CN111207850A - 热电偶测温装置和温度检测方法 - Google Patents

热电偶测温装置和温度检测方法 Download PDF

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CN111207850A CN202010037666.XA CN202010037666A CN111207850A CN 111207850 A CN111207850 A CN 111207850A CN 202010037666 A CN202010037666 A CN 202010037666A CN 111207850 A CN111207850 A CN 111207850A
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Abstract

本发明公开了一种热电偶测温装置和温度检测方法，其中，热电偶测温装置包括：热电偶；调理模块，用于对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；热敏电阻，用于感知热电偶的冷端温度；控制器，用于根据热电偶的冷端温度得到冷端热电势，根据数字热端热电势信号得到热端热电势，根据热端热电势和冷端热电势计算得到目标热电势，根据目标热电势得到热电偶的热端温度。该装置能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，且采用逆测温算法，根据热电偶的热端热电势和冷端热电势实现热端热电势补正，进而得到热电偶的热端温度，灵活性好，应用范围广。

Description

热电偶测温装置和温度检测方法
技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，尤其涉及一种热电偶测温装置和温度检测方法。
背景技术
现有热电偶传感器的测量精度相对较差，例如现有精度最高的S型热电偶(铂铑10-铂)传感器即使是精确度最高的工标I级精度，其测量精度也仅有±1℃。这对于一些需要精准控温的制造工艺来说是非常粗糙的。在测量中温时，这种精度劣势表现的更为明显。因此如何进一步提高热电偶传感器的测量精度具有十分重要的意义。
此外，热电偶的热电势分度表中各个温度对应的热电势都是基于0℃(摄氏度)的冷端基准温度进行标定的。然而，在实际应用中，为了减小仪器体积，简化测量装置，热电偶的冷端温度通常难以保证为准确的0℃，热电偶的测试结果易受到周围环境温度等因素的影响，会产生很大的误差，因此，在热电偶测温系统中，冷端补偿占有重要的地位。
目前，常用的热电偶冷端补偿的方法有冰点器法、补偿导线法、热电势补正法等。其中冰点器法需用到恒温装置，操作较繁琐，不适用于工业测量，补偿导线法和热电势补正法则受制于补偿导线的补偿精度和热电势的补正精度。由于补偿导线与热电偶丝之间存在不可消除的热电势误差，因而对于高精度测温热电偶，补偿导线法也难以适用。由此可知，对于高精度热电偶，热电势补正法是最高精度的冷端补偿技术。
再者，热电偶信号是变化缓慢的微伏级到毫伏级信号，由于热电势信号的微弱性，在传输过程中非常容易受到外界的干扰，因而如何提升信号在传输过程中的抗干扰能力非常重要。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种热电偶测温装置，以对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而提高抗干扰能力，并采用逆测温算法，根据热电偶的热端热电势和冷端热电势实现热端热电势补正，从而得到热电偶的热端温度，该方法灵活性好，应用范围广。
本发明的另一个目的在于提出一种温度检测方法。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种热电偶测温装置，包括：热电偶；调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；热敏电阻，用于感知所述热电偶的冷端温度；控制器，用于根据所述热电偶的冷端温度得到冷端热电势，根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势，根据所述热端热电势和所述冷端热电势计算得到目标热电势，根据所述目标热电势得到所述热电偶的热端温度。
根据本发明实施例的热电偶测温装置，通过调理模块对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理，通过模数转换器将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，通过热敏电阻感知热电偶的冷端温度，通过控制器根据热电偶的冷端温度得到冷端热电势，并根据数字热端热电势信号得到热端热电势，进而根据热端热电势和冷端热电势计算得到目标热电势，以根据目标热电势得到热电偶的热端温度。由此，该装置对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，并采用逆测温算法，根据热电偶的热端热电势和冷端热电势实现热端热电势补正，从而得到热电偶的热端温度，该方法灵活性好，应用范围广。
另外，根据本发明上述实施例的热电偶测温装置还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述调理模块包括：差分低通滤波器和共模滤波器。
根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：存储对温度-热电势曲线拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；根据所述冷端温度和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似冷端热电势区间；根据所述冷端热电势区间和所述冷端温度，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的冷端热电势。
根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；根据所述目标热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据所述近似温度区间和所述目标热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。
根据本发明的一个实施例，所述模数转换器的偏移误差小于1微伏。
根据本发明的一个实施例，所述模数转换器为分辨率大于预设的分辨率阈值、噪声低于预设的第一噪声阈值、共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值、带差分输入通道和可编程增益的模数转换器。
根据本发明的一个实施例，所述模数转换器外接基准电压源，所述基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值。根据本发明的一个实施例，所述热敏电阻的精度误差绝对值小于0.04摄氏度。
根据本发明的一个实施例，所述热电偶的冷端温度小于80摄氏度。
根据本发明的一个实施例，热电偶测温装置还包括：显示设备，用于显示所述热电偶的热端温度。
根据本发明的一个实施例，所述显示设备的显示位数大于6位。
根据本发明的一个实施例，所述热电偶的电偶丝为单晶电偶丝。
根据本发明的一个实施例，所述单晶电偶丝包括金单晶正极电偶丝和铂单晶负极电偶丝。
根据本发明的一个实施例，所述单晶电偶丝的单晶取向一致性不低于90％，杂晶不大于10％。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种温度检测方法，适于利用热电偶测温装置进行，所述热电偶测温装置包括：热电偶；调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；热敏电阻，用于感知所述热电偶的冷端温度；所述温度检测方法包括：
根据所述热电偶的冷端温度得到冷端热电势；根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势；根据所述热端热电势和所述冷端热电势计算得到目标热电势；根据所述目标热电势得到所述热电偶的热端温度。
根据本发明实施例的温度检测方法，适于利用本发明第一方面实施例提出的热电偶测温装置，首先，根据热电偶的冷端温度得到冷端热电势，根据数字热端热电势信号得到热端热电势，然后，根据热端热电势和冷端热电势计算得到目标热电势，最后，根据目标热电势得到热电偶的热端温度。由此，该方法对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，并采用逆测温算法，根据热电偶的热端热电势和冷端热电势实现热端热电势补正，从而得到热电偶的热端温度，灵活性好，应用范围广。
另外，根据本发明上述实施例的温度检测方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述根据所述热电偶的冷端温度得到冷端热电势，包括：存储对温度-热电势曲线拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；根据所述冷端温度和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似冷端热电势区间；根据所述冷端热电势区间和所述冷端温度，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的冷端热电势。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述目标热电势得到所述热电偶的热端温度，包括：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；根据所述目标热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据所述近似温度区间和所述目标热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的热电偶测温装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的调理模块的结构框图；
图3是本发明一个实施例的热敏电阻的精度与测试温度之间的关系曲线图；
图4是本发明一个实施例的热电偶的冷端补偿原理流程图；
图5是本发明一个实施例的计算冷端热电势的流程图；
图6是本发明一个实施例的计算热端温度的流程图；
图7是本发明一个具体示例的热电偶测温装置的电路图；
图8是本发明一个具体示例的调理电路的示意图；
图9是本发明一个实施例的热电偶测温装置的结构示意图；
图10是本发明实施例的温度检测方法的流程图；
图11是本发明一个实施例的制备热电偶的电偶丝的方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的热电偶测温装置和温度检测方法。
需要说明的是，在工业生产、钻探和特殊高性能材料的制造成型中通常需要涉及到1000℃左右的高温环境，在这个温度条件下，热电偶是唯一能够商业化应用的接触式热电温度传感器，其测温精度直接关系到了生产控制过程的精确性和产品的质量。在热电偶的测温过程中，若冷端温度测量误差较大，则会将这种误差直接叠加到热电势热端的测定上，最终造成更大测温误差。因此，对冷端温度差所导致的热电势差进行修正和补偿的精确度对于介质温度的测量准确性有着十分重要的影响。再者，在热电偶的测温过程中，热电偶的热电势与温度信号之间呈现出较高的非线性关系，如何对其进行处理从而精准计算实际温度是提升测量精度的关键。
为此，本发明实施例提出了一种热电偶测温装置和温度检测方法来进行热电势差的修正和补偿，以解决相关技术中测温精度较低、灵活性较差、抗干扰能力较低的问题。
图1是本发明实施例的热电偶测温装置的结构示意图。
如图1所示，该热电偶测温装置100包括：热电偶10、调理模块20、模数转换器30、热敏电阻40和控制器50。
其中，调理模块20用于对热电偶10的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器30用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；热敏电阻40用于感知热电偶10的冷端温度；控制器50用于根据热电偶10的冷端温度得到冷端热电势，根据数字热端热电势信号得到热端热电势，根据热端热电势和冷端热电势计算得到目标热电势，根据目标热电势得到热电偶10的热端温度。
在一个实施例中，如图2所示，调理模块20可包括：差分低通滤波器21和共模滤波器22。在一个示例中，如图3所示，热敏电阻40的精度误差绝对值可小于0.04℃(摄氏度)。基于热敏电阻的精度范围，热电偶10的冷端温度需小于80℃。
具体地，在热电偶10进行温度检测时，调理模块20对热电偶10的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理，以消除线路上的大部分共模噪声，并将滤波处理后的模拟热端热电势信号发送给模数转换器30，以使模数转换器30将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，并发送给控制器50，热敏电阻40感知热电偶10的冷端温度TC，并将该冷端温度TC发送给控制器50，以使控制器50根据热电偶10的冷端温度TC计算得到冷端热电势E(TC，T0)，其中，T0是指0摄氏度，根据数字热端热电势信号计算得到热端热电势E(T1，TC)，其中，T1是指热电偶10的热端温度，进而根据热端热电势E(T1，TC)和冷端热电势E(TC，T0)计算得到目标热电势E(T1，T0)，最后根据目标热电势E(T1，T0)得到热电偶10的热端温度T1，从而实现对热电偶10的冷端补偿。
其中，热敏电阻40可以是ON-409-PP、ON-909-44004型高精度热敏电阻，且可以粘接在热电偶的冷端附近，以便于感知冷端温度；控制器50(主控芯片)的内部可以设置有快速高效的测温算法。
也就是说，如图4所示，该热电偶测温装置100依据热电势补正原理，首先可通过高精度、高可靠性、低温漂的热敏电阻40感知热电偶10的冷端温度TC，并将其发送给控制器50，控制器50根据快速、高效的逆测温算法，将冷端温度TC转换成热电偶10在该冷端温度TC下的热电势，即冷端热电势E(TC，T0)，然后将该冷端热电势补正到热端热电势E(T1，TC)，以得到精确度较高的目标热电势E(T1，T0)，即E(T1，T0)＝E(T1，TC)+E(TC，T0)，最后控制器50根据目标热电势E(T1，T0)分析计算得到热端的精准温度T1，从而完成对温度的精准检测。而且，该热电偶测温装置100通过调理模块20对热电偶10的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理，以消除线路上的大部分共模噪声，提高了抗干扰能力，保证热电偶信号采集的精度。
该热电偶测温装置100采用的热电势补正原理，相较于传统的冰点器法，不仅能够实现精准的冷端补偿，还无需恒温装置，操作较简单，且适用于工业测温；相较于补偿导线法，不仅能够精准的冷端补偿，还无需补偿导线，进而无需受制于补偿导线的补偿精度和热电势的修正精度，操作简单易实现。由此可知，该热电偶测温装置100采用的热电势补正原理，可以用于多种类型的热电偶冷端温度的精确采集，应用范围较广。
由此，该热电偶测温装置能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，且采用逆测温算法，根据热电偶的热端热电势和冷端热电势实现热端热电势补正，进而得到热电偶的热端温度，灵活性好，应用范围广。
在本发明的一个实施例中，控制器50可具体用于：存储对温度-热电势曲线拟合后得到的一元高次方程f1(x)，一元高次方程的阶数大于5阶；根据冷端温度TC和一元高次方程f1(x)，采用二分法计算得到近似冷端热电势区间；根据冷端热电势区间和冷端温度TC，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的冷端热电势E(TC，T0)。
具体地，控制器50内的逆测温算法可包括热电偶10的温度-热电势曲线，逆测温算法的转换误差可小于0.01％，控制器50在根据热电偶10的冷端温度得到冷端热电势E(TC，T0)时，如图5所示，首先，可通过多项式拟合温度-热电势曲线得到一元高次方程f1(x)，并将该一元高次方程f1(x)进行存储，其中，一元高次方程的阶数大于5阶，一元高次方程的曲线即可以为拟合曲线，然后，根据冷端温度TC和一元高次方程，采用二分法计算得到近似的冷端热电势区间，最后，根据该冷端热电势区间和冷端温度TC，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合设精度的冷端热电势En，其中，如果(En+1-En)/En＜0.01％，则说明冷端热电势En符合预设精度。
举例而言，首先将拟合曲线f1(x)存储在控制器50内，在热敏电阻40将感知到的冷端温度TC给控制器50后，控制器50首先如下步骤采用二分法求解近似的冷端热电势区间[a，b]：
步骤1，首先，随机在温度-热电势曲线的热电势范围[p，q]内取一中间值O1，代入拟合方程(一元高次方程)得到Y1，判断出Y1与接收到的冷端温度的大小关系，因此把近似冷端热电势区间缩小到[p，O1]或者[O1，q]。
步骤2，找到[p，O1]或者[O1，q]的中间值O2，代入拟合方程得到Y2，判断出Y2与p或者q的大小关系，因此进一步缩小热电势区间。
以此类推，直至得到近似的热电势区间[a，b]，其中，区间宽度可根据整体微机的运算能力确定。
最后，控制器50根据冷端热电势区间[a，b]，采用牛顿迭代法求解一元二次方程得到符合预设精度的热端温度。具体而言，将此拟合函数f1(x)求导得到f1’(x)，在近似的温度区间[a，b]内任意取一个值X1，代入函数X2＝X1-f1(x)/f1`(x)，得到X2，循环多次可依次得到X2、X3等等，直至f1(Xn)与接收到的温度的差值(即误差)符合预设精度，同时(f1(Xn+1)-f1(Xn))/f1(Xn)＜0.01％，即输出Xn，由此，即可得到符合预设精度的冷端热电势En＝Xn。
在本发明的一个实施例中，控制器50还可具体用于：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，一元高次方程的阶数大于5阶；根据目标热电势和一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据近似温度区间和目标热电势，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。
具体地，控制器50内的测温算法可包括热电偶10的热电势-温度曲线，测温算法的转换误差可小于0.01％，控制器50在获取热端温度时，如图6所示，首先，可通过多项式拟合热电势-温度曲线得到一元高次方程f2(x)，并将该一元高次方程进行存储，其中，一元高次方程的阶数大于5阶，一元高次方程的曲线即为拟合曲线，然后，根据热端热电势和一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间[c，d]，最后，根据近似温度区间[c，d]和目标热电势，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的热端温度Tn。其中，如果(Tn+1-Tn)/Tn＜0.01％，则说明热端温度Tn符合预设精度。
举例而言，拟合后的一元高次方程曲线f2(x)存储在控制器50内，在控制器50根据目标热电势得到热电偶的热端温度时，控制器50根据如下步骤采用二分法求解近似的热端温度区间：
步骤1，随机在热电势-温度曲线的温度范围[e，f]内取一中间值M1，代入拟合方程(一元高次方程)得到Y1，判断出Y1与目标热电势大小关系，因此把近似温度区间缩小到[e，M1]或者[M1，f]。
步骤2，找到[e，M1]或者[M1，f]的中间温度值M2，代入方程得到Y2，判断出Y2与e或者f的大小关系，因此进一步缩小温度区间。
以此类推，直至得到近似的温度区间[c，d]，其中，区间宽度可根据整体微机的运算能力确定，优选为10℃以下。
最后，控制器50根据温度区间[c，d]，采用牛顿迭代法求解一元二次方程得到符合预设精度的热端温度。具体而言，此将拟合函数f2(x)求导得到f2’(x)。在近似的温度区间[c，d]内任意取一个值X1，代入函数X2＝X1-f2(x)/f2`(x)，得到X2，循环多次可依次得到X2、X3等等，直至f2(Xn)与接收到的热电势的差值(即误差)符合预设精度，同时(f2(Xn+1)-f2(Xn))/f2(Xn)＜0.01％，即输出Xn，由此，即可得到符合预设精度的热端温度Tn＝Xn。
在本发明的一个实施例中，模数转换器30的偏移误差可小于1微伏。
进一步地，模数转换器30可为分辨率大于预设的分辨率阈值、噪声低于预设的第一噪声阈值、共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值、带差分输入通道和可编程增益的模数转换器。
具体地，预设的分辨率阈值、第一噪声阈值、预设的共模抑制比阈值可分别为分辨率大小、噪声高低、共模抑制比高低的临界值，当分辨率大于预设的分辨率阈值时，分辨率高；当噪声低于预设的第一噪声阈值时，噪声低；当共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值时，共模抑制比高。例如，模数转换器30可为AD7798型高精度模数转换器，其具有高分辨率、低噪声、高共模抑制比的优点。
又进一步地，模数转换器30可外接基准电压源，基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值。
具体地，当基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值时，该基准电压源具有低温漂、高精度、低噪声的优点，例如，该基准电压源可以为具有3.0V输出电压的ADR4530型基准电压源。
在本发明的一个具体示例中，如图7所示的热电偶测温装置中，模数转换器30为AD7798型高精度模数转换器，基准电压源为具有3.0V输出电压的ADR4530型基准电压源，其中，调理电路20的电路如图8所示。
在本发明的一个实施例中，如图9所示，热电偶测温装置100还可包括显示设备60。显示设备60用于显示热电偶10的热端温度。其中，显示设备60的显示位数可大于6位，即显示设备60可以为高精数显。
具体地，参照图4，控制器50在根据目标热电势得到热电偶的热端精准温度时，可将热端精准温度发送给显示设备60，以使显示设备60显示热电偶10的热端精准温度，从而实现热端精准温度的可视化显示。
在本发明的一个实施例中，热电偶的电偶丝可为单晶电偶丝。发明人发现，热电偶丝材料的不均匀性会导致自身测量精度误差，而本发明中通过选择单晶电偶丝，可以显著提高热电偶丝的整体均匀性，还可以进一步降低热电偶丝的内阻，从而能够显著提高热电偶的测温精度。优选地，单晶电偶丝的单晶取向一致性可不低于90％，杂晶可不大于10％，由此可以进一步提高电偶丝的整体均匀性，从而能够进一步提高热电偶测量精度。
在本发明的一个实施例中，单晶电偶丝可包括金单晶正极电偶丝和铂单晶负极电偶丝。发明人意外发现，现有精度最高的S型热电偶(铂铑10-铂)传感器是精确度最高的工标I级精度，但其测量精度也仅有±1℃。这对于一些需要精准控温的制造工艺来说是非常粗糙的。在测量中温时，这种精度劣势表现的更为明显，像是一些高精度的热电阻传感器(PT100)，其精度(±0.1℃)远远超过铂铑-铂热电偶传感器。因此如何从热电偶丝材料本身出发提高热电偶传感器的本征精度也是非常重要的。而金/铂的精度远优于传统铂铑-铂的热电偶丝材料，金/铂热电偶丝不仅检测误差远低于铂铑-铂热电偶丝，而且其热电势信号的变化斜率也远高于铂铑-铂热电偶丝，这保证了金/铂热电偶丝具有非常高的检测精度和非常低的热电势-温度转化误差。本发明中通过选用高单晶性的金单晶正极电偶丝和铂单晶负极电偶丝作为热电偶的电偶丝，能够实现非常高精度的中高温温度检测。
在本发明的一个实施例中，可将用于制备单晶合金的螺旋选晶器转用于制备测温热电偶的电偶丝。发明人发现，而热电偶丝材料不可能是一个完美的单晶结构，其内部存在着一定数量的不均匀的非单晶结构和结构缺陷；同时，未释放的内部应力、合金成分的偏析、热电偶丝局部表面的金属元素挥发或氧化、高温下的热扩散、热电偶丝表面的沾污和腐蚀、内部杂质的存在也会造成一定的不均匀性。由于正负极处于一个温度梯度场中，因而这种不均匀性会在热电偶丝上产生一个附加热电势，从而干扰测量精度。本发明中通过将用于制备单晶合金的螺旋选晶器转用于制备测温热电偶的电偶丝，可以有效制备得到单晶电偶丝，从而能够显著提高电偶丝的均匀度，进而提高热电偶测量精度。
在本发明的一个实施例中，如图11所示，螺旋选晶器用于制备热电偶丝的步骤包括：(1)向螺旋选晶器中加入籽晶并置于启晶器上，调节启晶器保温温度，以便使籽晶部分熔化；(2)对电偶丝原料进行熔融处理，并将得到的熔融液注入螺旋选晶器中与籽晶熔化部分形成整体，静置；(3)将步骤(2)得到的螺旋选晶器垂直浸入冷却液中，以便使熔融液由下至上冷却结晶，得到单晶锭状材料；(4)对单晶锭状材料进行拉伸成型处理，以便得到单晶丝；(5)对单晶丝进行去应力退火，以便得到正极和/或负极电偶丝。由此可以显著减少电偶丝在成型过程中产生的不均匀的杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应及微观晶格缺陷结构的数量，使单晶取向一致性不低于90％，杂晶概率不大于10％，从而不仅能够显著提高热电偶丝的整体均匀性，还可以进一步降低热电偶丝的内阻，从而能够提高热电偶的测温精度。需要说明的是，本发明中对籽晶的制备方法并无特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
在本发明的一个实施例中，制备单晶电偶丝的具体步骤可以为：1)正、负极单晶锭状材料的制备：将纯度为99.9999％的铂粉作为负极材料，纯度为99.9999％的金粉作为正极材料。分别制备正极、负极材料的籽晶，将籽晶分别装入螺旋选晶器中的启晶器上。调节启晶器温度使所述籽晶部分熔化，形成固液糊状区，保温30min。将负极原料在坩埚中1800℃熔炼，获得熔融合金熔液；待启晶器保温结束后将熔融高温合金熔液浇注到螺旋选晶器内与负极材料籽晶熔化部分形成整体，静置10min；然后将螺旋选晶器缓慢垂直100μm/s的速度放入冷却液中，使熔融的负极原料由下至上逐渐冷却结晶，获得负极原料的单晶锭状材料。将正极原料在坩埚中1100℃熔炼，获得熔融合金熔液；待启晶器保温结束后将熔融高温合金熔液浇注到螺旋选晶器内与正极材料籽晶熔化部分形成整体，静置10min；然后将螺旋选晶器缓慢垂直100μm/s的速度放入冷却液中，使熔融的正极原料由下至上逐渐冷却结晶，获得正极原料的单晶锭状材料。2)拉伸成型：对螺旋选晶后的高单晶性正、负极锭状材料进行锻造轧制，并反复拉拔处理，拉制成所需尺寸丝材。3)去应力退火：使用电刷退火设备，将所述的热电偶正极丝材在复绕机上进行细丝退火，温度为450℃，绕线速度为50转/分钟，负极丝材在复绕机上进行细丝退火，温度为400℃，绕线速度为30转/分钟。采用该方法制备得到的金单晶正极电偶丝和铂单晶负极电偶丝的单晶取向一致性均不低于90％，杂晶概率均不大于10％。
在本发明的一个实施例中，将螺旋选晶器浸入冷却液中的抽拉速率可以不大于6mm/min，例如可以为4.5～6mm/min、1mm/min、2mm/min、3mm/min、4mm/min、5mm/min或6mm/min等，本发明中通过控制抽拉速率为上述范围，不仅可以有效抑制杂晶的生成，还可以显著降低枝晶横向二次臂间距，从而不仅能够保证单晶锭状材料晶体组织及形貌的均匀度，还能避免由于枝晶横向二次臂间距过大而减弱后期退火的效果。
在本发明的一个实施例中，螺旋选晶器螺旋段的螺旋角可以为30～75度，例如可以为35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度或70度等；螺距可以为螺旋角的正切值与螺旋段内径乘积的0.1～3倍，例如可以为0.2倍、0.6倍、1.2倍、1.8倍、2.4倍或3倍等；螺旋段螺旋圈数可以不大于2圈，其中，螺旋段的螺旋圈数可以为非整数圈，例如可以为0.5圈、0.8圈、1.2圈、1.5圈、1.8圈等，本发明中通过控制上述结构参数，不仅可以显著降低单晶取向偏差，还可以进一步降低晶粒数量，从而能够显著提高单晶锭状材料单晶取向的一致性，确保其晶体组织及形貌具有更好的均匀度。
在本发明的一个实施例中，启晶器的高度与启晶器的内径的比值可以为0.5～2，例如可以为0.5、0.8、1.1、1.4、1.6、1.7或2等；启晶器的内径与螺旋选晶器螺旋段内径的比值可以为3～6，例如可以为3.4、3.8、4.2、4.6、5、5.4或5.8等。本发明中通过调节启晶器的高度与启晶器的内径的比值为上述范围，可以进一步有利于降低晶粒数量，提高单晶取向的一致性，使单晶锭状材料的晶体组织及形貌具有更好的均匀度。此外，发明人还发现，若启晶器的直径过大，容易导致籽晶直径过大，进而不仅会导致熔体凝固过快而不能使籽晶起到结晶核心的作用，还会增加单晶合金的制备难度；而若启晶器的直径过小，又容易导致螺旋选晶器螺旋段抑制杂晶的效果减弱。本发明中通过控制上述结构参数，可以进一步减少热电偶金属合金在成型过程中产生的不均匀的杂晶、小角晶界、取向偏离、再结晶、型壳反应及微观晶格缺陷结构的数量，确保单晶取向一致性不低于90％，杂晶概率不大于10％，从而能够显著提高热电偶丝的整体均匀性。
在本发明的一个实施例中，可以采用复绕机在400～550摄氏度和30～70转/分钟的绕线速度下对单晶丝进行去应力退火，由此可以进一步有利于改善热电偶丝的晶相组织，消除组织缺陷，提高其机械性能，恢复单丝塑性，同时释放热电偶丝的内部应力，从而能够进一步提高热电偶丝的整体均匀性。
在本发明的一个实施例中，可以选用电刷退火设备，例如接触式电刷传输大电流退火设备对单晶丝进行去应力退火，发明人发现，若退火不当可能导致过烧、反常组织、硬度过高、变形开裂等问题，本发明中通过选用接触式电刷传输大电流退火设备不仅能够实现超长热电偶丝各部位的均匀退火，而且退火速度可控易跟踪，可以有效避免因退火不当对电偶丝产生的负面影响。
综上所述，本发明实施例的热电偶测温装置，能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，且采用逆测温算法，根据热电偶的热端电势和冷端电势补正得到热电偶的热端温度，灵活性好、精度高，且可以用于多种类型的热电偶冷端温度的精确采集，该热电偶测温装置的全范围测温精度可以提高到0.0015|t|的超高精度。
基于相同的发明构思，本发明实施例提出了一种温度检测方法，该温度检测方法适于利用图1所示的热电偶测温装置，热电偶测温装置包括：热电偶；调理模块，用于对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；热敏电阻，用于感知热电偶的冷端温度。
图10为本发明实施例的温度检测方法的流程图。
如图10所示，该方法包括以下步骤：
S101，根据热电偶的冷端温度得到冷端热电势。
具体地，根据热电偶的冷端温度得到冷端热电势，可包括：存储对温度-热电势曲线拟合后得到的一元高次方程，一元高次方程的阶数大于5阶；根据冷端温度和一元高次方程，采用二分法计算得到近似冷端热电势区间；根据冷端热电势区间和冷端温度，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的冷端热电势。
S102，根据数字热端热电势信号得到热端热电势。
S103，根据热端热电势和冷端热电势计算得到目标热电势。
S104，根据目标热电势得到热电偶的热端温度。
具体地，根据热端热电势得到热电偶的热端温度，可包括：存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，一元高次方程的阶数大于5阶；根据目标热电势和一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；根据近似温度区间和目标热电势，采用牛顿迭代法求解一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。
具体地，在热电偶进行温度检测时，调理模块对热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理，并经滤波处理后的模拟热端热电势信号发送至模数转换器，以使模数转换器将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号，并发送给控制器，热敏电阻感知热电偶的冷端温度TC，并将该冷端温度TC发送给控制器，以使控制器50根据热电偶的冷端温度TC计算得到冷端热电势E(TC，T0)，其中，TC是指被测介质的温度，根据数字热端热电势信号计算得到热端热电势E(T1，TC)，其中，T1是指热电偶的热端温度，进而根据热端热电势E(T1，TC)和冷端热电势E(TC，T0)计算得到目标热电势E(T1，T0)，最后根据目标热电势E(T1，T0)得到热电偶10的热端温度T1，从而实现对热电偶的冷端补偿。
需要说明的是，本发明实施例的温度检测方法的其他具体实施方式可参见本发明上述实施例的热电偶测温装置的具体实施方式，为避免冗余，此处不再赘述。
本发明实施例的温度检测方法，能够对热电偶的热端输出的模拟热端热电势进行共模滤波处理，从而能够提高抗干扰能力，保证温度检测的高精度，且采用逆测温算法，根据热电偶的热端热电势和冷端热电势实现热端热电势补正，进而得到热电偶的热端温度，灵活性好，应用范围广。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种热电偶测温装置，其特征在于，包括：
热电偶；
调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；
模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；
热敏电阻，用于感知所述热电偶的冷端温度；
控制器，用于根据所述热电偶的冷端温度得到冷端热电势，根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势，根据所述热端热电势和所述冷端热电势计算得到目标热电势，根据所述目标热电势得到所述热电偶的热端温度。
2.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述调理模块包括：差分低通滤波器和共模滤波器。
3.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述控制器具体用于：
存储对温度-热电势曲线拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；
根据所述冷端温度和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似冷端热电势区间；
根据所述冷端热电势区间和所述冷端温度，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的冷端热电势。
4.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述控制器具体用于：
存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；
根据所述目标热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；
根据所述近似温度区间和所述目标热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。
5.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述模数转换器的偏移误差小于1微伏。
6.根据权利要求5所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述模数转换器为分辨率大于预设的分辨率阈值、噪声低于预设的第一噪声阈值、共模抑制比高于预设的共模抑制比阈值、带差分输入通道和可编程增益的模数转换器。
7.根据权利要求5所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述模数转换器外接基准电压源，所述基准电压源的温度漂移低于预设的温度漂移阈值，精度高于预设的第二精度阈值，噪声低于预设的第二噪声阈值。
8.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述热敏电阻的精度误差绝对值小于0.04摄氏度。
9.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述热电偶的冷端温度小于80摄氏度。
10.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，还包括：
显示设备，用于显示所述热电偶的热端温度。
11.根据权利要求10所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述显示设备的显示位数大于6位。
12.根据权利要求1所述的热电偶测温装置，其特征在于，所述热电偶的电偶丝为单晶电偶丝，
任选地，所述单晶电偶丝包括金单晶正极电偶丝和铂单晶负极电偶丝，
任选地，所述单晶电偶丝的单晶取向一致性不低于90％，杂晶不大于10％。
13.一种温度检测方法，其特征在于，适于利用热电偶测温装置进行，所述热电偶测温装置包括：热电偶；调理模块，用于对所述热电偶的热端输出的模拟热端热电势信号进行共模滤波处理；模数转换器，用于将滤波处理后的模拟热端热电势信号转换为数字热端热电势信号；热敏电阻，用于感知所述热电偶的冷端温度；所述温度检测方法包括：
根据所述热电偶的冷端温度得到冷端热电势；
根据所述数字热端热电势信号得到热端热电势；
根据所述热端热电势和所述冷端热电势计算得到目标热电势；
根据所述目标热电势得到所述热电偶的热端温度。
14.根据权利要求13所述的温度检测方法，其特征在于，所述根据所述热电偶的冷端温度得到冷端热电势，包括：
存储对温度-热电势曲线拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；
根据所述冷端温度和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似冷端热电势区间；
根据所述冷端热电势区间和所述冷端温度，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的冷端热电势。
15.根据权利要求13所述的温度检测方法，其特征在于，所述根据所述目标热电势得到所述热电偶的热端温度，包括：
存储对热电势-温度曲线进行拟合后得到的一元高次方程，所述一元高次方程的阶数大于5阶；
根据所述目标热电势和所述一元高次方程，采用二分法计算得到近似温度区间；
根据所述近似温度区间和所述目标热电势，采用牛顿迭代法求解所述一元高次方程得到符合预设精度的热端温度。
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CN111912539A (zh) * 2020-08-14 2020-11-10 北京优航机电技术有限公司 一种基于双拟合算法的k型热电偶非线性修正方法
CN111982329A (zh) * 2020-08-06 2020-11-24 首凯汽车零部件（江苏）有限公司 一种热电偶信号处理系统及其信号处理方法

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