CN117516740A - 一种t型热电偶信号处理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种T型热电偶信号处理装置及方法，属于电子测量仪器的设计领域。为了解决现有的T型热电偶测量温度时存在反向解算不方便以及误差大的问题。本发明包括n路测量端均放置于待测环境中且接收端与冷端补偿模块相连的T型热电偶，用于测量冷端温度并产生冷端补偿电压的冷端补偿模块和与每一路T型热电偶测量模块对应的热电偶测量模块，其用于采集T型热电偶两端电势差并将采集到的电压信号传输至该路T型热电偶对应的信号放大调理模块；装置还包括n+1路分别用于将冷端补偿电压和各自对应的热电偶电压信号进行放大调理的信号放大调理模块，以及计算待测热电偶实际电势差并计算待测温度值的中央处理模块。
Description
技术领域
本发明属于电子测量仪器的设计领域，涉及一种T型热电偶信号处理装置及方法。
背景技术
近年来，随着生活水平的提高，冻干制品逐渐走入人们的日常生活。在冻干生产制作环节中，需要在真空环境中通过高温到低温的变化，使食品中的自由水挥发、结合水保留，以达到增加储存时间、保留其基本风味的目的。因此对于食品温度的把控至关重要。热电偶传感器测温范围宽、准确度好、稳定性好，在接触式测温中应用最为普遍。T型热电偶又称铜-康铜热电偶，测温范围在-270℃～400℃，适合真空、氧化还原环境，是一种最佳的测量低温的廉金属热电偶，可以满足冻干生产制作过程中的测温需求。
热电偶的测温是基于塞贝克效应(Seebeckeffect)，即两种不同材质的金属导体A、B构成闭合回路，当闭合回路的两个端点处于不同的温度场，即测温端(热端)温度T和参考端(冷端)温度不同时，回路内会产生热电动势。实际应用中，热电偶的两个电极A和B的材料成分均为已知，因此可以确定热电势与温度之间的函数关系。当冷端温度固定时，热电偶的输出电动势为热端温度的单值函数。在实际使用中，T型热电偶冷端温度往往会受到环境温度、气流变换等因素影响，并不保持在0℃，因此不能简单地将默认为0℃，而是需要进行电压补偿；同时，现有的ITS-90标准仅给出了T型热电偶温度与热电势的逆函数，给温度转换带来了不便，不但计算量大、效率低，而且这种方式会在测量误差的基础上增加解算误差，或进一步降低测量精度。此外现有的T型热电偶电势—温度关系是按照线性关系确定的，但是经过研究发现实际上现有的T型热电偶的输出电压与温度仅在某些特定温度范围内具有严格的线性关系，因此会导致在高温和低温段时线性度较差，这一问题也体现在实际使用中。这显然给T型热电偶的测温范围带来了限制，随着温度升高测量精度也会受到显著影响。
因此，对T型热电偶的测量信号处理在很大程度上决定了测温的速度与精度。针对目前T型热电偶暂无专用信号处理芯片和专用热电势—温度转换算法的问题，仍亟待解决。
发明内容
本发明为了解决现有的T型热电偶测量温度时存在反向解算不方便的问题，以及误差大的问题。
一种T型热电偶信号处理装置，其包括n路T型热电偶、n路热电偶测量模块、n+1路信号放大调理模块，以及冷端补偿模块和中央处理模块；其中，
n路T型热电偶，测量端均放置于待测环境中，接收端与冷端补偿模块相连，n路T型热电偶的冷端平行排列、紧邻布置；
冷端补偿模块，用于测量冷端温度，产生冷端补偿电压并传输至冷端补偿模块对应的信号放大调理模块；
n路热电偶测量模块，每路热电偶测量模块对应于一路T型热电偶测量模块，用于采集T型热电偶两端电势差并将采集到的电压信号传输至该路T型热电偶对应的信号放大调理模块；
n+1路信号放大调理模块，其包括n路分别与每路热电偶测量模块对应的信号放大调理模块和1路与冷端补偿模块对应的信号放大调理模块；n+1路信号放大调理模块分别用于将冷端补偿电压和各自对应的热电偶电压信号进行放大调理，使满足后续进入中央处理模块的输入电压范围；
中央处理模块，通过AD采集端口接收经过n+1路信号放大调理模块对应的冷端补偿电压信号和热电偶电压信号，计算得到待测热电偶实际电势差；根据T型热电偶热电势—温度函数和待测热电偶实际电势差，计算待测温度值。
进一步地，所述T型热电偶的热电偶电势—温度函数如下：
T＝a0+a1e+a2e2+a3e3
其中，T为测量温度，a0、a1、a2、a3为系数，e为待测热电偶实际电势差。
进一步地，所述T型热电偶用电势表示温度的电势—温度函数需要经过预先标定处理，具体包括以下步骤：
首先确定所述T型热电偶电势—温度函数表达式：
T＝a0+a1e+a2e2+a3e3
其中，T为测量温度，a0、a1、a2、a3为系数，e为待测热电偶实际电势差；
在实际计算T时，将由于系数位数的取舍造成T的实际值和计算值之间的误差记为ΔE；有|ΔE|≤h，h为误差限；
通过一元内插公式法确定所述T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数有效位数M；有效位数M如下：
其中，h为误差限，ei为电势差的范围；Ai为系数ai的取值范围；
根据确定的ei、Ai和h，计算M的值并将结果写成R×10-r的形式；以数值5确定其有效位数，即R≥5时，有效位数取r位；R<5时，有效位数取r+1位；
在确定了系数有效位数后，通过温度检定点确定T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数。
进一步地，通过温度检定点确定T型热电偶热电势—温度函数表达式系数的过程如下：
在测温范围内间隔一定温度差选取四组共12个温度检定点，测量在每个温度检定点时所述T型热电偶输出的电势值，计算确定所述T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数。
进一步地，所述冷端补偿模块包括测温电路和补偿电路，其中，
所述的测温电路包括温度传感器和分压电阻R，用于测量冷端温度并转化成模拟电压信号；温度传感器输出的电压经分压电阻R输入补偿电路；
所述的补偿电路包括一个稳压电压源，用于提供基准电压，补偿电路还包括分压电阻Rc；T型热电偶产生的电压、冷端补偿模块测温电路输入的电压U和基准电压源产生的基准电压Vref经分压电阻R、Rc分压后产生补偿电压Uc并输入信号放大调理模块。
进一步地，冷端补偿模块输出的补偿电压为
其中，Rc和R为分压电阻阻值；Uc为补偿电压；Vref为稳压电压源输出的基准电压。进一步地，温度传感器输出的电压为
U＝10mV×T+500mV
其中，U为输出电压，T为冷端温度。
进一步地，所述分压电阻Rc和R的阻值由下列公式计算得到：
其中，K为所述T型热电偶热电势率；EAB为所述测温电路输出的电势；Ic是通过Rc的电流。
进一步地，所述信号放大调理模块包括双电源放大电路和信号调理电路，双电源放大电路输出端与信号调理电路输入端连接；其中，
双电源放大电路包括一级放大模块、二级放大模块、电压加法模块和反相模块；一级放大模块输入端与冷端补偿模块或每路热电偶测量模块输出端相连，一级放大模块输出端与二级放大模块输入端相连，二级放大模块输出端与电压加法模块输入端相连，电压加法模块输出端与反相模块输入端相连；一级放大模块、二级放大模块均包括一个双电源运算放大器和若干比例运算电阻，对补偿电压和热电偶电压信号进行放大；电压加法模块和反相模块对放大模块输出信号作电压加法；
信号调理电路包括分压跟随电路和抗混叠滤波电路；分压跟随电路包括运算放大器和分压电阻，分压电阻与运算放大器正输入端口相连，用于减少信号漂移和保护集成运放端口；二者共同组成分压跟随电路，用于对输入信号的缓冲；抗混叠滤波电路包括分压电阻和电容，其中分压电阻和电容并联连接，电容接地，二者共同组成抗混叠滤波电路，抑制反冲噪声和带外噪声；抗混叠滤波电路输入端与分压跟随电路输出端相连，抗混叠滤波电路输出端与AD采集端口相连。
一种T型热电偶信号处理方法，基于所述的一种T型热电偶信号处理装置进行T型热电偶的信号处理，进行T型热电偶的信号处理的过程包括以下步骤：
步骤1：接通电源后，各模块进行自检，若存在故障则由中央处理模块记录故障信息，并传输至上位机；否则，进入步骤2；
步骤2：冷端补偿模块采集冷端温度，并根据公式U＝10mV×T+500mV获得冷端电压U，其中，U为输出电压，T为冷端温度；根据公式得到补偿电压Uc，其中，Uc为补偿电压，Rc和R为分压电阻阻值，Vref为稳压电压源输出的基准电压，Vref为2.5V；
所述补偿电压Uc经信号放大调理模块后进入中央处理模块；中央处理模块判断补偿电压是否在正常范围，若否则记录故障信息，若是则进入步骤3；
步骤3：热电偶采集模块采集对应的热电偶电势差EAB，经信号放大调理模块后进入中央处理模块；判断该电势差是否处于正常范围，若否则记录故障信息，若是则进入步骤4；
步骤4：根据公式e＝EAB+Uc，计算得到补偿后的待测热电偶实际电势差e，进入步骤5；
步骤5：将待测热电偶实际电势差e代入T型热电偶热电势—温度函数，计算得到当前测量的热电偶热端温度，即待测环境温度。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的T型热电偶信号处理装置及方法，可实现T型热电偶的自动温度测量，可以直接得到温度，不仅更加方便，而且降低了解算误差，可以在一定程度上提高测量准确率和效率。此外本发明的装置和方法还具有成本低、操作简单、可靠性高的优点；经过校准和标定，对T型热电偶测温的精度可达到±0.5℃以内，还可以保证在高温、低温、真空环境中对温度的精准测量。
附图说明
图1是本发明T型热电偶信号处理装置的整体组成示意图；
图2是本发明T型热电偶信号处理方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，
本实施方式为一种T型热电偶信号处理装置，包括n路T型热电偶、n路热电偶测量模块、n+1路信号放大调理模块，以及冷端补偿模块和中央处理模块。其中，
n路T型热电偶，测量端(热端)均放置于待测环境中，接收端(冷端)与冷端补偿模块相连，n路T型热电偶的冷端平行排列、紧邻布置；
优选的，本实施方式中的T型热电偶信号处理装置使用T型热电偶的热电极材料为铜-康铜材料，接线柱包括一根铜接线柱和一根康铜接线柱。铜接线柱与热电偶的铜线相连，作为温度信号正极输入；康铜接线柱与热电偶的康铜线相连，作为温度信号负极输入。
现有的T型热电偶是利用温度来表示热电偶电势，这样使得在测量温度时，需要根据电偶电势逆向解算出温度，不但计算量大、效率低，而且这种方式会在测量误差的基础上增加解算误差，或进一步降低测量精度。此外现有的T型热电偶电势—温度关系是按照线性关系确定的，但是经过研究发现实际上现有的T型热电偶的输出电压与温度仅在某些特定温度范围内具有严格的线性关系，因此会导致在高温和低温段时线性度较差，这一问题也体现在实际使用中。T型热电偶在低温段(-200℃以下)测量时，不同厂家、不同批次的热电偶经式(1)计算出的温度值相差最高可达7～8℃。
本发明经过研究之后，对T型热电偶的热电偶电势—温度函数进行了改进，利用电势表示温度，表达式如下：
T＝a0+a1e+a2e2+a3e3
其中，T为测量温度，a0、a1、a2、a3为系数，e为待测热电偶实际电势差。
因此本发明能够直接输出温度，不用反向计算，不仅提高了效率，而且避免了反向解算带来的误差损失，提高了测量精度；同时本发明用电势来表示温度的函数形式也避免了现有的T型在低温和高温区间误差较大的问题。
本发明的T型热电偶用电势表示温度的电势—温度函数需要经过预先标定处理，具体包括以下步骤：
首先确定所述T型热电偶电势—温度函数表达式：
T＝a0+a1e+a2e2+a3e3
其中，T为测量温度，a0、a1、a2、a3为系数，e为待测热电偶实际电势差；
在实际计算T时，由于系数位数的取舍，会造成T的实际值和计算值之间存在误差，这个误差记为ΔE。为了保证计算精度，设定一个误差限h，有|ΔE|≤h，能够在保证最大计算精度的前提下，最大限度的减小系数的有效位数。
通过一元内插公式法确定所述T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数有效位数M；有效位数M如下：
其中，h为误差限，取0.001；ei为电势差的范围，计算时取该范围的绝对值，例如拟测温的范围是-200℃～200℃，因此ei是T型热电偶在-200℃～200℃内产生电势差的范围；Ai为系数ai的取值范围，|a1|<10-1、|a2|<10-4、|a3|<10-7，对应的Ai即为10-1、10-4、10-7，常数项a0对应的Ai不参与有效位数的确定；
根据确定的ei、Ai和h，计算M的值并将结果写成R×10-r的形式(1≤R<10，r是正整数)。以数值5确定其有效位数，即R≥5时，有效位数取r位；R<5时，有效位数取r+1位。
在确定了系数有效位数后，通过温度检定点确定T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数，具体地，在测温范围内间隔一定温度差选取四组共12个温度检定点，测量在每个温度检定点时所述T型热电偶输出的电势值，计算确定所述T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数。
冷端补偿模块，用于测量冷端温度，产生冷端补偿电压并传输至冷端补偿模块对应的信号放大调理模块；
进一步地，所述冷端补偿模块包括测温电路和补偿电路，其中，
所述的测温电路包括温度传感器和分压电阻R，用于测量冷端温度并转化成模拟电压信号；优选的，测温电路中采用精密温度传感器LMT90DBZR，其中芯片+VS引脚接+5V电源，GND引脚接地，V_OUT引脚输出电压信号，经分压电阻R输入补偿电路。
采用精密温度传感器采集冷端温度，工作灵敏度高、可靠性强，能准确测量环境温度并转换为电压输出。本实施方式中温度传感器输出的电压为
U＝10mV×T+500mV
其中，U为输出电压，T为冷端温度。
所述的补偿电路包括一个稳压电压源，用于提供基准电压，稳压电压源采用LM236-D-2.5稳压芯片，提供2.5V基准电压；补偿电路还包括并联的分压电阻Rc。T型热电偶产生的电压、冷端补偿模块测温电路输入的电压U和基准电压源产生的基准电压Vref经分压电阻R、Rc分压后产生补偿电压Uc并输入信号放大调理模块。
T型热电偶的测温原理默认冷端为0℃，并以此编写分度表。但在实际使用中，冷端温度受环境因素等的影响，并不为0℃，因此需要进行冷端补偿。本发明中补偿电路的基本原理是使得所述T型热电偶的热电势率等于补偿电压关于温度的变化率。冷端补偿模块输出的补偿电压为
其中，Rc和R为分压电阻阻值；Uc为补偿电压；Vref为稳压电压源输出的基准电压，Vref为2.5V。
所述分压电阻Rc和R可由下列公式计算得到：
其中，K为所述T型热电偶热电势率；EAB为所述测温电路输出的电势(直接从T型热电偶采集到的、未经冷端补偿的电动势)；Ic是通过Rc的电流。
n路热电偶测量模块，每路热电偶测量模块对应于一路T型热电偶测量模块，用于采集T型热电偶两端电势差并将采集到的电压信号传输至该路T型热电偶对应的信号放大调理模块；
n+1路信号放大调理模块，其包括n路分别与每路热电偶测量模块对应的信号放大调理模块和1路与冷端补偿模块对应的信号放大调理模块；n+1路信号放大调理模块分别用于将冷端补偿电压和各自对应的热电偶电压信号进行放大调理，使满足后续进入中央处理模块的输入电压范围；
进一步地，信号放大调理模块包括双电源放大电路和信号调理电路，双电源放大电路输出端与信号调理电路输入端连接。其中，
双电源放大电路包括一级放大模块、二级放大模块、电压加法模块和反相模块；一级放大模块输入端与冷端补偿模块或每路热电偶测量模块输出端相连，一级放大模块输出端与二级放大模块输入端相连，二级放大模块输出端与电压加法模块输入端相连，电压加法模块输出端与反相模块输入端相连。一级放大模块、二级放大模块均包括一个双电源运算放大器和若干比例运算电阻，对补偿电压和热电偶电压信号进行放大；优选的，放大模块采用LM358多通道双电源放大器。电压加法模块和反相模块对放大模块输出信号作电压加法。
信号调理电路包括分压跟随电路和抗混叠滤波电路。分压跟随电路包括运算放大器和分压电阻，分压电阻与运算放大器正输入端口相连，用于减少信号漂移和保护集成运放端口；二者共同组成分压跟随电路，可以用于对输入信号的缓冲。抗混叠滤波电路包括分压电阻和电容，其中分压电阻和电容并联连接，电容接地，二者共同组成抗混叠滤波电路，可以有效抑制反冲噪声和带外噪声。抗混叠滤波电路输入端与分压跟随电路输出端相连，抗混叠滤波电路输出端与AD采集端口相连。
中央处理模块，通过AD采集端口接收经过n+1路信号放大调理模块对应的冷端补偿电压信号和热电偶电压信号，计算得到待测热电偶实际电势差；根据T型热电偶热电势—温度函数和待测热电偶实际电势差，计算待测温度值。
本实施方式所述的一种T型热电偶信号处理装置还包括电源模块和电源转换电路。电源模块一端由USB接口供电，另一端连接至电源转换电路中；电源转换电路，将输入电压转换成不同的额定电压向冷端补偿模块、热电偶测量模块和中央处理模块输出恒压电源；还用于将输入电压转换成正、负电压，向信号放大调理模块提供双电源。
电源转换电路包括ICL7660电压转换芯片和电容。ICL7660芯片有电压转换和电压分压两种工作模式，通过将对应引脚经由电容接地，可以将ICL7660芯片设置为电压转换模式，由USB接口提供的+5V电源经ICL7660芯片产生+5V电压和-5V电压输出，以满足冷端补偿模块、热电偶测量模块、中央处理模块和信号放大调理模块的工作电压要求。
多路热电偶同时采集待测温度，并分别产生电势差进入对应的热电偶测量模块；多路热电偶、多路热电偶测量模块和多路信号放大调理模块，可满足多路热电偶同时测温，实际使用中每路热电偶热端可放置于不同温度环境中，冷端集中放置，由一组冷端补偿模块进行冷端测温和冷端补偿。
本实施方式提出的T型热电偶信号处理装置，热电偶测量模块采用热电性质几乎完全相同的接线柱，实现T型热电偶温度的精确测量，提高测温的可靠性。冷端补偿模块采用稳压电压源和分压电阻进行冷端补偿，结构简单、计算简便、成本低廉。本发明的信号放大调理模块采用双电源放大电路和信号调理电路，将热电偶信号进行放大、滤波，降低信号噪声的同时满足后续AD采集端口的电压输入范围。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，
本实施方式为一种T型热电偶信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1：接通电源后，各模块进行自检，若存在故障则由中央处理模块记录故障信息，并传输至上位机；否则，进入步骤2；
步骤2：冷端补偿模块采集冷端温度，并根据公式U＝10mV×T+500mV获得冷端电压U，其中，U为输出电压，T为冷端温度；根据公式得到补偿电压Uc，其中，Uc为补偿电压，Rc和R为分压电阻阻值，Vref为稳压电压源输出的基准电压，Vref为2.5V；
所述补偿电压Uc经信号放大调理模块后进入中央处理模块；中央处理模块判断补偿电压是否在正常范围，若否则记录故障信息并传输至上位机，若是则进入步骤3；
步骤3：热电偶采集模块采集对应的热电偶电势差EAB，经信号放大调理模块后进入中央处理模块；判断该电势差是否处于正常范围，若否则记录故障信息并传输至上位机，若是则进入步骤4；
步骤4：根据公式e＝EAB+Uc，计算得到补偿后的待测热电偶实际电势差e，进入步骤5；
步骤5：将待测热电偶实际电势差e代入T型热电偶热电势—温度函数，计算得到当前测量的热电偶热端温度，即待测环境温度。
产生故障时，由中央处理模块经SPI通讯总线将故障信息传输至上位机，在一些实施例中，上位机用于显示故障信息等；未产生故障时，由中央处理模块经SPI通讯总线将待测环境温度数据传输至上位机。
本发明提供的T型热电偶信号处理方法中，由于本发明实际定T型热电偶的电势—温度关系是基于一元内插公式法确定T型热电偶电势—温度关系式及其系数，实际使用中可直接由测量得到的热电势值换算得到温度，误差小、计算便捷。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，其包括n路T型热电偶、n路热电偶测量模块、n+1路信号放大调理模块，以及冷端补偿模块和中央处理模块；其中，
n路T型热电偶，测量端均放置于待测环境中，接收端与冷端补偿模块相连，n路T型热电偶的冷端平行排列、紧邻布置；
冷端补偿模块，用于测量冷端温度，产生冷端补偿电压并传输至冷端补偿模块对应的信号放大调理模块；
n路热电偶测量模块，每路热电偶测量模块对应于一路T型热电偶测量模块，用于采集T型热电偶两端电势差并将采集到的电压信号传输至该路T型热电偶对应的信号放大调理模块；
n+1路信号放大调理模块，其包括n路分别与每路热电偶测量模块对应的信号放大调理模块和1路与冷端补偿模块对应的信号放大调理模块；n+1路信号放大调理模块分别用于将冷端补偿电压和各自对应的热电偶电压信号进行放大调理，使满足后续进入中央处理模块的输入电压范围；
中央处理模块，通过AD采集端口接收经过n+1路信号放大调理模块对应的冷端补偿电压信号和热电偶电压信号，计算得到待测热电偶实际电势差；根据T型热电偶热电势—温度函数和待测热电偶实际电势差，计算待测温度值。
2.根据权利要求1所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，所述T型热电偶的热电偶电势—温度函数如下：
T＝a0+a1e+a2e2+a3e3
其中，T为测量温度，a0、a1、a2、a3为系数，e为待测热电偶实际电势差。
3.根据权利要求2所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，所述T型热电偶用电势表示温度的电势—温度函数需要经过预先标定处理，具体包括以下步骤：
首先确定所述T型热电偶电势—温度函数表达式：
T＝a0+a1e+a2e2+a3e3
其中，T为测量温度，a0、a1、a2、a3为系数，e为待测热电偶实际电势差；
在实际计算T时，将由于系数位数的取舍造成T的实际值和计算值之间的误差记为ΔE；有|ΔE|≤h，h为误差限；
通过一元内插公式法确定所述T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数有效位数M；有效位数M如下：
其中，h为误差限，ei为电势差的范围；Ai为系数ai的取值范围；
根据确定的ei、Ai和h，计算M的值并将结果写成R×10-r的形式；以数值5确定其有效位数，即R≥5时，有效位数取r位；R<5时，有效位数取r+1位；
在确定了系数有效位数后，通过温度检定点确定T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数。
4.根据权利要求3所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，通过温度检定点确定T型热电偶热电势—温度函数表达式系数的过程如下：
在测温范围内间隔一定温度差选取四组共12个温度检定点，测量在每个温度检定点时所述T型热电偶输出的电势值，计算确定所述T型热电偶热电势—温度函数表达式的系数。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，所述冷端补偿模块包括测温电路和补偿电路，其中，
所述的测温电路包括温度传感器和分压电阻R，用于测量冷端温度并转化成模拟电压信号；温度传感器输出的电压经分压电阻R输入补偿电路；
所述的补偿电路包括一个稳压电压源，用于提供基准电压，补偿电路还包括分压电阻Rc；T型热电偶产生的电压、冷端补偿模块测温电路输入的电压U和基准电压源产生的基准电压Vref经分压电阻R、Rc分压后产生补偿电压Uc并输入信号放大调理模块。
6.根据权利要求5所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，冷端补偿模块输出的补偿电压为
其中，Rc和R为分压电阻阻值；Uc为补偿电压；Vref为稳压电压源输出的基准电压。
7.根据权利要求6所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，温度传感器输出的电压为
U＝10mV×T+500mV
其中，U为输出电压，T为冷端温度。
8.根据权利要求7所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，所述分压电阻Rc和R的阻值由下列公式计算得到：
其中，K为所述T型热电偶热电势率；EAB为所述测温电路输出的电势；Ic是通过Rc的电流。
9.根据权利要求8所述的一种T型热电偶信号处理装置，其特征在于，所述信号放大调理模块包括双电源放大电路和信号调理电路，双电源放大电路输出端与信号调理电路输入端连接；其中，
双电源放大电路包括一级放大模块、二级放大模块、电压加法模块和反相模块；一级放大模块输入端与冷端补偿模块或每路热电偶测量模块输出端相连，一级放大模块输出端与二级放大模块输入端相连，二级放大模块输出端与电压加法模块输入端相连，电压加法模块输出端与反相模块输入端相连；一级放大模块、二级放大模块均包括一个双电源运算放大器和若干比例运算电阻，对补偿电压和热电偶电压信号进行放大；电压加法模块和反相模块对放大模块输出信号作电压加法；
信号调理电路包括分压跟随电路和抗混叠滤波电路；分压跟随电路包括运算放大器和分压电阻，分压电阻与运算放大器正输入端口相连，用于减少信号漂移和保护集成运放端口；二者共同组成分压跟随电路，用于对输入信号的缓冲；抗混叠滤波电路包括分压电阻和电容，其中分压电阻和电容并联连接，电容接地，二者共同组成抗混叠滤波电路，抑制反冲噪声和带外噪声；抗混叠滤波电路输入端与分压跟随电路输出端相连，抗混叠滤波电路输出端与AD采集端口相连。
10.一种T型热电偶信号处理方法，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的一种T型热电偶信号处理装置进行T型热电偶的信号处理，进行T型热电偶的信号处理的过程包括以下步骤：
步骤1：接通电源后，各模块进行自检，若存在故障则由中央处理模块记录故障信息，并传输至上位机；否则，进入步骤2；
步骤2：冷端补偿模块采集冷端温度，并根据公式U＝10mV×T+500mV获得冷端电压U，其中，U为输出电压，T为冷端温度；根据公式得到补偿电压Uc，其中，Uc为补偿电压，Rc和R为分压电阻阻值，Vref为稳压电压源输出的基准电压，Vref为2.5V；
所述补偿电压Uc经信号放大调理模块后进入中央处理模块；中央处理模块判断补偿电压是否在正常范围，若否则记录故障信息，若是则进入步骤3；
步骤3：热电偶采集模块采集对应的热电偶电势差EAB，经信号放大调理模块后进入中央处理模块；判断该电势差是否处于正常范围，若否则记录故障信息，若是则进入步骤4；
步骤4：根据公式e＝EAB+Uc，计算得到补偿后的待测热电偶实际电势差e，进入步骤5；
步骤5：将待测热电偶实际电势差e代入T型热电偶热电势—温度函数，计算得到当前测量的热电偶热端温度，即待测环境温度。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311496681.0A CN117516740A (zh) | 2023-11-10 | 2023-11-10 | 一种t型热电偶信号处理装置及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117928658A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 成都凯天电子股份有限公司 | 一种高温环境下应用的温度压力信号扫描器测量系统 |
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2023
- 2023-11-10 CN CN202311496681.0A patent/CN117516740A/zh active Pending
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