CN114414077A - 适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置、方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置、方法及存储介质，该装置包括：硬件装置、计算机网络、微型计算机，硬件装置通过计算机网络与微型计算机相连；硬件装置采集薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度；计算机网络将采集的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度传送至微型计算机；微型计算机接收计算机网络传送的数据，并对数据进行处理和显示记录程序。本发明采用分离式上、下位机的结构方案，上、下位机之间通过以太网连接，将硬件装置作为下位机，将微型计算机作为上位机，解决了现有薄膜热电偶温度数据采集装置的采集速度与薄膜热电偶瞬态响应的特性不匹配、硬件通用性不强、冷端补偿方式不灵活以及硬件部署过程繁琐的问题。

Description

适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置、方法及存储 介质

技术领域

本发明涉及温度采集技术领域，具体而言，尤其涉及一种适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置、方法及存储介质。

背景技术

薄膜热电偶温度传感器是随着薄膜材料的技术发展而出现的一种新型温度传感器。与普通热电偶相比，薄膜热电偶具有典型的二维特性，其热结点厚度仅为微、纳米量级。因此具有热容量小，温度响应迅速的特点，广泛用于需要准确测量瞬态温度变化的场合。

薄膜热电偶的测温基本原理与普通热电偶相同。在实际应用中，由于热电偶的自由端难以长期处于恒定温度的环境，在测量同时还需要进行冷端补偿工作。通行的做法是：首先，测量热电偶接入测温仪表点周围的温度，即冷接点温度或冷端温度，亦可简称之为“冷结温度”。将此温度结合分度表可查得待补偿热电偶在所测冷接点温度和0摄氏度温差下的温差电动势；其次，测量热电偶接入测温仪表点即冷接点的电势差，为待补偿热电偶在待测工作端温度和冷接点温度温差下的温差电动势；最后，使用以上两温差电动势求和后的结果反查待补偿热电偶的分度表，即可求得工作端的待测温度。

在测温方法上，薄膜热电偶和普通热电偶的区别在于：第一，薄膜热电偶以其响应迅速的特点，主要用于瞬变温度的测量，根据采样定理，其电子测量装置的采样频率至少应为待测瞬变温度信号最高频率分量的两倍以上，才能保证不失真的测量；第二，由于普通热电偶所使用的块体材料和薄膜热电偶所使用的薄膜材料的塞贝克系数不尽相同，因此薄膜热电偶的分度表和普通热电偶的分度表也不尽相同，在测温和冷端补偿中需要使用自行标定的薄膜热电偶专用的分度表而非标准热电偶的分度表。

就目前而言，薄膜热电偶的电子测量装置的主要方案为：在信号调理电路方面，使用适用于普通热电偶的集成信号放大、冷端补偿和模拟-数字量转换的专用器件方案或使用集成信号放大和冷端补偿的信号调理器件同时模拟-数字量转换器件外置的方案。在数据传输手段方面，多使用Zigbee、蓝牙或串行端口的方式进行数据传输。

以上方案的缺陷在于：采样周期长，不适用于捕获来自薄膜热电偶的瞬态温度数据；硬件设备的通用性不强，适用于普通热电偶的信号调理专用器件内的放大器增益和冷端补偿类型单一，无法根据测量仪表所驳接的热电偶类型灵活切换；硬件上，现有测量方案需要配合特制的数据协调器或数据网关使用，部署过程较为繁琐。现有的测量方案大多数采样速率慢，无法满足采样瞬态变化温度信号的需求。

发明内容

根据上述提出现有薄膜热电偶温度数据采集装置的采集速度与薄膜热电偶瞬态响应的特性不匹配、硬件通用性不强、冷端补偿方式不灵活以及硬件部署过程繁琐的技术问题，而提供一种适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置、方法及存储介质。本发明采用分离式上、下位机的结构方案，上、下位机之间通过以太网进行连接，其中采集薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度的硬件装置作为下位机，运行有数据处理和显示记录软件程序的微型计算机作为上位机。

本发明采用的技术手段如下：

一种适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，包括：硬件装置、计算机网络以及微型计算机，其中，硬件装置通过计算机网络与微型计算机相连；

所述硬件装置，用于采集薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度；

所述计算机网络，用于将所述硬件装置采集的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度传送至所述微型计算机；

所述微型计算机，用于接收所述计算机网络传送的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度，并对数据进行处理和显示记录程序。

进一步地，所述硬件装置包括信号调理模块、数字接口模块、高速总线、低速总线以及触发脉冲线，其中：

所述信号调理模块，用于放大热电偶冷端电压、获取热电偶冷端附近温度，并将热电偶冷端电压和热电偶冷端附近温度转换为数字量信号；

所述数字接口模块，用于协调信号调理模块与计算机网络之间的通信；

所述高速总线，连接信号调理模块和数字接口模块，用于传递冷端电压采样数据；

所述低速总线，用于传递冷端附近温度采样数据和增益切换指令；

所述触发脉冲线，用于触发冷端电压采样。

进一步地，所述信号调理模块包括前置放大器、前置放大器增益选择器件、冷端温度传感器、冷端电压模拟-数字量转换器以及信号调理模块的辅助器件，其中：

所述前置放大器，用于放大薄膜热电偶冷端电压；

所述前置放大器增益选择器件，用于选择所述前置放大器增益；

所述冷端温度传感器，用于获取薄膜热电偶冷端附近温度，并将获取的薄膜热电偶冷端附近温度转换为数字量；

所述冷端电压模拟-数字量转换器，用于将所述前置放大器放大后的薄膜热电偶冷端电压转换为数字量；

所述信号调理模块的辅助器件，用于为所述前置放大器、所述前置放大器增益选择器件、所述冷端温度传感器以及所述冷端电压模拟-数字量转换器提供必要工作条件。

进一步地，所述数字接口模块包括单片微型计算机、以太网接口组件以及数字接口模块的辅助器件，其中：

所述单片微型计算机，与所述冷端电压模拟-数字量转换器、所述冷端温度传感器通过串行总线驳接；

所述以太网接口组件，与所述单片微型计算机驳接；

所述数字接口模块的辅助器件，用于为所述信号调理模块和所述数字接口模块提供工作电源。

进一步地，所述计算机网络采用基于TCP/IP协议栈的以太网。

一种基于上述适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置的方法，包括如下步骤：

S1、协调计算机网络通讯、接收来自网络的冷端温度和电压采集数据，

S2、根据硬件装置实际连接的薄膜热电偶类型，将步骤S1接收到的薄膜热电偶冷端温度和电压数据代入到与所述硬件装置实际连接的薄膜热电偶类型对应的薄膜热电偶分度表，进行冷端补偿；薄膜热电偶分度表存储在计算机硬盘内；

S3、记录和显示步骤S2冷端补偿后的薄膜热电偶温度数据。

进一步地，所述步骤S1中，协调计算机网络通讯、接收来自网络的冷端温度和电压采集数据，具体包括：

指定所述前置放大器的增益、指定冷端电压模拟-数字量转换器的采样速度、传递来自操作者的采集开始或停止指令以及接收来自冷端温度传感器和冷端电压模拟-数字量转换器的薄膜热电偶冷端温度和电压数据。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如上述适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集方法。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其数据的采样速度较高，能够满足不失真测量薄膜热电偶采集到的瞬变温度信号的条件。

2、本发明提供的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其前置放大器的增益可程控选择，能够在不更改硬件的前提下可完成多种材料组成的薄膜热电偶的冷端电压放大；其热电偶冷端电压的模拟-数字量转换器件使用具有较高转换速度的型号，使采样数据满足不失真测量瞬变温度信号的条件。

3、本发明提供的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其冷端补偿工作由软件程序完成，可根据薄膜热电偶的种类灵活选择分度表进行补偿。

4、本发明提供的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其数据处理和显示部分在微型计算机上运行，其网络接口组件使用现有的以太网物理层，无需新增硬件设备，部署过程简洁。

基于上述理由本发明可在薄膜热电偶的温度数据采集等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置的总体结构图。

图2为本发明信号调理模块的结构图。

图3为本发明数字接口模块的结构图。

图4为本发明数据处理和显示记录程序的流程示意图。

图中：1、硬件装置，2、微型计算机，3、以太网，4、信号调理模块，5、数字接口模块，6、高速总线，7、低速总线，8、触发脉冲线，9、前置放大器，10、前置放大器增益选择器件，11、冷端温度传感器，12、冷端电压模拟-数字量转换器，13、信号调理模块的辅助器件，14、单片微型计算机，15、以太网接口组件，16、数字接口模块的辅助器件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其特征在于，包括：硬件装置1、计算机网络3以及微型计算机2，其中，硬件装置1通过计算机网络3与微型计算机2相连；

所述硬件装置1，用于采集薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度；

所述计算机网络3，用于将所述硬件装置1采集的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度传送至所述微型计算机2；在本实施例中，所述计算机网络3采用基于TCP/IP协议栈的以太网。

所述微型计算机2，用于接收所述计算机网络3传送的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度，并对数据进行处理和显示记录程序。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述硬件装置1包括信号调理模块4、数字接口模块5、高速总线6、低速总线7以及触发脉冲线8，其中：

所述信号调理模块4，用于放大热电偶冷端电压、获取热电偶冷端附近温度，并将热电偶冷端电压和热电偶冷端附近温度转换为数字量信号；

所述数字接口模块5，用于协调信号调理模块4与计算机网络3之间的通信；

所述高速总线6，连接信号调理模块4和数字接口模块5，用于传递冷端电压采样数据；在本实施例中，高速总线6使用时钟频率为36Mhz的SPI总线。

所述低速总线7，用于传递冷端附近温度采样数据和增益切换指令；在本实施例中，低速总线7使用时钟频率为400kHz的IIC总线。

所述触发脉冲线8，用于触发冷端电压采样。本实施例中，触发脉冲线8使用单端接法的数字信号，其信号周期表征冷端电压的采样周期。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述信号调理模块4包括前置放大器9、前置放大器增益选择器件10、冷端温度传感器11、冷端电压模拟-数字量转换器12以及信号调理模块的辅助器件13，其中：

所述前置放大器9，用于放大薄膜热电偶冷端电压；在本实施例中，前置放大器9选用精密仪表放大器INA828。

所述前置放大器增益选择器件10，用于选择所述前置放大器9增益；在本实施例中，前置放大器增益选择器件10选用IIC总线I/O扩展器件PCF8574驱动的4路干簧管电磁继电器。

所述冷端温度传感器11，用于获取薄膜热电偶冷端附近温度，并将获取的薄膜热电偶冷端附近温度转换为数字量；在本实施例中，冷端温度传感器11选用具有0.0625摄氏度分辨率和0.25摄氏度精度的数字温度传感器，型号为MCP9808。

所述冷端电压模拟-数字量转换器12，用于将所述前置放大器9放大后的薄膜热电偶冷端电压转换为数字量；在本实施例中，冷端电压模拟-数字量转换器12选择具有16位分辨率和最大1MHz采样速率的单端输入的逐次比较型器件，型号为ADS8860。

所述信号调理模块的辅助器件13，用于为所述前置放大器9、所述前置放大器增益选择器件10、所述冷端温度传感器11以及所述冷端电压模拟-数字量转换器12提供必要工作条件。在本实施例中，信号调理模块的辅助器件13包括：5ppm高精密低温漂参考电压源REF6041、电压跟随器OPA191和为各部件供电的集成稳压器。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述数字接口模块5包括单片微型计算机14、以太网接口组件15以及数字接口模块的辅助器件16，其中：

所述单片微型计算机14，与所述冷端电压模拟-数字量转换器12、所述冷端温度传感器11通过串行总线驳接；在本实施例中，单片微型计算机14选用ARM Cortex-M3内核，具有48KiB运行内存和256KiB程序存储空间的STM32F103RC型。

所述以太网接口组件15，与所述单片微型计算机14驳接；在本实施例中，以太网接口组件15选用集成有硬件TCP/IP协议栈的W5500型。

所述数字接口模块的辅助器件16，用于为所述信号调理模块4和所述数字接口模块5提供工作电源。在本实施例中，数字接口模块的辅助器件16采用低噪声、低压差的集成线性稳压器件LT1963A，为整套装置提供稳定的工作电源。

本发明实施例还提供了一种基于上述适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置的方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1、协调计算机网络通讯、接收来自网络的冷端温度和电压采集数据，

S2、根据硬件装置实际连接的薄膜热电偶类型，将步骤S1接收到的薄膜热电偶冷端温度和电压数据代入到与所述硬件装置实际连接的薄膜热电偶类型对应的薄膜热电偶分度表，进行冷端补偿；薄膜热电偶分度表存储在计算机硬盘内；

S3、记录和显示步骤S2冷端补偿后的薄膜热电偶温度数据。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，协调计算机网络通讯、接收来自网络的冷端温度和电压采集数据，具体包括：

指定所述前置放大器的增益、指定冷端电压模拟-数字量转换器的采样速度、传递来自操作者的采集开始或停止指令以及接收来自冷端温度传感器和冷端电压模拟-数字量转换器的薄膜热电偶冷端温度和电压数据。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如上述适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集方法。在本实施例中，计算机程序使用Python程序设计语言进行编写，可运行于Linux或Windows操作系统平台，适用的微型计算机硬件架构包括但不限于IBM PC兼容机和基于ARM内核嵌入式处理器的单板微型计算机、使用多线程模式开发，各步骤之间的数据传递使用线程队列实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其特征在于，包括：硬件装置、计算机网络以及微型计算机，其中，硬件装置通过计算机网络与微型计算机相连；

所述硬件装置，用于采集薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度；

所述计算机网络，用于将所述硬件装置采集的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度传送至所述微型计算机；

所述微型计算机，用于接收所述计算机网络传送的薄膜热电偶冷端电压和冷端附近温度，并对数据进行处理和显示记录程序。

2.根据权利要求1所述的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其特征在于，所述硬件装置包括信号调理模块、数字接口模块、高速总线、低速总线以及触发脉冲线，其中：

所述信号调理模块，用于放大热电偶冷端电压、获取热电偶冷端附近温度，并将热电偶冷端电压和热电偶冷端附近温度转换为数字量信号；

所述数字接口模块，用于协调信号调理模块与计算机网络之间的通信；

所述高速总线，连接信号调理模块和数字接口模块，用于传递冷端电压采样数据；

所述低速总线，用于传递冷端附近温度采样数据和增益切换指令；

所述触发脉冲线，用于触发冷端电压采样。

3.根据权利要求2所述的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其特征在于，所述信号调理模块包括前置放大器、前置放大器增益选择器件、冷端温度传感器、冷端电压模拟-数字量转换器以及信号调理模块的辅助器件，其中：

所述前置放大器，用于放大薄膜热电偶冷端电压；

所述前置放大器增益选择器件，用于选择所述前置放大器增益；

所述冷端温度传感器，用于获取薄膜热电偶冷端附近温度，并将获取的薄膜热电偶冷端附近温度转换为数字量；

所述冷端电压模拟-数字量转换器，用于将所述前置放大器放大后的薄膜热电偶冷端电压转换为数字量；

所述信号调理模块的辅助器件，用于为所述前置放大器、所述前置放大器增益选择器件、所述冷端温度传感器以及所述冷端电压模拟-数字量转换器提供必要工作条件。

4.根据权利要求2所述的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其特征在于，所述数字接口模块包括单片微型计算机、以太网接口组件以及数字接口模块的辅助器件，其中：

所述单片微型计算机，与所述冷端电压模拟-数字量转换器、所述冷端温度传感器通过串行总线驳接；

所述以太网接口组件，与所述单片微型计算机驳接；

所述数字接口模块的辅助器件，用于为所述信号调理模块和所述数字接口模块提供工作电源。

5.根据权利要求1所述的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置，其特征在于，所述计算机网络采用基于TCP/IP协议栈的以太网。

6.一种基于上述权利要求1-5中任意一项权利要求所述适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、协调计算机网络通讯、接收来自网络的冷端温度和电压采集数据，

S2、根据硬件装置实际连接的薄膜热电偶类型，将步骤S1接收到的薄膜热电偶冷端温度和电压数据代入到与所述硬件装置实际连接的薄膜热电偶类型对应的薄膜热电偶分度表，进行冷端补偿；薄膜热电偶分度表存储在计算机硬盘内；

S3、记录和显示步骤S2冷端补偿后的薄膜热电偶温度数据。

7.根据权利要求6所述的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集方法，其特征在于，所述步骤S1中，协调计算机网络通讯、接收来自网络的冷端温度和电压采集数据，具体包括：

指定所述前置放大器的增益、指定冷端电压模拟-数字量转换器的采样速度、传递来自操作者的采集开始或停止指令以及接收来自冷端温度传感器和冷端电压模拟-数字量转换器的薄膜热电偶冷端温度和电压数据。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机指令集；所述计算机指令集被处理器执行时实现如权利要求6-7任一项所述的适用于薄膜热电偶的网络化温度数据采集方法。

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