CN112729579B - 一种多通道隔离的热电偶测温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道隔离的热电偶测温系统，包括热电偶信号采集模块、补偿信号采集模块、微处理器以及多路采集通道，其中，任意一路所述采集通道包括模数转换器和数字隔离器，所述热电偶信号采集模块和所述补偿信号采集模块均连接于所述模数转换器，所述数字隔离器连接于所述模数转换器和所述微处理器，且所述微处理器与所述数字隔离器通过片选的方式连通。本发明的目的在于提供一种多通道隔离的热电偶测温系统，该系统具有多路隔离的热电偶测温通道，以解决采集不同来源的热电偶信号时，外部以及相互之间的干扰；同时降低多通道系统中大量元器件使用导致的布板占用面积和热功耗较大的问题。

Description

一种多通道隔离的热电偶测温系统
技术领域
本发明涉及热电偶测温度检测技术领域，尤其涉及一种多通道隔离的热电偶测温系统。
背景技术
热电偶是目前温度测量应用中广泛使用的元件。锅炉、反应堆舱等温度超高的地方常使用热电偶来测量其内部或外围温度，以便控制系统根据温度变化来判断设备运行状态。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由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)，如图1所示。
EAB(T1)＝EZ+EAB(T2) (1)
其中，EAB(T1)是测量端电势，EAB(T2)是冷端电势，在分度表中固定为0℃，EZ是设备采集电势；在得到EAB(T1)后，可根据热电偶分度表查表，得到对应的测量温度。
热电偶测温过程中产生的电压信号非常微弱，通常在几十微伏到几十毫伏之间，这种小信号容易受噪声的影响；而多通道采集中，除了外部影响，通道之间也会存在干扰，这些都会导致测量精度降低。为保证稳定可靠的温度测量，该问题必须解决。
在保证采集系统稳定性的同时，从整体上达到小型化、低功耗化，以提升可用性、增加使用寿命也是必须面对的问题。
而现目前在热电偶测温应用时，重点关注冷端补偿措施，忽略了多通道采集时相互之间的干扰以及外部干扰；而具有隔离考虑的热电偶测温应用，常采用定制的变压器实现，封装大，增加PCB布局难度，而且成本较高。且隔离应用中，数据和电源都需要进行隔离，目前的方式隔离两侧供电需要独立的电源模块，进一步增加布局面积，提高成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多通道隔离的热电偶测温系统，该系统具有多路隔离的热电偶测温通道，以解决采集不同来源的热电偶信号时，外部以及相互之间的干扰；同时简化了供电设计，以解决多通道系统中复杂的电源设计，降低布板开销、功耗问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种多通道隔离的热电偶测温系统，包括热电偶信号采集模块、补偿信号采集模块、微处理器以及多路采集通道，其中，任意一路所述采集通道包括模数转换器和数字隔离器，所述热电偶信号采集模块和所述补偿信号采集模块均连接于所述模数转换器，所述数字隔离器连接于所述模数转换器和所述微处理器，且所述微处理器与所述数字隔离器通过片选的方式连通。
优选地，所述采集通道设置为8路。
优选地，所述热电偶信号采集模块包括第一金属线和第二金属线，所述第一金属线的左端与所述第二金属线的左端连接；所述第一金属线的右端与所述模数转换器的AIN1口连接，所述第二金属线的右端与所述模数转换器的AIN2口连接。
优选地，所述热电偶信号采集模块还包括输入钳位保护电路，所述输入钳位保护电路包括电阻R1、电阻R2、隧道二极管D1、隧道二极管D2、隧道二极管D3以及隧道二极管D4；
所述电阻R1的左端与所述第一金属线的右端连接，所述电阻R1的右端与所述模数转换器的AIN1口连接；
所述隧道二极管D1的输入端接地，所述隧道二极管D1的输出端与所述电阻R1的右端连接；
所述隧道二极管D2的输入端与所述电阻R1的右端连接，所述隧道二极管D2的输出端连接电源；
所述电阻R2的左端与所述第一金属线的右端连接，所述电阻R2的右端与所述模数转换器的AIN2口连接；
所述隧道二极管D3的输入端接地，所述隧道二极管D3的输出端与所述电阻R2的右端连接；
所述隧道二极管D4的输入端与所述电阻R2的右端连接，所述隧道二极管D4的输出端连接电源。
优选地，所述热电偶信号采集模块还包括共模滤波电路，所述共模滤波电路包括电阻R3和R4；
所述电阻R3的左端与所述电阻R1的右端连接，所述电阻R3的右端与所述模数转换器的AIN1口连接；
所述电阻R4的左端与所述电阻R2的右端连接，所述电阻R4的右端与所述模数转换器的AIN2口连接。
优选地，所述热电偶信号采集模块还包括差模滤波电路，所述差模滤波电路包括电容C1、电容C2以及电容C3；
所述电容C1的一端接地，所述电容C1的另一端与所述模数转换器的AIN1口连接；
所述电容C2的一端接地，所述电容C2的另一端与所述模数转换器的AIN2口连接
所述电容C3的一端与所述模数转换器的AIN1口连接，所述电容C3的另一端与所述模数转换器的AIN2口连接。
优选地，所述电容C1和所述电容C2的容量均为1nF，所述电容C3的容量为10nF。
优选地，所述补偿信号采集模块包括NTC、电阻R5以及电阻R6；所述电阻R5和所述NTC串联，且所述电阻R5连接有电源，所述NTC接地；所述电阻R6并联于所述NTC的两端，且所述电阻R6的一端连接于所述模数转换器的AIN3口，所述电阻R6的另一端连接于所述模数转换器的AIN4口。
优选地，还包括电源模块，所述电源模块包括第一供电单元、第二供电单元以及第三供电单元；
所述第一供电单元，用于给所述系统提供第一电源；
所述第二供电单元，用于提供第二电源，所述第二电源由所述第二供电单元对所述第一电源进行转化提供，且所述第二电源用于给所述数字隔离器供电；
所述第三供电单元，用于提供第三电源，所述第三电源由所述第三供电单元对所述第二电源进行转化提供，且所述第三电源用于给所述微处理器供电。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、设置有多路隔离的热电偶测温通道，且各通道通过片选的方式与微处理器连通，解决采集不同来源的热电偶信号时，外部以及相互之间的干扰；
2、在采集通道内，一个模数转化器便实现了热电偶信号和补偿信号采集；一个数字隔离器，便实现了数据隔离和供电隔离，大大降低了芯片数量，节省了布板面积，从总体上降低了功耗；
3、所有隔离通道无需单独隔离电源模块，简化了设计，大大降低布板开销，降低功耗。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为热电偶测温原理示意；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明的多通道测温示意图；
图4为本发明的采集通道示意。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种多通道隔离的热电偶测温系统，如图2和图3所示，包括热电偶信号采集模块、补偿信号采集模块、型号为STM32F427的微处理器以及8路采集通道，其中，任意一路采集通道包括一个型号为AD7193的模数转换器和一个型号为ADuM5411的数字隔离器，其中，AD7193是一种Σ-δ型24位高精度ADC，采用SPI通信；ADuM5411，可实现数据与供电同时隔离；且只需单侧供电，无需额外的隔离电源为采集通道供电。
在本实施例中，热电偶信号采集模块连接于模数转换器的AIN1口和AIN2口；补偿信号采集模块连接于模数转换器的AIN3口和AIN4口，数字隔离器通过SPI总线连接于模数转换器和微处理器，且微处理器与数字隔离器通过片选的方式连通。
具体地，热电偶信号采集模块包括第一金属线和第二金属线，其中，第一金属线的左端与第二金属线的左端连接；第一金属线的右端与模数转换器的AIN1口连接，第二金属线的右端与模数转换器的AIN2口连接。
补偿信号采集模块包括NTC、电阻R5以及电阻R6；电阻R5和NTC串联，且电阻R5连接有电源，NTC接地；电阻R6并联于NTC的两端，且电阻R6的一端连接于模数转换器的AIN3口，电阻R6的另一端连接于模数转换器的AIN4口。在本实施例的补偿信号采集模块中，电阻R5用来限流保护NTC，电阻R6用于降低NTC的非线性。
工作时，模数转换器的AIN1口和AIN2口接收热电偶信号E1，模数转换器的AIN3口和AIN4口接收补偿信号E2，并将热电偶信号E1和补偿信号E2传输至数字隔离器，热电偶信号E1和补偿信号E2经数字隔离器隔离后传输至微处理器，微处理器计算热电偶信号E1和补偿信号E2之和，得到热电偶测量端电势E，再根据热电偶分度表，对应查找得到热电偶测量温度。
在本方案中，设置有多个具有数字隔离器的采集通道，且采集通道与微处理器采用片选的方式连通，可以解决采集不同来源的热电偶信号时，外部以及相互之间的干扰；此外在一个采集通道内，一个模数转化器便实现了热电偶信号和补偿信号采集；一个数字隔离器，便实现了数据隔离和供电隔离，大大降低了芯片数量，节省了布板面积，从总体上降低了功耗。
进一步地，在本实施例中，为了避免外部过压损坏模数转换器，热电偶信号采集模块还设置有输入钳位保护电路，如图4所示。输入钳位保护电路包括阻值为1kΩ的电阻R1、阻值为1kΩ的电阻R2、隧道二极管D1、隧道二极管D2、隧道二极管D3以及隧道二极管D4；
其中，电阻R1的左端与第一金属线的右端连接，电阻R1的右端与模数转换器的AIN1口连接；隧道二极管D1的输入端接地，隧道二极管D1的输出端与电阻R1的右端连接；隧道二极管D2的输入端与电阻R1的右端连接，隧道二极管D2的输出端连接电源VDD；电阻R2的左端与第一金属线的右端连接，电阻R2的右端与模数转换器的AIN2口连接；隧道二极管D3的输入端接地，隧道二极管D3的输出端与电阻R2的右端连接；隧道二极管D4的输入端与电阻R2的右端连接，隧道二极管D4的输出端连接有电源VDD。
进一步地，在本实施例中，为了降低外部噪声的干扰，在本实施例中还设置有共模滤波和差模滤波电路，如图4所示。其中，共模滤波电路包括阻值为300Ω的电阻R3和阻值为300Ω的电阻R4；差模滤波电路包括容量为1nF的电容C1、容量为1nF的电容C2以及容量为10nF的电容C3；
其中，电阻R3的左端与电阻R1的右端连接，电阻R3的右端与模数转换器的AIN1口连接；电阻R4的左端与电阻R2的右端连接，电阻R4的右端与模数转换器的AIN2口连接；
电容C1的一端接地，电容C1的另一端与模数转换器的AIN1口连接；电容C2的一端接地，电容C2的另一端与模数转换器的AIN2口连接；电容C3的一端与模数转换器的AIN1口连接，电容C3的另一端与模数转换器的AIN2口连接。
进一步地，在本实施例中，如图3所示，还包括用于给系统供电的电源模块，电源模块包括第一供电单元、第二供电单元以及第三供电单元；
第一供电单元，用于给系统提供第一电源；
第二供电单元，用于提供第二电源，第二电源由第二供电单元对第一电源进行转化提供，且第二电源用于给数字隔离器供电；
第三供电单元，用于提供第三电源，第三电源由第三供电单元对第二电源进行转化提供，且第三电源用于给微处理器供电。
在本实施例中，第一供电单元为电池，第二供电单元为ADP2443芯片，第三供电单元为ADP7142芯片。具体实施时，系统以24VDC输入，经ADP2443芯片产生VCC电压，VCC电压用于给数字隔离器供电；同时VCC电压经LDO芯片转换为VCC_mcu，VCC_mcu给微控制器MCU供电，LDO输出电压纹波低、稳定，以降低电压噪声对MCU的影响。
相比于现有技术中，通过设置多个电源模块以实现对微处理器和隔离通道的单独供电，在本方案中，隔离系统供电采用树型拓扑结构，仅用一路24V供电输入，经两次转换实现对数字部分以及各个隔离通道的供电，简化了设计，大大降低布板开销，降低功耗。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，包括热电偶信号采集模块、补偿信号采集模块、微处理器以及多路采集通道，其中，任意一路所述采集通道包括模数转换器和数字隔离器，所述热电偶信号采集模块和所述补偿信号采集模块均连接于所述模数转换器，所述数字隔离器连接于所述模数转换器和所述微处理器，且所述微处理器与所述数字隔离器通过片选的方式连通；
所述热电偶信号采集模块包括第一金属线和第二金属线，所述第一金属线的左端与所述第二金属线的左端连接；所述第一金属线的右端与所述模数转换器的AIN1口连接，所述第二金属线的右端与所述模数转换器的AIN2口连接；
所述热电偶信号采集模块还包括输入钳位保护电路，所述输入钳位保护电路包括电阻R1、电阻R2、隧道二极管D1、隧道二极管D2、隧道二极管D3以及隧道二极管D4；
所述电阻R1的左端与所述第一金属线的右端连接，所述电阻R1的右端与所述模数转换器的AIN1口连接；
所述隧道二极管D1的输入端接地，所述隧道二极管D1的输出端与所述电阻R1的右端连接；
所述隧道二极管D2的输入端与所述电阻R1的右端连接，所述隧道二极管D2的输出端连接电源；
所述电阻R2的左端与所述第一金属线的右端连接，所述电阻R2的右端与所述模数转换器的AIN2口连接；
所述隧道二极管D3的输入端接地，所述隧道二极管D3的输出端与所述电阻R2的右端连接；
所述隧道二极管D4的输入端与所述电阻R2的右端连接，所述隧道二极管D4的输出端连接有电源。
2.根据权利要求1所述的一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，所述采集通道设置为8路。
3.根据权利要求1所述的一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，所述热电偶信号采集模块还包括共模滤波电路，所述共模滤波电路包括电阻R3和电阻R4；
所述电阻R3的左端与所述电阻R1的右端连接，所述电阻R3的右端与所述模数转换器的AIN1口连接；
所述电阻R4的左端与所述电阻R2的右端连接，所述电阻R4的右端与所述模数转换器的AIN2口连接。
4.根据权利要求3所述的一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，所述热电偶信号采集模块还包括差模滤波电路，所述差模滤波电路包括电容C1、电容C2以及电容C3；
所述电容C1的一端接地，所述电容C1的另一端与所述模数转换器的AIN1口连接；所述电容C2的一端接地，所述电容C2的另一端与所述模数转换器的AIN2口连接所述电容C3的一端与所述模数转换器的AIN1口连接，所述电容C3的另一端与所述模数转换器的AIN2口连接。
5.根据权利要求4所述的一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，所述电容C1和所述电容C2的容量均为1nF，所述电容C3的容量为10nF。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，所述补偿信号采集模块包括NTC、电阻R5以及电阻R6；所述电阻R5和所述NTC串联，且所述电阻R5连接有电源，所述NTC接地；所述电阻R6并联于所述NTC的两端，且所述电阻R6的一端连接于所述模数转换器的AIN3口，所述电阻R6的另一端连接于所述模数转换器的AIN4口。
7.根据权利要求1所述的一种多通道隔离的热电偶测温系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包括第一供电单元、第二供电单元以及第三供电单元；
所述第一供电单元，用于给所述系统提供第一电源；所述第二供电单元，用于提供第二电源，所述第二电源由所述第二供电单元对所述第一电源进行转化提供，且所述第二电源用于给所述数字隔离器供电；所述第三供电单元，用于提供第三电源，所述第三电源由所述第三供电单元对所述第二电源进行转化提供，且所述第三电源用于给所述微处理器供电。
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