TWI381154B - 熱電偶溫度採集系統及方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種溫度測量的系統及方法，尤其是一種利用熱電偶進行溫度採集的系統及方法。
溫度是最重要的過程參數之一。據不完全統計，它大約平均占熱工參數測量的60%左右。溫度檢測精度對程式控制的品質有重要的影響。電腦技術促使研究和生產過程監控與自動化技術迅速發展，從而提高了對過程參量檢測和檢測精度的要求。
目前，最廣泛使用的溫度檢測元件是熱電偶。熱電偶製作簡單並且價格便宜，其可測量的溫度範圍也很大。熱電偶的工作原理是：將兩種不同的金屬導體在一端相互焊接，形成熱電偶的測量端(也稱工作端)，並將該測量端插入待測物體溫度的介質中；而熱電偶的另一端(參比端或自由端)則與一個測量溫度的顯示儀錶或者裝有資料獲取裝置的電腦相連。由於不同金屬導體的熱膨脹係數不同，受熱後會產生一定的電動勢，稱為賽貝克(seebeck)電壓，該電壓透過顯示儀錶或者裝有資料獲取裝置的電腦利用電壓－溫度對照表，或者根據電壓－溫度的關係公式將電壓值轉化為溫度值顯示出來。所有可導電的金屬材質皆會因金屬內部所存在的不同溫度分佈層次(即溫度梯度)而產生相對不同的熱電動勢，稱為塞貝克效應。熱電偶產生塞貝克效應的大小是依據製造熱電偶的金屬化學成分而定。
以往，利用熱電偶進行溫度測量時，由於溫度、濕度以及一些多通道冷接點補償等原因，導致測量出的溫度值不夠精確，存在一定的誤差，且習知技術中的熱電偶溫度採集裝置僅能在有限區域內進行溫度採集，而不能進行遠端溫度採集。
鑒於以上內容，有必要提供一種熱電偶溫度採集系統及方法，其能夠進行遠端溫度監控，實現高精度的溫度資料獲取。
一種熱電偶溫度採集系統，包括電腦、溫度採集器及熱電偶，該熱電偶與溫度採集器相連，該電腦通過一網路介面與所述溫度採集器相連，用於監控該溫度採集器採集所述熱電偶量測一待測物體的溫度。該溫度採集器包括至少一從微程式控制器及通過系統控制匯流排與該從微程式控制器相連的主微程式控制器。其中，所述從微程式控制器包括：類比數位轉換通道，用於採集所述熱電偶量測上述待測物體時所產生的類比電壓訊號；及類比數位轉換裝置，用於將上述類比電壓訊號轉換為數位訊號，計算類比數位轉換通道的校正係數，並根據該校正係數對類比數位轉換通道所採集的電壓值進行校正。所述主微程式控制器用於採集熱電偶冷接點的溫度值，計算該冷接點溫度值的偏移量，並根據該冷接點溫度值的偏移量對所述冷接點的溫度值進行補償。所述電腦根據上述補償後的冷接點溫度值對上述校正後的電壓值進行冷接點補償，並將補償後的電壓值轉換為待測物體的實際溫度值。
一種熱電偶溫度採集方法，包括如下步驟：溫度採集器內的類比數位轉換裝置計算類比數位轉換通道的校正係數；該類比數位轉換通道採集由一熱電偶測量一待測物體所產生的類比電壓訊號並將其轉換為數位訊號的電壓值；所述類比數位轉換裝置利用所述類比數位轉換通道的校正係數對該電壓值進行誤差校正；所述溫度採集器通過網路介面將上述校正後的電壓值傳送給一電腦；該電腦將校正後的電壓值進行冷接點補償；及將補償後的電壓值轉化為待測物體的實際溫度值。
相較於習知技術，所述之熱電偶溫度採集系統及方法，可以對待測物體進行遠端溫度監控，對類比數位轉換通道所採集的溫度資料進行校正，並且對熱電偶冷接點的溫度進行補償，提高了熱電偶測量的精度。
為了更好的理解本發明，現將有關術語作如下解釋：冷接點與冷接點補償：在利用熱電偶進行溫度測量的時候，僅僅將熱電偶與電壓表或者其他的測量系統相連接是不可以的，因為當將熱電偶的金屬絲連接到電壓表或者測量系統的同時會產生一些額外的電壓。
如圖1所示，係利用一個熱電偶測量一個蠟燭火焰溫度的示意圖。該圖中的熱電偶由金屬絲銅(Cu)與鈷(Co)在一端焊接而成，兩根金屬絲的另一端分別連接一個電壓表的兩根銅絲。圖中的熱電偶共形成兩個接點J1與J2，並且兩個接點J1與J2都是由兩根不同的金屬絲銅與鈷連接而成。其中，J1是熱電偶接點，產生一個由蠟燭火焰溫度而產生的賽貝克電壓，J2是一個寄生的熱電偶接點，它也會產生一個由電壓表的環境溫度而產生的電壓。電壓表測量的電壓值Vmeas其實是VJ1
與VJ2
的代數和，因此為了計算J1接點產生的電壓值，就必須知道J2接點的電壓值。以往，解決該問題的方法是將J2接點處於0℃的冰水混合物中，因此稱J2為冷接點，則VJ2
＝0，因此Vmeas＝VJ1
。然而，在實際應用中，獲得一個0℃的參考溫度不太現實，如果冷接點溫度不是0℃，那麼，為了確定實際熱電偶接點(簡稱熱接點)J1的溫度，就必須已知冷接點J2的溫度。考慮到非零冷接點溫度的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行補償，即所謂的冷接點補償。
如圖2所示，係本發明熱電偶溫度採集系統較佳實施例之系統架構圖。該熱電偶溫度採集系統包括至少一熱電偶1集成於一塊板子上、溫度採集器2、電腦3及直流電源適配器4。該直流電源適配器4用於向所述溫度採集器2提供工作電壓。
熱電偶1是由兩種不同的金屬導體在一端相互焊接而成，在本較佳實施例中，這兩種金屬分別為銅與鈷。熱電偶1透過熱偶線與溫度採集器2連接。
該溫度採集器2內裝配有保護電路20、濾波處理器21、至少一並行的從微程式控制器(microprogram controller unit，MCU)22(本實施例以五個從MCU為例進行說明)、系統控制匯流排(system management bus,SMBus)23、主MCU 24、冷接點溫度補償感測器(Code Junction Compensation Sensor，CJC Sensor)25及網路介面26。其中，所述從MCU 22透過SMBus 23與主MCU 24相連，所述主MCU 24透過網路介面26與所述電腦3連接。該網路介面26焊接在溫度採集器2上，其遵從TCP/IP協定，傳輸速率為10/100兆。本實施例不限於此種網路介面26，其還可以為其他類型的網路介面26，該網路介面26不限於焊接在溫度採集器2上。
保護電路20用於過流、過壓時，保護溫度採集器2內的晶片不被過電壓擊穿，該晶片包括從MCU 22和主MCU 24。所述濾波處理器20連接兩根銅線，分別與熱電偶1的銅線與鈷線相連接。該濾波處理器20用於過濾熱電偶1產生的類比電壓訊號，其可以有效的去除干擾，增強系統的抗干擾能力，使該類比電壓訊號經過濾波處理器20變得平穩一些。當所述濾波處理器20的一條銅線與熱電偶1的鈷線連接時，由於其金屬材質不同，會產生一電壓(差)值；而當所述濾波處理器20的另一條銅線與熱電偶1的銅線連接時，由於相同材質金屬連接且處理相同溫度時並不形成熱電偶，在該熱電偶1的冷接點處會產生一熱電動勢。
其中，每個從MCU 22包括一個多路開關及四個溫度採集通道(類比/數位轉換通道，簡稱AD通道)。所述多路開關用於控制所述從MCU 22的四個AD通道依次採集各自連接的熱電偶1量測待測物體的電壓值，該待測物體如烤箱、溫濕度櫃等。所述AD通道是指資料傳輸的電路。本實施例中的所有從MCU 22的多路開關可以在同一時間同時控制其相應的AD通道進行溫度採集。所述AD通道各帶有一個具有類比/數位(analog/digital，A/D)轉換功能的AD裝置，用於將所述AD通道所採集的電壓值由類比訊號轉換為數位訊號，該數位訊號通常以二進位表示(以下統稱為“二進位電壓值”)。該AD裝置還用於計算AD通道所採集電壓的校正係數，透過電腦3發送命令控制該AD裝置校正所述二進位電壓值。所述從MCU 22透過系統控制匯流排(system management bus，SM Bus)將所述校正後的二進位電壓值傳送給主MCU 24，該主MCU 24透過網路介面26將所述校正後的二進位電壓值傳遞給電腦3，由該電腦3計算出每個AD通道所採集的待測物體的實際溫度值。當電腦3需遠端控制溫度採集器2時，用戶可以透過向本系統輸入需控制的溫度採集器2的IP位址，即可對該溫度採集器2進行遠端溫度監控。
本實施例中的AD裝置還可以用於讀取連接在該AD通道電路上的電壓值，該電壓值經溫度校正儀校正後直接計算出該AD通道所採集的溫度值。由於從MCU 22透過AD裝置計算所述溫度值需要佔用較大的記憶體空間，因此，本實施例AD通道所採集的溫度值由電腦3計算得出。
CJC Sensor 25用於測量濾波處理器20與熱電偶1連接時在冷接點J2處產生的熱電動勢。主MCU 24內儲存一段計算程式，用於對所述熱電動勢進行類比/數位轉換，即將該熱電動勢轉換成一個二進位的數位訊號(以下統稱為“二進位熱電動勢”)，計算出該二進位熱電動勢對應的冷接點溫度值及計算出該冷接點溫度值的偏移量，根據該偏移量補償所述冷接點溫度值，並將該補償後的冷接點溫度值透過網路介面26傳送給電腦3。另外，所述主MCU 24還包括一個快閃記憶體，用於儲存所述AD通道所採集電壓的校正係數、所述冷接點溫度的偏移量及熱電偶1的類型。該熱電偶1的類型包括T型、J型、K型、E型、N28型、N14型、S型、R型及B型。本實施例中所述的熱電偶溫度採集系統支援T、J、K三種類型的熱電偶1，圖1所示為T型熱電偶1。
所述電腦3包括一控制單元30、一資料接收單元32、一計算單元34及一顯示單元36。該控制單元30向從MCU 22和主MCU 24發送命令，用於控制所述從MCU 22內的AD裝置校正所述二進位電壓值，並控制所述主MCU 24內儲存的計算程式補償所述冷接點溫度值。資料接收單元32用於接收所述從MCU 22所發送的校正後的二進位電壓值，並接收所述主MCU 24發送的補償後的冷接點溫度值。計算單元34用於將所述校正後的二進位電壓值根據以下步驟進行冷接點補償：將所述校正後的二進位電壓值轉換為十進位電壓值V，並將所述補償後的冷接點溫度值根據溫度－電壓之間的關係式轉換為電壓值V1
，計算熱電偶1所採集的待測物體而產生的賽貝克電壓值：V0
＝V－V1
，利用溫度－電壓之間的關係式將V0
轉換為待測物體的實際溫度值T0
，並透過顯示單元36顯示出來。其中，所述計算單元34還可以透過搜索“電壓－溫度對照表”直接查找出所述賽貝克電壓值對應的溫度值，該“電壓－溫度對照表”為業界公用的對照表。所述顯示單元36可以為電腦3所連接的顯示器。
如圖3所示，係本發明熱電偶溫度採集方法較佳實施例之主要流程圖。首先，所述AD裝置計算AD通道的校正係數，所述主MCU 24內的計算程式計算熱電偶1冷接點溫度值的偏移量(步驟S300)。該AD通道依次採集各自連接的熱電偶1量測待測物體的電壓值，其中，該電壓值為類比電壓訊號，AD裝置將該類比電壓訊號轉換為以數位訊號顯示的二進位電壓值(步驟S301)。控制單元30控制所述AD裝置根據所述校正係數校正該二進位電壓值，並將該二進位電壓值傳送給所述主MCU 24，該主MCU 24透過網路介面26將該二進位電壓值傳送給電腦3(步驟S302)。控制單元30控制所述計算程式根據所述冷接點溫度值的偏移量補償所述冷接點的溫度值，並將該補償後的冷接點溫度值透過網路介面26傳送給電腦3(步驟S303)。資料接收單元32接收所述二進位電壓值及補償後的冷接點溫度值，計算單元34根據該補償後的冷接點溫度值將所述二進位電壓值進行冷接點補償(步驟S304)。所述計算單元34根據該補償後的電壓值計算待測物體的實際溫度值(步驟S305)。
如圖4所示，係AD裝置計算圖3步驟S300中所述校正係數的流程圖。由於AD通道所採集的電壓值可能因為某些因素，例如，放大倍數、有無緩衝器設置、前端電路、溫度、濕度等影響，導致誤差的存在，為了使最終測得的待測物體的實際溫度值更加準確，需要對AD通道進行誤差校正。
該校正係數計算步驟如下：首先，步驟S400，所述AD裝置接收用戶從連接到AD通道上的一溫度校正儀(未圖示)輸入的標準電壓值a1，其中，a1＝0.000毫伏。於步驟S401中，接收AD通道所採集的一個電壓值，並將該電壓值轉換為二進位電壓值b1。於步驟S402中，接收用戶從連接到AD通道上的溫度校正儀輸入的標準電壓值a2，該a2為AD裝置的滿量程值。於步驟S403中，接收AD通道所採集的另一個電壓值，並將該電壓值轉換為二進位電壓值b2。步驟S404，所述AD裝置根據上述接收及轉換後的電壓值計算出該AD通道的校正係數。該計算的公式是由b1x＋y＝a1與b2x＋y＝a2組成的一個二元一次方程組。其中，所計算出的校正係數x表示偏移量(offset)，y表示斜率(span)。步驟S405，所述AD裝置將計算出的校正係數x、y發送給主MCU 24，存於該主MCU 24的快閃記憶體內，以便後續對該AD通道所採集的電壓值進行校正。
如圖5所示，係計算圖3步驟S300中所述冷接點溫度值的偏移量的流程圖。在測量冷接點J2的溫度時，由於CJC Sensor 25本身可能存在的誤差會導致測量的冷接點的溫度有所偏差，因此要對其進行補償，求出該熱電偶1冷接點溫度值的偏移量。計算方法如下：於步驟S500中，主MCU 24內的計算程式接收用戶利用一個精度較高的溫度計測量的冷接點的一個環境溫度值Tenv。於步驟S501中，該計算程式讀取CJC Sensor 25所測量的冷接點的一個溫度值TJ2。
其中，CJC Sensor 25測量冷接點的溫度值TJ2的示意圖如圖6所示，其中，J1為熱接點，J2是冷接點，L為一條等溫線，在該等溫線上的每一個點的溫度都是相同的。J2與a點處於同一條等溫線上，因此J2點與a點溫度相同。在測量a點溫度的時候，首先，給該CJC Sensor 25一個工作電壓，本較佳實施例中，該工作電壓為正5伏；CJC Sensor 25測量出電阻r兩端的電壓值Vr；因為電阻r的阻值為已知，設為R；則透過電阻r的電流可以根據公式I＝Vr/R，求出電流I；最後利用電流與溫度之間的關係式求出CJC Sensor 25測量的a點，即冷接點J2的一個溫度值TJ2
。
於步驟S502中，計算程式利用Tenv與TJ2
進行代數運算求出冷接點J2的溫度的偏移量δ，即偏移量δ＝Tenv－TJ2
。於步驟S503中，計算程式將該偏移量δ儲存於主MCU 24的快閃記憶體內，以便後續對測量的冷接點J2的溫度值進行補償。
如圖7所示，係圖3步驟S302的具體流程圖。首先，所述AD裝置讀取AD通道所採集的電壓值並將該電壓值轉換為二進位電壓值Vmeas(步驟S700)。AD裝置讀取儲存於所述快閃記憶體中的AD通道的校正係數x與y(步驟S701)。該AD裝置對所述二進位電壓值Vmeas進行校正，校正的方法為：V＝xVmeas＋y(步驟S702)。從MCU 22將校正後的電壓值V透過SMBus 23傳送給主MCU 24，該主MCU 24透過網路介面26將校正後的電壓值V傳送給電腦3(步驟S703)。
如圖8所示，係圖3步驟S303的具體流程圖。首先，步驟S800，計算程式讀取CJC Sensor 25測量的冷接點的溫度值t。步驟S801，該計算程式讀取儲存於所述快閃記憶體中的偏移量δ，並對溫度值t進行補償，補償公式為：T＝t＋δ。步驟S802，主MCU 24將補償後的冷接點的溫度值T透過網路介面26傳送給電腦3。
如圖9所示，係圖3步驟S305的具體流程圖。該計算方法包括如下步驟：首先，步驟S900，計算單元34將校正後的二進位電壓值V轉換為一個以十進位表示的電壓值V10
。步驟S901，計算單元34根據溫度－電壓之間的關係式將補償後的冷接點溫度值T轉換為電壓值V1
。步驟S902，計算單元34計算熱電偶1量測待測物體而產生的賽貝克電壓值：V0
＝V10
－V1
，即補償後的電壓值。步驟S903，計算單元34利用溫度－電壓之間的關係式將V0
轉換為待測物體的實際溫度值T0
，並透過顯示單元36顯示出來。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，且已達廣泛之使用功效，凡其他未脫離本發明所揭示之精神下所完成之均等變化或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
熱電偶．．．1
溫度採集器．．．2
電腦．．．3
直流電源適配器．．．4
保護電路．．．20
濾波處理器．．．21
從MCU．．．22
系統控制匯流排．．．23
主MCU．．．24
冷接點溫度補償感測器．．．25
網路介面．．．26
控制單元．．．30
資料接收單元．．．32
計算單元．．．34
顯示單元．．．36
圖1係熱電偶測量蠟燭火焰溫度之示意圖。
圖2係本發明熱電偶溫度採集系統較佳實施例之系統架構圖。
圖3係本發明熱電偶溫度採集方法較佳實施例之主要流程圖。
圖4係計算AD通道的校正係數之流程圖。
圖5係計算熱電偶冷接點溫度的偏移量之流程圖。
圖6係本發明熱電偶溫度採集方法較佳實施例中測量熱電偶冷接點的溫度之示意圖。
圖7係本發明熱電偶溫度採集方法較佳實施例中對AD通道採集的電壓值進行校正的流程圖。
圖8係本發明熱電偶溫度採集方法較佳實施例中補償冷接點溫度之流程圖。
圖9係本發明熱電偶溫度採集方法較佳實施例中計算待測物體實際溫度值之流程圖。
計算AD通道的校正係數及熱電偶冷接點溫度值的偏移量．．．S300
採集由熱電偶測量待測物體的類比電壓訊號，並將其轉換為二進位電壓值．．．S301
利用所述校正係數校正上述二進位電壓值並將校正後的二進位電壓值傳送給電腦．．．S302
利用所述偏移量補償熱電偶冷接點的溫度值，並將補償後的冷接點溫度值傳送給電腦．．．S303
根據補償後的冷接點的溫度值將校正後的二進位電壓值進行冷接點補償．．．S304
根據補償後的二進位電壓值計算待測物體的實際溫度值．．．S305
Claims (9)
- 一種熱電偶溫度採集系統，包括電腦、溫度採集器及熱電偶，該熱電偶與溫度採集器相連，其中：該電腦透過一網路介面與所述溫度採集器相連，用於監控該溫度採集器所採集的所述熱電偶量測到的一待測物體的溫度；該溫度採集器包括至少一從微程式控制器及透過系統控制匯流排與該從微程式控制器相連的主微程式控制器，其中，所述從微程式控制器包括：類比數位轉換通道，用於採集所述熱電偶量測上述待測物體時所產生的類比電壓訊號；及類比數位轉換裝置，用於將上述類比電壓訊號轉換為數位訊號，計算類比數位轉換通道的校正係數，並根據該校正係數對類比數位轉換通道所採集的電壓值進行校正；所述主微程式控制器用於採集熱電偶冷接點的溫度值，計算該冷接點溫度值的偏移量，並根據該冷接點溫度值的偏移量對所述冷接點的溫度值進行補償；及所述電腦根據上述補償後的冷接點溫度值對上述校正後的電壓值進行冷接點補償，並將補償後的電壓值轉換為待測物體的實際溫度值。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱電偶溫度採集系統，其中所述的溫度採集器還包括濾波處理器，用於過濾熱電偶測量待測物體產生的類比電壓訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱電偶溫度採集系統，其中所述主微程式控制器包括快閃記憶體，用於儲存所述類比數位轉換通道的校正係數及所述熱電偶冷接點溫度的偏移量。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱電偶溫度採集系統，其中所述熱電偶冷接點的溫度值是由一冷接點溫度補償感測器測量所述熱電偶的冷接點而得到。
- 如申請專利範圍第1項所述之熱電偶溫度採集系統，其中所述之電腦包括：控制單元，向所述從微程式控制器和主微程式控制器發送命令，用於控制所述從微程式控制器內的類比數位轉換裝置校正所述二進位電壓值，並控制所述主微程式控制器補償所述冷接點溫度值，其中，所述數位訊號為二進位電壓值；資料接收單元，用於接收所述從微程式控制器所發送的校正後的二進位電壓值，並接收所述主微程式控制器發送的補償後的冷接點溫度值；計算單元，用於將所述校正後的二進位電壓值轉換為十進位電壓值，並將所述補償後的冷接點溫度值根據溫度與電壓之間的關係式轉換為電壓值，透過該溫度轉換後的電壓值和所述十進位電壓值計算熱電偶所採集的待測物體的賽貝克電壓值，並利用溫度與電壓之間的關係式將該賽貝克電壓值轉換為待測物體的實際溫度值；及顯示單元，用於顯示所述待測物體的實際溫度值。
- 一種熱電偶溫度採集方法，該方法包括：溫度採集器內的類比數位轉換裝置計算類比數位轉換通道的校正係數；該類比數位轉換通道採集由一熱電偶測量一待測物體所產生的類比電壓訊號並將其轉換為數位訊號的電壓值；所述類比數位轉換裝置利用所述類比數位轉換通道的校正係數對該電壓值進行誤差校正；所述溫度採集器通過網路介面將上述校正後的電壓值傳送給一電腦；該電腦將校正後的電壓值進行冷接點補償；及該電腦將補償後的電壓值轉化為待測物體的實際溫度值。
- 如申請專利範圍第6項所述之熱電偶溫度採集方法，其中所述之計算類比數位轉換通道的校正係數的步驟包括：接收用戶輸入的標準電壓值a1；讀取類比數位轉換裝置所採集到的一個電壓值b1；接收用戶輸入的另一個標準電壓值a2；讀取類比數位轉換裝置所採集到的另一個電壓值b2；及根據上述四個電壓值，計算出類比數位轉換通道的校正係數。
- 如申請專利範圍第6項所述之熱電偶溫度採集方法，所述的電腦將電壓值進行冷接點補償的步驟包括：溫度採集器內的主微程式控制器計算熱電偶冷接點溫度值的偏移量；冷接點溫度補償感測器測量所述熱電偶的冷接點的溫度值；溫度採集器根據所述冷接點溫度值的偏移量對上述溫度值進行補償；電腦將補償後的冷接點溫度值轉化為電壓值；及將上述電壓值與熱電偶產生的電壓值進行代數運算，得出冷接點補償後的電壓值。
- 如申請專利範圍第8項所述之熱電偶溫度採集方法，其中所述的計算熱電偶冷接點溫度值的偏移量的步驟包括：接收一個溫度計測量的熱電偶冷接點的環境溫度值T；讀取冷接點溫度補償感測器測量到的冷接點的溫度值t；及將T與t進行代數運算，計算出冷接點溫度值的偏移量。
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| JP2004150836A (ja) * | 2002-10-28 | 2004-05-27 | Matsushita Electric Works Ltd | プログラマブルコントローラの熱電対入力における冷接点補償の補正方法及びその補正回路 |
| CN1796950A (zh) * | 2004-12-29 | 2006-07-05 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种适用于微重力流体试验的多通道温度采集系统 |
-
2007
- 2007-07-13 TW TW96125553A patent/TWI381154B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW200902945A (en) | 2009-01-16 |
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