CN201607292U

CN201607292U - 一种温度仪表的自动标定系统

Info

Publication number: CN201607292U
Application number: CN2010201160503U
Authority: CN
Inventors: 靳斌; 刘正宣; 陶昨糖
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-02-22

Abstract

本实用新型是一种温度仪表的自动标定系统。包括温度发生炉，温度控制器，被标定温度仪表和数据分析与显示电脑。温度发生炉包括炉体及均热块、炉体内温度传感器、炉体外加热套及绝热层；加热套与固态继电器连接，炉体内温度传感器测温信号和固态继电器加热信号连接到温度控制器，温度控制器运行多组闭环温控程序，确保温度发生炉控温精度及均匀性；被标定温度仪表温度传感器一端置于均热块内，另一端连接被标定温度仪表，被标定温度仪表通过电脑连接温度控制器。标定过程中，被标定温度仪表运行和电脑通信的程序，并将AD转换后结果送到电脑，在电脑控制下获得多组温度发生炉温度和被标定温度仪表AD转换值数据对，再通过回归分析完成自动标定。

Description

一种温度仪表的自动标定系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度仪表的自动标定技术，特别涉及一种温度测量仪表和温度控制仪表的自动标定系统，属于仪器仪表标定领域。

背景技术

在工业领域对温度信号的测量和控制极为普遍，测温仪表和控温仪表(以下简称温度仪表)应用很广。温度仪表一般由温度传感器、温度信号调理电路、AD转换器、单片机电路、显示电路等元件组成。温度测量的准确与否，取决于温度仪表中的单片机程序中将AD转换器的采集数值换算到温度量纲数值的幂级数关系式的精度，幂级数关系如下式1所示：

T＝a₀+a₁n+a₂n²+a₃n³ (1)

式1中，n为AD转换器的转换数值，T为计算出的温度值，a₀，a₁，a₂，a₃分别为n的0次、1次、2次、3次的系数；系数愈多式(1)的计算结果越精确，但计算量会增大。

目前温度仪表的标定系统是采用对温度仪表中的单个分立元件进行标定，即对所要标定的温度仪表中温度传感器、温度显示仪表分别进行标定，这样其系统产生的总的误差如下式(2)所示：

式(2)中，温度传感器误差为e_传成器，被标定温度显示仪表的误差为e_{温度显示仪表}；现在人们逐渐发现即使各种分立元件的精度能满足所需要求，但是其温度仪表的总体性能却不能满足所需要求。

要想获得式(1)中a₀，a₁，a₂，a₃等各次系数，则需要对温度检测仪表各元件作为一个整体系统进行标定，这样才可以将温度仪表中温度传感器、调理电路和显示电路等部分产生的系统误差一并消除，这正是本实用新型的任务所在。

发明内容

本实用新型的目的正是针对目前温度仪表标定中所存在的问题，提出一种能实现自动化标定温度仪表的自动标定系统。该系统是将温度仪表中的温度传感器和温度显示仪等作为一个整体系统进行标定，这样可以将温度仪表中的温度传感器、调理电路、AD转换器等元件产生的系统误差一并消除；然后就只剩下易于消除的随机误差，从而大大提高被标定温度仪表的测量精度。

为实现上述目的，解决上述问题，本实用新型是采用如下的技术方案来实现的。

本实用新型温度仪表的自动标定系统，其特征在于包括温度发生炉，温度控制器，被标定温度仪表，数据分析控制与显示电脑，其中，温度发生炉包括炉体、炉体内均热块、炉体壁内嵌入控制温度发生炉炉温的第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器、炉体外部第一加热套、第二加热套和第三加热套、以及加热套外面的绝热层；加热套分别通过加热信号线与在加热套和温度控制器之间设置的第一固态继电器、第二固态继电器和第三固态继电器开关连接，每个固态继电器两控制端与温度控制器连接，温度发生炉炉体壁内嵌入的控制温度发生炉炉温的第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的测温信号分别通过铂电阻信号线与温度控制器连接；温度控制器再通过串口线与数据分析控制与显示电脑连接通信；被标定温度仪表包括调理电路、AD转换电路、单片机(CPU)电路、显示电路及被标定温度仪表的温度传感器；被标定温度仪表温度传感器一端置入温度发生炉炉体内均热块内，另一端与被标定温度仪表连接，被标定温度仪表将AD转换电路转换后数值通过通讯线与数据分析控制与显示电脑通信，其通信信号再经串口线返回温度控制器控制，实现对被标定温度仪表的自动标定。

上述技术方案中，所述温度发生炉炉体壁内嵌入的控制温度发生炉炉温的温度传感器数量至少为2个，并与炉体外部的加热套数量应成对匹配。

上述技术方案中，所述的温度发生炉炉体外部的加热套与在加热套和温度控制器之间设置的固态继电器数量与加热套数量应成对匹配。

上述技术方案中，所述的温度发生炉的炉体内的均热块上设置有若干插孔。

上述技术方案中，所述炉体内的均热块上设置的插孔的数量与被标定的温度仪表的数量应相等，用以同时插入多个被标定温度仪表的温度传感器。

上述技术方案中，所述的温度发生炉产生的温度范围设置在室温～600℃之间。

上述技术方案中，所述的温度发生炉的炉体和均热块均采用铜质材料，或不锈钢材料制作。

上述技术方案中，所述铂电阻信号线采用3线接法，或4线接法。

上述技术方案中，所述的通讯线采用RS232，或RS485，或CAN，或以太网。

上述技术方案中，所述温度发生炉内控制温度发生炉炉温的温度传感器还采用精密温度传感器，精密温度传感器直接插入炉体内的均热块内，与温度控制器连接。

本实用新型温度仪表的自动标定系统中，所述控制温度发生炉炉温的一个温度传感器与炉体外部的一个加热套形成一组闭环温度控制系统，温度传感器与加热套数量设置越多形成闭环温度控制系统的组数也越多，温度仪表的标定就越精确。由于本实用新型所述的温度传感器与加热套成对匹配，因此，第一加热套和第一温度传感器构成第一个控温闭环系统，第二加热套和第二温度传感器构成第二个控温闭环系统，第三加热套和第三温度传感器构成第三个控温闭环系统；这样就形成有三组闭环控制温度系统，即能实现三组独立控温。

本实用新型所述加热套可采用交流电加热，也可采用直流电加热。

本实用新型具有如下的特点及有益的技术效果：

1、本实用新型的温度仪表的自动标定系统，可以将普通温度仪表的标定精度提高到几倍甚至几十倍，而且实现自动标定；且标定速度快，效率高，具有广泛的用途与应用前景及显著的经济效益与社会效益。

2、本实用新型温度仪表的自动标定系统中所述的温度发生炉炉体外设置的3个加热套及连接的3个固态继电器，炉体壁内嵌入的3个温度传感器，其3个温度测量信号和3个固态继电器加热信号连接到温度控制器，温度控制器中运行3组闭环温度控制程序，这样确保温度发生炉控温的精确度、准确性及均匀性。

3、本实用新型温度仪表的自动标定系统中所述温度控制器中有高精度AD转换器，温度控制器通过RS232串口和数据分析控制与显示电脑相互通讯，在电脑上运行监视控制和数据分析软件，完成被标定温度仪表的自动标定。又由于将被标定温度仪表中的温度传感器和温度显示仪表作为一个整体系统进行标定，克服了目前温度仪表用分立元件标定法而产生的误差。

4、本实用新型温度仪表的自动标定系统中所述温度发生炉内的均热块设置在温度发生炉的空腔内，均热块上设置有若干个插孔，其插孔的数量和直径可以根据具体标定温度仪表所需及标定温度仪表中温度传感器的直径来设定，比如，温度传感器的直径大，插孔设置少，反之插孔设置多，这样一次就能够同时插入多个待测温度传感器，标定的温度仪表也多，提高了工作效率。

5、本实用新型温度仪表的自动标定系统中温度发生炉炉体内的温度传感器采用高精度温度传感器，其温度仪表标定的精度会提升到高精度温度传感器的水平。

附图说明

图1为发生炉炉体壁内采用3个控温温度传感器其温度为标准温度的标定方案的实施例示意图；

图2为发生炉炉体内采用一高精度温度传感器其温度为标准温度的标定方案的实施例示意图；

图3为图1和2中的均热块插孔的横截面示意图。

图中，1温度发生炉，21炉体，22第一加热套，23第二加热套，24第三加热套，2被标定温度仪表的温度传感器，3被标定温度仪表，4温度传感器信号线，5加热信号线，6温度控制器，7串口线，8数据分析控制与显示电脑，9通讯线，10被标定温度仪表信号调理电路，11被标定温度仪表AD转换电路，12被标定温度仪表单片机(CPU)电路，13被标定温度仪表显示电路，14均热快，15高精度温度传感器，16控制温度发生炉炉温的第一温度传感器，17控制温度发生炉炉温的第二温度传感器，18控制温度发生炉炉温的第三温度传感器，19第一固态继电器，20第二固态继电器，25第三固态继电器，26绝热层，27温度传感器插孔。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不意味着是对本实用新型内容的任何限定。

图1中，温度仪表的自动标定系统包括温度发生炉1，温度控制器6，被标定温度仪表3，数据分析控制与显示电脑8等部分，其中，发生炉1包括炉体21，炉体腔内层的均热块14，控制温度发生炉1炉温的第一温度传感器16、第二温度传感器17和第三温度传感器18，炉体1外部的第一加热套22、第二加热套23和第三加热套24，以及加热套外面的绝热层26；所述的3个加热套分别通过加热信号线5与在加热套和温度控制器6之间分别设置的第一固态继电器19、第二固态继电器20和第三固态继电器25开关接通，3个固态继电器的两控制端分别与温度控制器6连接。所述的第一温度传感器16、第二温度传感器17和第三温度传感器18嵌入在炉体21壁内，控制温度发生炉1炉温的第一温度传感器16、第二温度传感器17和第三温度传感器18的3个温度测量信号分别通过信号线4与温度控制器6连接通；所述3个固态继电器的加热信号通过加热信号线5与温度控制器6连接通，温度控制器6通过控制3个固态继电器的接通和断开来控制其加热量，每个加热套和炉体壁内的温度传感器构成一组闭环温度控制回路，温度控制器6中则运行3组温度控制算法程序，以确保温度发生炉1控温精确度、准确性和温度均匀性。所述被标定温度仪表3由调理电路10、AD转换电路11、单片机(CPU)电路12、显示电路13及被标定温度仪表的温度传感器2组成；被标定温度仪表3的温度传感器2一端置入温度发生炉1炉体2内的均热块14内，另一端与被标定温度仪表3连接，被标定温度仪表3将AD转换电路11转换后的数值信号通过通讯线9与数据分析控制与显示电脑8接通，即将被标定温度仪表3的AD转换结果送到数据分析控制与显示电脑8，用于回归分析，从而得到如公式1所示的转换关系。温度控制器6再将信号通过串口线7与数据分析控制与显示电脑8通讯，电脑上运行监视控制和数据分析软件；并进行分析与控制以实现温度仪表的自动标定。

图2中，控制温度发生炉1炉温的温度传感器采用高精度温度传感器15，高精度温度传感器15的温度测量信号与温度控制器6连接通，其他元件与连接关系及作用和图1相同，对温度仪表进行更精确的自动标定。

图3中，所述温度发生炉1炉体2内的均热块插孔有若干个，其插孔的数量和直径可以根据具体标定温度仪表所需及标定温度仪表中温度传感器的直径来设定，比如，温度传感器的直径大，插孔设置少，反之插孔设置多，这样一次就能够同时插入多个待测温度传感器，标定的温度仪表也多，可提高工作效率。

实施例1：

本实用新型温度仪表的自动标定系统，所述温度发生炉1为铜质材料制作，其产生温度设置在室温～600℃范围，精度±0.05℃的温度环境；铂电阻信号线4为3线接法；串口线7为RS232串口线；通讯线9用RS485通讯线；控制温度发生炉炉温的第一温度传感器16，第二温度传感器17和第三温度传感器18为Pt100铂电阻，对温度仪表进行自动标定的操作步骤如下：

按图1连接好线路及各元件，所述温度发生炉1中控制温度发生炉炉温的第一温度传感器16，第二温度传感器17和第三温度传感器18的3个温度测量信号分别通过铂电阻信号线4的3线接头与温度控制器6接通，所述炉体外的第一加热套22，第二加热套23和第三加热套24分别与在每个加热套和温度控制器6之间设置的第一固态继电器19、第二固态继电器20和第三固态继电器25开关接通，所述第一固态继电器19，第二固态继电器20和第三固态继电器25两控制端分别通过加热信号线5与温度控制器6接通，这样就将3个温度传感器的3个温度测量信号和3个固态继电器的3个加热信号连接到温度控制器6，温度控制器6通过控制3个固态继电器的接通和断开来控制其加热量，而每个加热套和炉体21壁内的温度传感器构成一组闭环温度控制回路，温度控制器6中运行3组温度控制算法程序，以确保温度发生炉控温精确度、准确性和均匀性。所述温度控制器6通过RS232串口7和数据分析与控制电脑8通讯，被标定温度检测仪表3通过RS485通讯线9与数据分析与控制电脑8通讯，并在数据分析与控制电脑8上运行监视、控制和数据分析软件，实时采集并保存被标定温度仪表3的经AD转换电路11的转换值，即获得标定过程中所要求的数据如下表1所示的数据。

表1：

标准温度(℃)	T1	T2	T3	T4	…	Tn
标准温度(℃)	T1	T2	T3	T4	…	Tn	温度仪表AD值	AD1	AD2	AD3	AD4	…	ADn

由表1数据采用回归分析方法，就可以得到如式1所示的关系式：T＝a₀+a₁n+a₂n²+a₃n³的系数a₀，a₁，a₂，a₃，从而找到使被标定温度仪表的精度提高的系数。

表1中标准温度T是图1中第一温度传感器16、第二温度传感器17和第三温度传感器18的温度，也就是温度发生炉1产生的温度，AD值是被标定温度仪表3的AD转换电路11转换的结果。

本实施例按照以下表2所设定的温度数据实施标定温度。

表2：

标准温度(℃)	0	100	200	300	400	500	600
标准温度(℃)	0	100	200	300	400	500	600	温度仪表AD值	AD1	AD2	AD3	AD4	AD5	AD6	AD7

制作这个标定数据表2的过程是：第1步是在数据分析与控制显示电脑8上设定好7个温度标定值，然后在数据分析与控制显示电脑8上启动自动标定过程；第2步，数据分析与控制显示电脑8将第一个温度标定点通过RS232串口线7下发给温度控制器6，温度发生炉1开始定温控制过程，直到将温度发生炉的温度控制到所设定值温度的稳定范围内，温度控制器6通知数据分析与控制显示电脑8，数据分析与控制显示电脑8命令被标定温度仪表3启动AD转换电路，被标定温度仪表将AD转换值传回数据分析与控制显示电脑8，该AD转换值存入表格2，至此完成一个温度标定点的标定。

重复第2步标定过程直到完成所有标定点的标定，得到表2的数据。

最终完成表格2填写。

因为标定点越多，被标定温度仪表的标定出的关系式1就越精确，所以一般要做多组标定数据，所以上述过程要重复进行多次，这种重复只需在数据分析与控制显示电脑8的控制下自动完成，然后经过数据分析与控制显示电脑8进行回归分析计算出a₀，a₁，a₂，a₃，并将这组数据用到被标定温度仪表3的程序中，被标定温度仪表3的显示精度就达到温度发生炉1炉体2壁内嵌入的精密温度传感器的精度。因此一般的温度仪表经过本系统标定，其精度可大大提高，且省时省力，同时经济效益大大提高。

在温度标定过程中要在被标定温度仪表3中烧写专门用于标定过程的程序，该程序主要功能是与数据分析与控制显示电脑8通讯、启动AD转换电路，并将AD转换值发送给数据分析与控制显示电脑8，用于填写表格1中的AD值。

本实用新型所述的温度发生炉1炉体壁内由于嵌入了3个温度传感器，并和3个加热套配对构成三组闭环控温系统，能实现三组独立控温，同时三点进行实时控温，提高了整个温场的温度准确性、稳定性、均匀性。

本实用新型所用数据分析与控制显示电脑8，通过RS232串口线7和温度控制器6通信，并能通过RS232通讯线9和被标定温度仪表3通信。数据分析与控制显示电脑8有实时监视、控制和分析数据的功能，能通过标定数据表1，找到被标定温度仪表的转换关系式1，将计算出的参数a₀，a₁，a₂，a₃带入被标定温度仪表3，精度会提升到温度发生炉的控制温度发生炉炉温传感器的水平。

实施例2：

本实例中，高精度温度传感器15为WZPB-8二等标准高精度铂电阻。

按图2连接好线路及各元件，其他实施过程与实施例1相同，只是在填写表格1中的温度数据时，不是用温度发生炉1炉体21壁内的第一温度传感器16、第二温度传感器17和第三温度传感器18的三个温度，而是采用图2中精度更高的高精度温度传感器15的温度，这样温度仪表3经过实施例1的标定过程，精度会提升到温度传感器15的水平。本实例中，这时第一温度传感器16、第二温度传感器17、第三温度传感器18依然工作，用于控温，比如控温点设定在100度，但是由于第一温度传感器16、第二温度传感器17、第三温度传感器18的温度限制实际控制在100.13度，这个100.13可以由高精度温度传感器15测出填写在表1中，这样经过回归分析得到的系数，精度就更高，达到高精度温度传感器15的水平，实施例1中是用第一温度传感器16、第二温度传感器17、第三温度传感器18，所以回归分析得到的被标定温度仪表的精度水平就与第一温度传感器16、第二温度传感器17和第三温度传感器18相当。

Claims

1.一种温度仪表的自动标定系统，其特征在于包括温度发生炉(1)，温度控制器(6)，被标定温度仪表(3)，数据分析控制与显示电脑(8)，其中，温度发生炉(1)包括炉体(21)、炉体(21)内均热块(14)、炉体壁内嵌入控制温度发生炉炉温的第一温度传感器(16)、第二温度传感器(17)和第三温度传感器(18)、炉体外部第一加热套(22)、第二加热套(23)和第三加热套(24)、以及加热套外面的绝热层(26)；加热套分别通过加热信号线(5)与在加热套和温度控制器(6)之间设置的第一固态继电器(19)、第二固态继电器(20)和第三固态继电器(25)开关连接，每个固态继电器两控制端与温度控制器(6)连接，温度发生炉炉体壁内嵌入的控制温度发生炉炉温的第一温度传感器(16)、第二温度传感器(17)和第三温度传感器(18)的测温信号分别通过铂电阻信号线(4)与温度控制器(6)连接；温度控制器(6)再通过串口线(7)与数据分析控制与显示电脑(8)连接通信；被标定温度仪表包括调理电路(10)、AD转换电路(11)、单片机(CPU)电路(12)、显示电路(13)及被标定温度仪表的温度传感器(2)；被标定温度仪表温度传感器(2)一端置入温度发生炉炉体内均热块(14)内，另一端与被标定温度仪表(3)连接，被标定温度仪表(3)将AD转换电路(11)转换后数值通过通讯线(9)与数据分析控制与显示电脑(8)通信，其通信信号再经串口线(7)返回温度控制器(6)控制，实现对被标定温度仪表(3)的自动标定。

2.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述温度发生炉(1)炉体(21)壁内嵌入的控制温度发生炉(1)炉温的温度传感器数量至少为2个，并与炉体(21)外部的加热套数量应成对匹配。

3.根据权利要求1或2所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述的温度发生炉(1)炉体(21)外部的加热套与在加热套和温度控制器(6)之间设置的固态继电器数量与加热套数量应成对匹配。

4.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述的温度发生炉(1)的炉体(21)内的均热块(14)上设置有若干插孔(27)。

5.根据权利要求4所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述炉体(21)内的均热块(14)上设置的插孔(27)的数量与被标定的温度仪表(3)的数量应相等，用以同时插入多个被标定温度仪表(3)的温度传感器(2)。

6.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述的温度发生炉(1)产生的温度范围设置在室温～600℃之间。

7.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述的温度发生炉(1)的炉体(21)和均热块(14)均采用铜质材料，或不锈钢材料制作。

8.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述铂电阻信号线(4)采用3线接法，或4线接法。

9.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述的通讯线(9)采用RS232，或RS485，或CAN，或以太网。

10.根据权利要求1所述的温度仪表的自动标定系统，其特征在于所述温度发生炉(1)内控制温度发生炉炉温的温度传感器还采用精密温度传感器(15)，精密温度传感器(15)直接插入炉体(21)内的均热块(14)内，与温度控制器(6)连接。