CN116558660A - 一种热电偶采集冷端补偿结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电偶采集冷端补偿结构，通过设计开口槽，等温块置于每个热电偶连接器的开口槽中，并与每个热电偶连接器的两片导电铜牌通过导热硅胶片紧密结合，这样与每个输入通道的热电偶连接器通过导热硅胶片紧密结合，这样避免出现热电偶两电极温度以及多个热电偶两极之间不一致的情况，保证了冷端补偿的实时性和准确性，同时，等温块还与PCB板上的热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器通过导热硅胶片紧密结合，提高了冷端结构整体热容，降低了冷端对外界的温度敏感度。同时，温度小板为安装通道温度传感器的电路板，电路小板厚度为定制厚度，实现将通道温度传感器抬升到贴近热电偶连接器导电铜牌后端，保证了温度测量的准确性。此外，导热硅胶片为各个部分之间连接的缓冲，既保证了高导热率，又保证了绝缘性。
Description
技术领域
本发明属于热电偶技术领域，更为具体地讲，涉及一种热电偶采集冷端补偿结构。
背景技术
热电偶传感器是一种基于热电效应实现温度测量的传感器，其测量原理为将热电效应电势差和冷端补偿两部分合成得到被测温度值。
针对热电偶传感器的温度采集，常见冷端测量方法有冰点法、电桥补偿法、集成传感器补偿法以及温度直接测量法。冰点法需要额外的恒温设备，提高了系统复杂度，违背了仪器设计的便携性。电桥补偿法和集成传感器补偿法由于需要针对每种类型热电偶都需要配套的补偿电路，结构过于复杂。温度直接测量法适合多种类型热电偶测量的功能，极大地降低了冷端补偿电路的复杂度。
基于温度直接测量法的常见热电偶采集冷端补偿结构非常简单，仅通过温度传感器和热电偶连接器冷端电极接触的方式连接，该方式存在冷端温度响应时间较长，并且容易受到外界干扰的问题。同时，温度传感器均设置在热电偶连接器的引脚上，并且热电偶连接器两电极之间也未见明显的等温措施，热电偶采集原理的准确性是基于冷端结点两极温度相等的前提下的，若两极温度不同则会造成热电偶采集误差增大，影响测量精度。此外，温度传感器所在位置为热电偶连接器引脚上，距离实际冷端位置较远，并且没有明显增强导热的设计，这会造成对于热电偶冷端温度的变化不够敏感。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种热电偶采集冷端补偿结构，以提高冷端温度响应速度，减小对外界干扰的敏感度，实现两极等温，避免影响测量精度，同时，增强温度传感器对热电偶冷端温度的敏感性。
为实现上述发明目的，本发明热电偶采集冷端补偿结构，其特征在于，包括：
四个热电偶连接器，分别连接四个热电偶传感器，四个热电偶传感器分别通过插入对应的热电偶连接器，实现四个热电偶传感器与热电偶采集系统的连接，其中，热电偶连接器由外壳、两片簧片、两片导电铜牌、两颗导电铜螺丝组成，外壳前端有两个插口，分别放入一所述簧片，外壳后端有两个与两个插口对应的槽，两片导电铜牌分别沿对应的槽从后端向前端插入，分别与前端簧片压接，当热电偶连接器的插头插入时，热电偶传感器的两个插头被对应的簧片紧密的贴合到导电铜牌；所述槽在前端与后端之间上侧面是开口槽，两片导电铜牌开口槽中上侧面是裸露的，两片导电铜牌的后端，分别由一颗导电铜螺丝与PCB板上的螺孔旋紧连接，螺孔与热电偶采集系统连接；
一热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器，安装在PCB板上；一等温块，置于每个热电偶连接器的开口槽中，并与每个热电偶连接器的两片导电铜牌通过导热硅胶片紧密结合，同时，等温块与PCB板上的热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器通过导热硅胶片紧密结合；
四个通道温度传感器，为冷端补偿结构中的测温器件，分别负责四个热电偶连接器各自两片导电铜牌即冷端的温度物理量和数字量的转换；
四块温度小板，为安装通道温度传感器的电路板，分别位于四个热电偶连接器后端导电铜牌下方，其上方分别安装一所述通道温度传感器，下方固定在PCB板上，通道温度传感器通过温度小板上印刷线路与PCB板上热电偶采集系统连接，温度小板厚度为定制厚度，用于将各自通道温度传感器抬升到贴近各自热电偶连接器导电铜牌后端，通道温度传感器与导电铜牌之间为导热硅胶片，通过导热硅胶片紧密结合。
本发明的目的是这样实现的。
本发明热电偶采集冷端补偿结构，在通过自主设计的热电偶连接器，通过热电偶传感器插头插入热电偶连接器，实现热电偶传感器和热电偶采集系统的连接的基础上，通过设计开口槽，等温块置于每个热电偶连接器的开口槽中，并与每个热电偶连接器的两片导电铜牌通过导热硅胶片紧密结合，这样与每个输入通道的热电偶连接器通过导热硅胶片紧密结合，这样避免出现热电偶两电极温度以及多个热电偶两极之间不一致的情况，保证了冷端补偿的实时性和准确性，同时，等温块还与PCB板上的热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器通过导热硅胶片紧密结合，提高了冷端结构整体热容，降低了冷端对外界的温度敏感度。同时，通道温度传感器为冷端补偿结构中的测温器件，其余部分均是为测温提供服务的，其负责冷端温度物理量和数字量的装换；温度小板为安装通道温度传感器的电路板，电路小板厚度为定制厚度，实现将通道温度传感器抬升到贴近热电偶连接器导电铜牌后端，保证了温度测量的准确性。此外，导热硅胶片为各个部分之间连接的缓冲，既保证了高导热率，又保证了绝缘性。
附图说明
图1是本发明热电偶采集冷端补偿结构一具体实施方式的结构示意图；
图2是图1所示热电偶采集冷端补偿结构的前端局部放大结构示意图；
图3是图1所示热电偶采集冷端补偿结构的后端局部放大结构示意图；
图4是图1中的热电偶连接器的爆炸图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明热电偶采集冷端补偿结构一具体实施方式的结构示意图，图2、3分别是其前端、后端的结构示意图。
在本实施例中，如图1、2、3所示，本发明热电偶采集冷端补偿结构，包括四个热电偶连接器1、等温块2、四个通道温度传感器3(图1中由于遮挡，未画出，具体见图3)、四块温度小板4以及热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器5。
四个热电偶连接器1分别连接四个热电偶传感器，四个热电偶传感器分别通过插入对应的热电偶连接器，实现四个热电偶传感器与热电偶采集系统的连接，其中，如图4所示，热电偶连接器1由外壳101、两片簧片102、两片导电铜牌103、两颗导电铜螺丝104组成，如图4所示，外壳101前端有两个插口，分别放入一所述簧片102，外壳后端有两个与两个插口对应的槽，两片导电铜牌103分别沿对应的槽从后端向前端插入，分别与前端簧片102压接。
如图2所示，当热电偶连接器的插头插入时，热电偶传感器的两个插头被对应的簧片102紧密的贴合到导电铜牌103。所述槽在前端与后端之间上侧面是开口槽A，两片导电铜牌103开口槽中上侧面是裸露的，两片导电铜牌103的后端，分别由一颗导电铜螺丝104与PCB板6上的螺孔旋紧连接，螺孔与热电偶采集系统连接。
如图1所示，热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器5安装在PCB板6上。
如图1、2、3所示，等温块2置于每个热电偶连接器1的开口槽A中，并与每个热电偶连接器1的两片导电铜牌103通过导热硅胶片紧密结合，同时，等温块2与PCB板6上的热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器5通过导热硅胶片紧密结合。
如图3所示，四个通道温度传感器3为冷端补偿结构中的测温器件，分别负责四个热电偶连接器1各自两片导电铜牌即冷端的温度物理量和数字量的转换。
四块温度小板4为安装通道温度传感器3的电路板，分别位于四个热电偶连接器1后端导电铜牌下方，其上方分别安装一所述通道温度传感器3，下方固定在PCB板6上，通道温度传感器3通过温度小板4上印刷线路与PCB板6上热电偶采集系统连接，温度小板4厚度为定制厚度，用于将各自通道温度传感器3抬升到贴近各自热电偶连接器1导电铜牌103后端，通道温度传感器3与导电铜牌103之间为导热硅胶片，通过导热硅胶片紧密结合。在本实施例中，温度小板4通过双层PCB堆叠的方式，将通道温度传感器3位置垫高，以达到通道温度传感器3和被测点即导电铜牌103后端紧密贴合的目的，降低导热路径距离，提高导热率。
在冷端温度测量这一问题中，测量准确的前提是能够正确测量到热电偶传感器的实际冷端。现有热电偶连接器测量热电偶传感器冷端温度时，并不能测量到实际冷端的温度，只能测得热电偶连接器引脚附近的温度，热电偶传感器插头处出现温度波动时无法快速响应。
同时，市场上购买的现有热电偶连接器经过拆解和测量，该产品铜片截面积仅有0.25mm×3.2mm，传热材料厚度比较大，所以导热速率相对较低，这会导致冷端测量得到的温度数据有所延时，不能实现实时的冷端温度测量。为了改进这一问题，本发明摒弃了通用的热电偶连接器，进行自行设计，减小冷端温度测量因为导热速率低带来的问题。
在本实施例中，热电偶连接器结构如图4所示，热电偶连接器1通过3D打印技术实现对外壳的加工，采用线切割的方式加工簧片102和导电铜牌103。如图2所示，簧片102的作用是将热电偶传感器插头紧密的贴合到导电铜牌103上，导电铜牌103后端通过导电铜螺丝104连接到PCB板6上，将外部热电偶信号传入通道板。在本实施例中，导电铜牌103的截面积为0.5mm×4.6mm，在保证材料和传热路径厚度一致的前提下，通过导热速率公式可以计算出导热速率提升了2.875倍。
如图1所示，本发明热电偶采集冷端补偿结构通过自主设计的热电偶连接器1，通过热电偶传感器插头插入热电偶连接器1，实现热电偶传感器和热电偶采集系统的连接的基础上，通过设计开口槽A，等温块2置于每个热电偶连接器1的开口槽A中，并与每个热电偶连接器1的两片导电铜牌103通过导热硅胶片紧密结合，这样与每个输入通道的热电偶连接器1通过导热硅胶片紧密结合，这样避免出现热电偶两电极温度以及多个热电偶两极之间不一致的情况，同时，等温块2还与PCB板6上的热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器5通过导热硅胶片紧密结合，保证了冷端补偿的实时性和准确性，提高了冷端结构整体热容，降低了冷端对外界的温度敏感度。同时，通道温度传感器3为冷端补偿结构中的测温器件，其余部分均是为测温提供服务的，其负责冷端温度物理量和数字量的转换；温度小板4为安装通道温度传感器3的电路板，电路小板厚度为定制厚度，实现将通道温度传感器3抬升到贴近热电偶连接器1导电铜牌103后端，保证了温度测量的准确性。此外，导热硅胶片为各个部分之间连接的缓冲，既保证了高导热率，又保证了绝缘性。
在本实施例中，等温块2采用高导热率的铝材料，通过导热硅胶片与热电偶连接器1导电铜牌103后端紧密连接，等温块2的主要作用有以下几点：
1、等温块采用高导热率的铝材料，能够保证结构中整体温度的一致性，并且能够快速变化，提升冷端温度测量的时效性；
2、等温块和热电偶连接器通过高导热材料的导热硅胶片紧密连接，由于等温块的存在，冷端补偿结构的整体热容增大，能够提高新插入的热电偶传感器插头和冷端补偿结构的热平衡速度，提升测量速度；
3、等温块通过高导热材料的导热硅胶片与热电偶连接器紧密连接，保证了热电偶连接器正负极温度的一致，避免了因冷端正负极温度不一致带来的误差；
4、等温块的存在以及其高导热率的特点，提高了冷端补偿结构的稳定性，将外界的温度干扰降至最低，提高了鲁棒性。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种热电偶采集冷端补偿结构，其特征在于，包括：
四个热电偶连接器，分别连接四个热电偶传感器，四个热电偶传感器分别通过插入对应的热电偶连接器，实现四个热电偶传感器与热电偶采集系统的连接，其中，热电偶连接器由外壳、两片簧片、两片导电铜牌、两颗导电铜螺丝组成，外壳前端有两个插口，分别放入一所述簧片，外壳后端有两个与两个插口对应的槽，两片导电铜牌分别沿对应的槽从后端向前端插入，分别与前端簧片压接，当热电偶连接器的插头插入时，热电偶传感器的两个插头被对应的簧片紧密的贴合到导电铜牌；所述槽在前端与后端之间上侧面是开口槽，两片导电铜牌开口槽中上侧面是裸露的，两片导电铜牌的后端，分别由一颗导电铜螺丝与PCB板上的螺孔旋紧连接，螺孔与热电偶采集系统连接；
一热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器，安装在PCB板上；
一等温块，置于每个热电偶连接器的开口槽中，并与每个热电偶连接器的两片导电铜牌通过导热硅胶片紧密结合，同时，等温块与PCB板上的热电偶采集系统的内部温度补偿电路传感器通过导热硅胶片紧密结合；
四个通道温度传感器，为冷端补偿结构中的测温器件，分别负责四个热电偶连接器各自两片导电铜牌即冷端的温度物理量和数字量的转换；
四块温度小板，为安装通道温度传感器的电路板，分别位于四个热电偶连接器后端导电铜牌下方，其上方分别安装一所述通道温度传感器，下方固定在PCB板上，通道温度传感器通过温度小板上印刷线路与PCB板上热电偶采集系统连接，温度小板厚度为定制厚度，用于将各自通道温度传感器抬升到贴近各自热电偶连接器导电铜牌后端，通道温度传感器与导电铜牌之间为导热硅胶片，通过导热硅胶片紧密结合。
2.根据权利要求1所述的热电偶采集冷端补偿结构，其特征在于，所述等温块为高导热率的铝材料。
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