU电路的SPI接口连接。
5.根据权利要求4所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：冷端温度补偿电路包括芯片ADT7320，芯片ADT7320由电源电路供电；芯片ADT7320的DOUT引脚、DIN引脚、SCLK引脚和CS引脚通过第二隔离电路与MCU电路的SPI接口连接。
6.根据权利要求5所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：MCU电路包括微处理器芯片，芯片AD7793和芯片ADT7320的DOUT引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_MISO引脚，芯片AD7793和芯片ADT7320的DIN引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_MOSI引脚，芯片AD7793和芯片ADT7320的SCLK引脚分别通过第一隔离电路和第二隔离电路同时接入微处理器芯片的SPI_CLK引脚，芯片AD7793的CS引脚通过第一隔离电路接入微处理器芯片的SPI_SEL_A引脚，芯片ADT7320的CS引脚通过第二隔离电路接入微处理器芯片的SPI_SEL_B引脚。
7.根据权利要求6所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：第一隔离电路和第二隔离电路均包括芯片ADuM1401。
8.根据权利要求7所述的一种高精度热电偶温度检测系统，其特征在于：电源电路包括电源保护电路和电源转换电路。
9.一种高精度热电偶温度检测方法，其包括如下步骤：
步骤一、采用一温度检测电路对热电偶(TC)处的检测信号进行处理并获取表征热电偶(TC)处的电压的数字信号；
步骤二、采用一冷端温度补偿电路对热电偶(TC)的冷端温度进行检测并转换成数字信号；
步骤三、采用一MCU电路对步骤一和步骤二中获取的信号进行处理，进而获取热电偶(TC)处所检测的温度值。
10.根据权利要求9所述的一种高精度热电偶温度检测方法，其特征在于：步骤三中，MCU电路首先通过SPI接口读取当前时刻下冷端温度补偿电路处的信号，之后使用美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式将此参考温度测量值转换成等效热电电压；之后MCU电路能够将对冷端温度补偿电路处的信号换算后的等效热电电压与温度检测电路处的输出相加，之后再次根据美国国家标准技术研究院(NIST)所提供的公式即可获取热电偶(TC)所检测的温度。
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