TWI407086B - 多通道熱電偶溫度採集系統及方法 - Google Patents

Description

多通道熱電偶溫度採集系統及方法

本發明涉及一種多通道熱電偶溫度採集系統及方法。

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。溫度檢測精度對程序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)，將它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一樣，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。

以往，在利用熱電偶進行測量多個物體時，由於熱電偶各個冷接點溫度不同，冷接點補償的技術不夠精確，直接導致測量出的溫度值不夠準確，存在一定的誤差。

鑒於以上內容，有必要提供一種多通道熱電偶溫度採集系統，可以有效的對多通道熱電偶溫度採集器的冷接點進行補償，使得測量的待測物體的實際溫度值更加精確。

鑒於以上內容，還有必要提供一種多通道熱電偶溫度採集方法，可以有效的對多通道熱電偶溫度採集器的冷接點進行補償，使得測量的待測物體的實際溫度值更加精確。

本發明較佳實施例提供一種多通道熱電偶溫度採集系統，包括依次連接的熱電偶、電路板、類比數位轉換裝置、資料處理器及電腦，所述電路板上焊接有一個補償感溫器，所述熱電偶用於採集至少兩個待測物體的類比電壓值；所述電路板上包括一塊熱等溫塊，用於使得熱電偶至少兩個熱偶接頭的冷接點達到等溫，由溫度-電壓轉換公式可得所述冷接點的電壓值相同；所述補償感溫器，用於測量冷接點的電壓值，該電壓值為類比電壓值；所述類比數位轉換裝置，用於將所述至少兩個待測物體的類比電壓值以及所述冷接點的類比電壓值轉換為數位電壓值，並對轉換後的待測物體的數位電壓值及冷接點的數位電壓值進行校正；所述資料處理器，用於根據電壓-溫度轉換公式將所述冷接點的數位電壓值轉換為冷接點溫度值，計算冷接點溫度值的偏移量，並根據所述偏 移量對所述冷接點溫度值進行補償；及所述電腦，用於根據上述補償後的冷接點溫度值對上述校正後的每個待測物體的數位電壓值進行冷接點補償，並將每個補償後的待測物體的數位電壓值轉換為待測物體的實際溫度值。

本發明較佳實施例提供一種多通道熱電偶溫度採集方法，利用依次連接的熱電偶、電路板、類比數位轉換裝置、資料處理器及電腦採集待測物體的實際溫度，所述電路板上焊接有一個補償感溫器，該方法包括步驟：熱電偶測量至少兩個待測物體的類比電壓值；提供一塊熱等溫塊於電路板上，使得熱電偶至少兩個熱偶接頭的冷接點達到等溫，由溫度-電壓轉換公式可得所述冷接點的電壓值相同；補償感溫器測量熱電偶的冷接點的電壓值，該電壓值為類比電壓值；所述類比數位轉換裝置將所述至少兩個待測物體的類比電壓值以及所述冷接點的類比電壓值轉換為數位電壓值，並對轉換後的待測物體的數位電壓值及冷接點的數位電壓值進行校正；所述資料處理器根據電壓-溫度轉換公式將所述冷接點的數位電壓值轉換為冷接點溫度值，計算冷接點溫度值的偏移量，並根據所述偏移量對所述冷接點溫度值進行補償；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每個待測物體的數位電壓值進行冷接點補償；及將每個補償後的待測物體的數位電壓值轉換為待測物體的實際溫度值。

相較於習知技術，所述的多通道熱電偶溫度採集系統及方法，能夠使得熱電偶測量多個待測物體時，熱電偶的所有冷接 點達到等溫，可以對多通道熱電偶溫度採集器的冷接點進行有效的補償，使得測量的待測物體的實際溫度值更加精確。

1‧‧‧電路板

2‧‧‧類比數位轉換裝置

3‧‧‧資料處理器

4‧‧‧通訊埠

5‧‧‧電腦

20‧‧‧熱等溫塊

21‧‧‧補償感溫器

22‧‧‧冷接點

50‧‧‧控制模組

51‧‧‧資料接收模組

52‧‧‧計算模組

S300‧‧‧熱電偶測量待測物體的模擬電壓值

S301‧‧‧提供一個熱等溫塊，使得熱電偶的冷接點等溫

S302‧‧‧補償感溫器測量冷接點的類比電壓值

S303‧‧‧AD裝置將類比電壓值轉換為數位電壓值

S304‧‧‧AD裝置對該數位電壓值進行校正

S305‧‧‧資料處理器對校正後的冷接點的數位電壓值對應的溫度值進行冷接點補償

S306‧‧‧電腦接收校正後的待測物體數位電壓值及補償後的冷接點的溫度值

S307‧‧‧電腦根據補償後的冷接點的溫度值對所述待測物體的數位電壓值進行補償，得到待測物體的實際溫度值

圖1係熱電偶測量蠟燭火焰溫度之示意圖。

圖2係本發明多通道熱電偶溫度採集系統較佳實施例之系統架構圖。

圖3係本發明多通道熱電偶溫度採集方法較佳實施例之流程圖。

圖4係本發明多通道熱電偶溫度採集方法較佳實施例中AD裝置計算AD通道的校正係數之具體流程圖。

圖5係本發明多通道熱電偶溫度採集方法較佳實施例中AD裝置對AD通道所採集的電壓值進行校正之具體流程圖。

為了更好的理解本發明，現將有關術語解釋如下：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。參見圖1所示，是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，就必須要知道J2接點的電壓值。以往，解決該問題的方法是將J2接點放置於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。

參閱圖2所示，是本發明多通道熱電偶溫度採集系統較佳實施例的系統架構圖。其包括：熱電偶(圖中未示出)，電路板1，類比數位轉換(analog to digital convertor，簡稱AD)裝置2，資料處理器3，通訊埠4及電腦5。

所述熱電偶具有多個通道，每個通道都可測量一個待測物體的溫度，每個通道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，兩種金屬分別為銅和鎳。

本系統還包括一個接線盒(圖中未示出)，該接線盒內有一個電路板1，所述熱電偶連接於該電路板1。該電路板1在本實施例中是銅制的，熱電偶的鎳線與銅電路板1的接頭處即產生冷接點22，該接頭處稱為熱偶接頭。所述接線盒內還包 括一個熱等溫塊20，該熱等溫塊20與所述熱偶接頭上的冷接點22之間的距離較近，該距離可使得該熱等溫塊20的溫度與冷接點的溫度接近，於本較佳實施例中，該熱等溫塊20與所述冷接點22之間距離約為0.5mm。該熱等溫塊20是塊鍍了錫的銅箔，使得20個熱偶接頭的冷接點達到均溫，根據溫度與電壓之間轉換公式，可知所述20個冷接點22的電壓相等。所述電路板1上焊接有一個補償感溫器21，該補償感溫器21用於測量所述20個冷接點22的電壓值，該電壓值為類比電壓值。

該電路板1上還有一個介面(圖中未示出)，該介面用於連接AD裝置2的多個AD通道(圖中未示出)，每個AD通道都可採集一個類比電壓值。本實施例中，以只採集一個待測物體的溫度為例進行說明本發明，故本實施例中需要至少兩個AD通道，其中一個AD通道用於採集熱電偶所測量的待測物體的類比電壓值，另一個AD通道用於採集補償感溫器21所測的冷接點的類比電壓值。所述AD裝置2用於將上述AD通道所採集的待測物體的類比電壓值以及冷接點的類比電壓值分別轉換為數位電壓值，所述數位電壓值通常以二進位表示。該AD裝置2還用於分別計算用於採集待測物體的類比電壓值的AD通道的校正係數與用於採集冷接點類比電壓值的AD通道的校正係數，用戶透過電腦5發送命令控制該AD裝置2利用校正係數校正所述轉換後的待測物體的數位電壓值以及冷接點的數位電壓值。該AD裝置2將所述待測物體的數位電壓值透過資料 處理器3和通訊埠4傳送給電腦5。

所述AD轉換裝置2連接有一個資料處理器3，該資料處理器3用於接收AD裝置2所校正的冷接點的數位電壓值，並計算出該數位電壓值所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的溫度值透過通訊埠4傳送給電腦5。所述通訊埠4可以為通用串列匯流排(Universal Serial Bus，簡稱USB)埠及乙太網介面等。

所述電腦5包括控制模組50，資料接收模組51及計算模組52。所述控制模組50向資料處理器3和AD裝置2發送命令，用於控制AD裝置2校正所述數位電壓值，並控制資料處理器3補償所述冷接點溫度值。資料接收模組51用於接收所述校正後的待測物體的數位電壓值，並接收所述補償後的冷接點溫度值。計算模組52用於將所述校正後的待測物體的數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，計算熱電偶所採集的待測物體而產生的塞貝克電壓值：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T。

如圖3所示，是本發明多通道熱電偶溫度採集方法較佳實施例的流程圖。

步驟S300，首先，熱電偶測量待測物體的類比電壓值，該熱電偶具有多個通道，每個通道都可測量一個待測物體的溫度 ，每個通道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，兩種金屬分別為銅和鎳。

步驟S301，提供一個熱等溫塊20，該熱等溫塊20與所述熱偶接頭上的冷接點22之間的距離較近，該距離可使得該熱等溫塊20的溫度與冷接點的溫度接近，於本較佳實施例中，該熱等溫塊20與所述冷接點22之間距離約為0.5mm。該熱等溫塊20是塊鍍了錫的銅箔，使得20個熱偶接頭的冷接點達到均溫，由於溫度與電壓值之間的關係可知，所述20個冷接點的電壓值相同。

步驟S302，補償感溫器21測量所述冷接點的電壓值，該電壓值為類比電壓值。

步驟S303，AD裝置2上的一個AD通道採集熱電偶所測量的待測物體的類比電壓值，另一個AD通道採集補償感溫器21所測量的冷接點的類比電壓值，AD裝置2將所述待測物體的類比電壓值和冷接點的類比電壓值分別轉換為數位電壓值。

步驟S304，控制模組50發送命令給AD裝置2，使得AD裝置2計算出採集待測物體的電壓值的AD通道的校正係數，並計算出採集冷接點的電壓值的AD通道的校正係數，利用所述校正係數分別對所述待測物體的數位電壓值以及冷接點的數位電壓值進行校正，並將待測物體校正後的數位電壓值透過資料處理器3和通訊埠4傳送給電腦5。

步驟S305，資料處理器3接收AD裝置2所校正的冷接點的數位 電壓值，並計算出該冷接點數位電壓值所對應的冷接點溫度值t及計算出該冷接點溫度值的偏移量δ，根據該偏移量δ補償所述冷接點溫度值t，補償公式為：T=t+δ，並將該補償後的冷接點的溫度值T透過通訊埠4傳送給電腦5。

步驟S306，資料接收模組51接收待測物體校正後的數位電壓值和補償後的冷接點的溫度值T。

步驟S307，計算模組52將所述待測物體校正後的數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T根據溫度-電壓之間的關係式轉換為電壓值V1，計算熱電偶所採集的待測物體而產生的塞貝克電壓值：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T。

如圖4所示，是圖3中步驟S304中AD裝置2計算AD通道的校正係數的具體流程圖。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、溫度以及濕度等影響，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。

需要指出的是，採集待測物體的類比電壓值的AD通道與採集冷接點類比電壓值的AD通道的原理相同，故本流程圖對兩個AD通道校正係數的計算均有效。校正係數具體計算步驟如下：步驟S400，所述AD裝置2接收用戶從連接到AD裝置2上的一溫度校正儀(圖中未示出)輸入的標準電壓值a1，其中， a1=0.000毫伏。步驟S401，接收AD通道所採集的一個類比電壓值，並將該類比電壓值轉換為數位電壓值b1。步驟S402，接收溫度校正儀輸入的標準電壓值a2，該a2為AD裝置2的滿量程值。步驟S403，接收AD通道所採集的另一個類比電壓值，並將該類比電壓值轉換為數位電壓值b2。步驟S404，所述AD裝置2根據上述接收及轉換後的數位電壓值計算出該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y表示偏移量，x表示斜率。

如圖5所示，是圖3中步驟S304中對數位電壓值進行校正的具體流程圖。該步驟S304中分別對待測物體的數位電壓值和冷接點的數位電壓值進行校正，由於原理相同，故只以對待測物體的數位電壓值校正為例進行說明。首先，步驟S500，所述AD裝置2讀取AD通道所採集的待測物體的類比電壓值並將該類比電壓值轉換為數位電壓值Vmeas。步驟S501，該AD裝置2根據計算出的校正係數x與y對所述數位電壓值Vmeas進行校正，校正的方法：V=xVmeas+y。步驟S502，AD裝置2將該校正後的電壓值V傳送給資料處理器3，資料處理器3再將該電壓值V透過通訊埠4傳送給電腦5。

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。

S300‧‧‧熱電偶測量待測物體的類比電壓值

S301‧‧‧提供一個熱等溫塊，使得熱電偶的冷接點等溫

S302‧‧‧補償感溫器測量冷接點的類比電壓值

S303‧‧‧AD裝置將類比電壓值轉換為數位電壓值

S304‧‧‧AD裝置對該數位電壓值進行校正

S305‧‧‧資料處理器對校正後的冷接點的數位電壓值對應的溫度值進行冷接點補償

S306‧‧‧電腦接收校正後的待測物體數位電壓值及補償後的冷接點的溫度值

S307‧‧‧電腦根據補償後的冷接點溫度值對所述待測物體的數位電壓值進行補償，得到待測物體的實際溫度值

Claims (6)

1. 一種多通道熱電偶溫度採集系統，包括依次連接的一個熱電偶、一個電路板、一個類比數位轉換裝置、一個資料處理器及一個電腦，所述電路板上焊接有一個補償感溫器，其中：所述熱電偶用於採集至少兩個待測物體的類比電壓值；所述電路板上包括一塊熱等溫塊，用於使得熱電偶至少兩個熱偶接頭的冷接點達到等溫，由溫度-電壓轉換公式可得所述冷接點的電壓值相同；所述補償感溫器，用於測量冷接點的電壓值，該電壓值為類比電壓值；所述類比數位轉換裝置，用於將所述至少兩個待測物體的類比電壓值以及所述冷接點的類比電壓值轉換為數位電壓值，並對轉換後的待測物體的數位電壓值及冷接點的數位電壓值進行校正；所述資料處理器，用於根據電壓-溫度轉換公式將所述冷接點的數位電壓值轉換為冷接點溫度值，計算冷接點溫度值的偏移量，並根據所述偏移量對所述冷接點溫度值進行補償；及所述電腦，用於根據上述補償後的冷接點溫度值對上述校正後的每個待測物體的數位電壓值進行冷接點補償，並將每個補償後的待測物體的數位電壓值轉換為待測物體的實際溫度值。
2. 如專利申請範圍第1項所述之多通道熱電偶溫度採集系統，所述類比數位轉換裝置上至少有兩個類比數位轉換通道，分別用於採集熱電偶所測量的待測物體的電壓值，以及補償感溫器所測量的冷接點的電壓值。
3. 如專利申請範圍第1項所述之多通道熱電偶溫度採集系統，所述電腦包括：控制模組，用於向資料處理器和類比數位轉換裝置發送命令，控制類比數位轉換裝置校正待測物體的數位電壓值以及冷接點的數位電壓值，並控制資料處理器補償冷接點溫度值；資料接收模組，用於接收校正後的待測物體的數位電壓值，並接收補償後的冷接點溫度值；計算模組，用於將所述校正後的待測物體的數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數位電壓值V1，計算熱電偶所採集的待測物體而產生的塞貝克電壓值：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。
4. 一種多通道熱電偶溫度採集方法，利用依次連接的一個熱電偶、一個電路板、一個類比數位轉換裝置、一個資料處理器及一個電腦採集待測物體的實際溫度，所述電路板上焊接有一個補償感溫器，該方法包括步驟：熱電偶測量至少兩個待測物體的類比電壓值；提供一塊熱等溫塊於電路板上，使得熱電偶至少兩個熱偶接頭的冷接點達到等溫，由溫度-電壓轉換公式可得所述冷接點的電壓值相同； 補償感溫器測量熱電偶的冷接點的電壓值，該電壓值為類比電壓值；所述類比數位轉換裝置將所述至少兩個待測物體的類比電壓值以及所述冷接點的類比電壓值轉換為數位電壓值，並對轉換後的待測物體的數位電壓值及冷接點的數位電壓值進行校正；所述資料處理器根據電壓-溫度轉換公式將所述冷接點的數位電壓值轉換為冷接點溫度值，計算冷接點溫度值的偏移量，並根據所述偏移量對所述冷接點溫度值進行補償；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每個待測物體的數位電壓值進行冷接點補償；及將每個補償後的待測物體的數位電壓值轉換為待測物體的實際溫度值。
5. 如專利申請範圍第4項所述之多通道熱電偶溫度採集方法，所述類比數位轉換裝置包括至少兩個類比數位轉換通道，分別採集熱電偶所測量的待測物體的類比電壓值，以及補償感溫器所測量的冷接點的類比電壓值。
6. 如專利申請範圍第4項所述之多通道熱電偶溫度採集方法，所述步驟將補償後的待測物體的數位電壓值轉換為待測物體的實際溫度值包括：將所述校正後的待測物體的數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數位電壓值V1，計算熱電偶所採集的待測物體而產生的塞貝克電壓值：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。