CN209783767U - 一种多通道热电偶采集模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种多通道热电偶采集模块，包括：至少两个热电偶输入通道，用于输入热电偶信号；与热电偶输入通道一一对应的滤波电路，与对应的热电偶输入通道相连，用于对热电偶信号进行滤波；与滤波电路一一对应的光电继电器，与对应的滤波电路相连，用于实现滤波后的热电偶信号的切换；放大滤波电路，与光电继电器相连，用于对切换后的热电偶信号进行放大和带通滤波；冷端补偿模块，用于提供冷端补偿信号；AD转换器，用于对放大滤波后的热电偶信号冷端补偿后进行采样，以获取热电偶采样值；微处理器，用于将热电偶采样值计算为温度值并发送出去。本实用新型的多通道热电偶采集模块支持多种类型的热电偶信号采集，测温范围大，抗干扰能力强。

Description

一种多通道热电偶采集模块

技术领域

本实用新型涉及控制器的技术领域，特别是涉及一种多通道热电偶采集模块。

背景技术

分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)又称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

在DCS控制系统中，热电偶采集一般采用冷端电桥补偿电路对热电偶信号进行冷端补偿，通过非平衡电桥的电势差来补偿由冷端温度变化而引起的热电势变化量；采用RC低通滤波电路对热电偶信号进行滤波，将高频杂波滤除；通过运行放大器将热电偶信号进行放大；采用模拟开关切换多通道信号；采用AD转换器对热电偶信号进行采集，并转换为温度数字信号；采用RS485通讯进行数据传输。

但是，现有的热电偶采集方式具有以下缺陷：

(1)抗干扰特性，如电磁兼容性检测(Electro Magnetic Compatibility，EMC)指标不强，容易造成模拟开关损坏、AD转换器死机的现象；

(2)热电偶信号属于mV信号输入，最大量程范围在-60mV～60mV之间，在对信号放大过程中，抑制共模干扰和串模干扰信号能力不强，会导致采集信号抖动。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种多通道热电偶采集模块，支持多种类型的热电偶信号采集，测温范围大，抗干扰能力强，传输速度快。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种多通道热电偶采集模块，包括：至少两个热电偶输入通道，用于输入热电偶信号；与所述热电偶输入通道一一对应的滤波电路，与对应的热电偶输入通道相连，用于对所述热电偶信号进行滤波；与所述滤波电路一一对应的光电继电器，与对应的滤波电路相连，用于实现滤波后的热电偶信号的切换；放大滤波电路，与所述光电继电器相连，用于对切换后的热电偶信号进行放大和带通滤波；冷端补偿模块，用于提供冷端补偿信号；AD转换器，与所述光电继电器和所述冷端补偿模块，用于对放大滤波后的热电偶信号冷端补偿后进行采样，以获取热电偶采样值；微处理器，与所述AD转换器相连，用于将所述热电偶采样值计算为温度值并发送出去。

于本实用新型一实施例中，包括八个热电偶输入通道，分别支持K型、E型、J型、S型、R型、B型、N型和T型热电偶。

于本实用新型一实施例中，还包括磁隔离模块，分别与所述AD转换器和所述微处理器相连，用于对所述热电偶采样值进行数据隔离，并发送至所述微处理器。

于本实用新型一实施例中，还包括RS485通信模块，与所述微处理器相连，用于在所述微处理器的控制下，基于RS485协议将所述温度值发送出去。

于本实用新型一实施例中，还包括系统电源模块和现场电源模块；所述系统电源模块用于为所述单片机供电，所述现场电源模块用于为所述热电偶输入通道、所述滤波电路、所述光电继电器、所述冷端补偿模块和所述AD转换器供电。

于本实用新型一实施例中，所述冷端补偿模块包括依次相连的冷端补偿通道、冷端滤波电路和冷端光电继电器。

于本实用新型一实施例中，所述热电偶采集通道包括共模电感，用于抑制所述热电偶信号中的共模干扰。

于本实用新型一实施例中，还包括显示装置，与所述微处理器相连，用于显示各个热电偶通道的故障信息、通讯信息、电源信息中的一种或多种组合。

于本实用新型一实施例中，所述微处理器采用单片机。

于本实用新型一实施例中，应用于DCS控制系统。

如上所述，本实用新型的多通道热电偶采集模块，具有以下有益效果：

(1)支持多种类型的热电偶信号采集，满足多量程信号采集；

(2)采用高精度24位AD转换器，采集精度可达0.1％；采用PT100进行柜内温度冷端补偿，不占用热电偶采集通道；

(3)电源架构分系统电源和现场电源两种方式供电，避免了电源相互辐射干扰；

(4)光电继电器采用无触点继电器，使用寿命接近于无限，且驱动部分具有光耦特性，能够有效抑制干扰传输，对小信号采集起到了隔离作用，最大程度抑制脉冲群对AD转换器的冲击；滤波电路有效地抑制了串模干扰带来信号采集不稳、抖动；

(5)任意通道出现故障，不影响其他任意通道的正常工作；现场输入信号线开路，上报断线报警故障信息；通道出现故障时，对应通道的状态灯会显示，故障消除后对应的通道自动恢复正常，通道故障状态灯恢复正常；

(6)实现了总线高速通讯功能，通讯速率达到691.2Kbps。

附图说明

图1显示为本实用新型的多通道热电偶采集模块于一实施例中的结构示意图；

图2显示为本实用新型的滤波电路于一实施例中的结构示意图；

图3显示为本实用新型的光电继电器于一实施例中的结构示意图；

图4显示为本实用新型的放大滤波电路于一实施例中的结构示意图；

图5显示为本实用新型的微处理器及外围电路于一实施例中的结构示意图；

图6显示为本实用新型的RS485通信模块于一实施例中的结构示意图；

图7(a)显示为本实用新型的24V直流系统电源处理电路于一实施例中的结构示意图；

图7(b)显示为本实用新型的24V直流系统现场处理电路于一实施例中的结构示意图；

图8显示为本实用新型的5V直流现场电源处理电路于一实施例中的结构示意图；

图9显示为本实用新型的基准电源电路于一实施例中的结构示意图。

元件标号说明

1 热电偶输入通道

2 滤波电路

3 光电继电器

4 放大滤波电路

5 冷端补偿模块

6 AD转换器

7 微处理器

8 磁隔离模块

9 RS485通信模块

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

本实用新型的多通道热电偶采集模块可支持多种类型的热电偶信号采集，测温范围大；通过工模干扰抑制和串行干扰抑制，极大地提升了抗干扰能力；基于RS485协议进行传输，满足高速传输的要求。

如图1所示，于一实施例中，本实用新型的多通道热电偶采集模块包括：

至少两个热电偶输入通道1，用于输入热电偶信号。具体地，基于热电偶采集被测物体的热电偶信号，并将所述热电偶信号基于热电偶输入通道输入本实用新型的多通道热电偶采集模块，以便于将所述热电偶信号转换为对应的温度信号。

于本实用新型一实施例中，包括八个热电偶输入通道，即为八通道热电偶采集模块。所述八个热电偶输入通道分别支持K型、E型、J型、S型、R型、B型、N型和T型热电偶，从而能够满足多量程信号采集。具体地，K型热电偶的测温范围为-270～1372℃，对应量程电压-6.458m～V54.886mV；E型热电偶的测温范围为-270～1000℃，对应的量程电压-9.385mV～76.373mV；J型热电偶的测温范围为-210～1200℃，对应的量程电压-8.095mV～69.553mV；S型热电偶的测温范围为-50～1768℃，对应的量程电压-0.236mV～18.693mV；R型热电偶的测温范围为-50～1768℃，对应的量程电压-0.226mV～21.101mV；B型热电偶的测温范围为0～1820℃，对应的量程电压0mV～13.820mV；N型热电偶的测温范围为-270～1300℃，对应的量程电压-4.345mV～47.513mV；T型热电偶的测温范围为-270～400℃，对应的量程电压-6.258mV～20.872mV。

于本实用新型一实施例中，所述热电偶采集通道1包括共模电感，用于抑制所述热电偶信号中的共模干扰。具体地，热电偶信号为两线制mV信号，热电偶采集通道采用的共模电感1000uH/100KHz_744222是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，能够对热电偶信号中的共模电流起到抑制作用。

与所述热电偶输入通道1一一对应的滤波电路2，与对应的热电偶输入通道1相连，用于对所述热电偶信号进行滤波。于一实施例中，所述滤波电路如图2所示。通过滤除所述热电偶信号中的干扰信号，极大地提升了所述热电偶信号的EMC指标。

与所述滤波电路一一对应的光电继电器3，与对应的滤波电路2相连，用于实现滤波后的热电偶信号的切换。光电继电器是指利用光电效应而动作的继电器，其是由发光元件和光敏器件构成的。当加在发光元件上的信号达到某一定值时，光的作用使光敏器件的阻值发生急剧变化，从而起到闭合或开断电路的作用。于一实施例中，如图3所示，所述光电继电器采用AQW214EH，其是无触点继电器，无机械触点，因此没有触点的磨损，使用寿命接近于无限。另外，光电继电器的驱动部分具有光耦特性，能够抑制干扰传输；同时具有无动作声音、无弹跳、防震、低电流控制、高隔离电压、高速切换、低泄漏电流等优点。具体地，AQW214EH光电继电器参数如下：LED反向电压：5V、LED操作电流：0.9mA-3mA、输入峰值正向电流：1A、输出负载电压：400V、输出负载电流：0.1A、峰值负载电流：0.3A、隔离电压：1.5KV、开启时间：0.31ms、关闭时间：0.05ms、导通电阻：30Ω-50Ω。。

放大滤波电路4，与所述光电继电器3相连，用于对切换后的热电偶信号进行放大和带通滤波。于一实施例中，所述放大滤波电路4如图4所示。其中，采用TI公司的仪表放大器AD8221AR对热电偶信号进行放大，放大后的信号经带通滤波器进行带通滤波，从而有效抑制工控行业在50Hz频率范围内产生的其他干扰频率，达到串模干扰抑制的目的，避免了信号采集的不稳定和抖动性。AD8221AR具有低电压失调、低失调漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比特性的优点，通过一个精密电阻RG，放大倍数可在1至1000范围内设置。其中增益放大倍数公式为:

Gain＝1+(49.4K/RG)

当精密电阻RG选择5.49K时，增益放大倍数为9.998倍。

冷端补偿模块5，用于提供冷端补偿信号。采用热电偶测量温度的一个基本要求是一个端点的温度值必须知道。若该端的温度能保持为0℃，那么，根据测得的热电势，可以直接通过查分度表得到另一端点的温度值。这个温度固定端常称为参比端。理论上，热电偶是冷端以0℃为标准进行测量的。然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，但由于冷端不为0℃，造成了热电势差减小，使测量不准，出现误差。因此为减少误差所做的补偿措施就是冷端温度补偿。于本实用新型一实施例中，所述冷端补偿模块5包括依次相连的冷端补偿通道、冷端滤波电路和冷端光电继电器，从而保证采集到的冷端补偿信号的准确度。

AD转换器6，与所述光电继电器4和所述冷端补偿模块6，用于对放大滤波后的热电偶信号冷端补偿后进行采样，以获取热电偶采样值。于本实用新型一实施例，所述AD转换器6采用TI公司的AD转换器ADS1248做热电偶采样。ADS1248是款低漂移、内反射、振荡器、温度传感器、开路检测、双恒流源输出的AD转换器，具有以下特点：分辨率：24位、数据转换速率：2kSPS、功耗：2.56mW、4通道差分输入、PGA＝1,2,4,8,16,32,64,128、双恒流源输出，50uA、100uA、250uA、0.5mA、0.75mA、1mA、1.5mA、低漂移内部参考电压：10ppm/℃。其中，利用ADS1248双恒流源输出原理，可输出双恒流源，外接传感器，可对热电偶信号进行冷端补偿。

微处理器7，与所述AD转换器6相连，用于将所述热电偶采样值计算为温度值并发送出去。如图5所示，所述微处理器7采用单片机STM8S207R8T，其参数如下：主频20MHz、Flash为128K、EEPROM为2K、RAM为6K、UART为2个、16位定时器为3X16位、8位定时器为1X8位、52个I/O口、内置看门狗、工作电压为5V。所述单片机还包括外围电路，如单片机下载端子、地址上拉电路、晶振电路、单片机电源滤波电路、复位电路等。

使用时，在单片机电源输入引脚旁，就近使用一个去耦电容，目的是减少噪声。ST单片机是通过SWIM接口仿真与编程的。单片机下载四根口线，分别是：VCC、SWIM、GND、RST。调试工具通过SWIM接口控制芯片上的调试模块与编程模块。SWIM接口尽量靠近单片机。单片机复位是低复位，复位口线应连接一个10K上拉电阻和一个0.1uF电容到地。单片机晶振选用外部晶振，晶振频率为11.0592MHz。模块通讯需要设置地址位，7个IO口保证128个模块通讯，每根地址线接10K上拉电阻，保证模块上电时，地址线状态为高。单片机操作光电继电器AQW214EH时，I/O口置高，光电继电器导通；拉低，光电继电器不导通。

于本实用新型一实施例中，本实用新型的多通道热电偶采集模块还包括磁隔离模块8，分别与所述AD转换器6和所述微处理器7相连，用于对所述热电偶采样值进行数据隔离，并发送至所述微处理器7。优选地，所述磁隔离模块8选用TI公司ISO7241CDWR，其最高传输速度为150Mbps，能够实现了高速数据隔离；带有25KV/us的瞬态共模抑制能力，且能够在电压差峰值560V的环境下正常工作；可提供5000Vrms/min及6000V/10sec的电压隔离保护；带有±4KV的ESD保护。

于本实用新型一实施例中，本实用新型的多通道热电偶采集模块还包括RS485通信模块9，与所述微处理器7相连，用于在所述微处理器7的控制下，基于RS485协议将所述温度值发送出去。优选地，如图6所示，所述RS485通信模块9采用TI公司的SN65HVD06D，通信速率为691.2Kbps。当通讯芯片控制端拉低，模块上电时，RS485总线处于接收状态，保证总线不会误发数据。

于本实用新型一实施例中，本实用新型的多通道热电偶采集模块将电源分为系统电源模块和现场电源模块两部分。所述系统电源模块用于为所述单片机供电，所述现场电源模块用于为所述热电偶输入通道、所述滤波电路、所述光电继电器、所述冷端补偿模块和所述AD转换器供电。如图7(a)和图7(b)所示，24V直流的系统电源模块和现场电源模块的前端处理一致，进线端子不同。电源输入端连接一个高效能保护器件(如P6SMB36CAT3G瞬态抑制二极管)，能防止电子元器件因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰。自恢复保险丝(LP-MSM020)与肖特基二极管(10MQ060NTRPBF)提供了24V电源反向保护、过流保护，对带电插拔起到一定帮助。共模电感250uH_744224是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，对共模电流起到抑制作用。电源输入电压24V经EMC处理后，选用LM22675产生5V电压，电流1A。LM22675是一款开关稳压器，能够提供高达1A负载电流的42V、N通道MOSFET开关，效率>90％，能够提供固定5V输出，开关频率为500kHz，具有内置热关断和限流功能，而且有一个使能控制输入端，可使稳压器休眠至静态电流为25uA的待机状态。

如图8所示，5V直流的现场电源模块采用小功率极性反转电源转换器ICL7660AIBA，其与TC7662ACPA和MAX1044的内部电路及引脚功能完全一致，可以直接替换。ICL7660AIBA静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5-10V，工作频率为10kHz，只需外接10μF的小体积电容，效率高达98％，输出功率可达700mW，输出电流100mA。

如图9所示，基准电源电路的基准电压为2.5V，主要为AD转换器6提供基准电压，采用TI公司的REF3225AIDBVT，主要特点如下：输出电压值为2.5V，输出电流为10mA(MAX)，最大误差不超过0.2％，温漂为4ppm/℃。

于本实用新型一实施例中，本实用新型的多通道热电偶采集模块还包括显示装置(图中未示出)，与所述微处理器相连，用于显示各个热电偶通道的故障信息、通讯信息、电源信息中的一种或多种组合。

于本实用新型一实施例中，本实用新型的多通道热电偶采集模块应用于DCS控制系统，以满足DCS控制系统的要求。

综上所述，本实用新型的多通道热电偶采集模块支持多种类型的热电偶信号采集，满足多量程信号采集；采用高精度24位AD转换器，采集精度可达0.1％；采用PT100进行柜内温度冷端补偿，不占用热电偶采集通道；电源架构分系统电源和现场电源两种方式供电，避免了电源相互辐射干扰；光电继电器采用无触点继电器，使用寿命接近于无限，且驱动部分具有光耦特性，能够有效抑制干扰传输，对小信号采集起到了隔离作用，最大程度抑制脉冲群对AD转换器的冲击；滤波电路有效地抑制了串模干扰带来信号采集不稳、抖动；任意通道出现故障，不影响其他任意通道的正常工作；现场输入信号线开路，上报断线报警故障信息；通道出现故障时，对应通道的状态灯会显示，故障消除后对应的通道自动恢复正常，通道故障状态灯恢复正常；实现了总线高速通讯功能，通讯速率达到691.2Kbps。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多通道热电偶采集模块，其特征在于：包括：

至少两个热电偶输入通道，用于输入热电偶信号；

与所述热电偶输入通道一一对应的滤波电路，与对应的热电偶输入通道相连，用于对所述热电偶信号进行滤波；

与所述滤波电路一一对应的光电继电器，与对应的滤波电路相连，用于实现滤波后的热电偶信号的切换；

放大滤波电路，与所述光电继电器相连，用于对切换后的热电偶信号进行放大和带通滤波；

冷端补偿模块，用于提供冷端补偿信号；

AD转换器，与所述光电继电器和所述冷端补偿模块相连，用于对放大滤波后的热电偶信号冷端补偿后进行采样，以获取热电偶采样值；

微处理器，与所述AD转换器相连，用于将所述热电偶采样值计算为温度值并发送出去。

2.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：包括八个热电偶输入通道，分别支持K型、E型、J型、S型、R型、B型、N型和T型热电偶。

3.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：还包括磁隔离模块，分别与所述AD转换器和所述微处理器相连，用于对所述热电偶采样值进行数据隔离，并发送至所述微处理器。

4.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：还包括RS485通信模块，与所述微处理器相连，用于在所述微处理器的控制下，基于RS485协议将所述温度值发送出去。

5.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：还包括系统电源模块和现场电源模块；所述系统电源模块用于为所述微处理器供电，所述现场电源模块用于为所述热电偶输入通道、所述滤波电路、所述光电继电器、所述冷端补偿模块和所述AD转换器供电。

6.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：所述冷端补偿模块包括依次相连的冷端补偿通道、冷端滤波电路和冷端光电继电器。

7.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：所述热电偶采集通道包括共模电感，用于抑制所述热电偶信号中的共模干扰。

8.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：还包括显示装置，与所述微处理器相连，用于显示各个热电偶通道的故障信息、通讯信息、电源信息中的一种或多种组合。

9.根据权利要求1所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：所述微处理器采用单片机。

10.根据权利要求1-9之一所述的多通道热电偶采集模块，其特征在于：应用于DCS控制系统。