TWI635263B - 用於三維溫度梯度之多通道熱電偶補償 - Google Patents

用於三維溫度梯度之多通道熱電偶補償 Download PDF

Info

Publication number
TWI635263B
TWI635263B TW103107942A TW103107942A TWI635263B TW I635263 B TWI635263 B TW I635263B TW 103107942 A TW103107942 A TW 103107942A TW 103107942 A TW103107942 A TW 103107942A TW I635263 B TWI635263 B TW I635263B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
temperature
thermocouple
electrical connector
terminal
item
Prior art date
Application number
TW103107942A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201506368A (zh
Inventor
佛瑞德 丹尼斯 依格萊
約翰 迪斯汀弟
彼得 諾頓
安德烈 王
Original Assignee
蘭姆研究公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 蘭姆研究公司 filed Critical 蘭姆研究公司
Publication of TW201506368A publication Critical patent/TW201506368A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI635263B publication Critical patent/TWI635263B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/10—Arrangements for compensating for auxiliary variables, e.g. length of lead
    • G01K7/12—Arrangements with respect to the cold junction, e.g. preventing influence of temperature of surrounding air
    • G01K7/13—Circuits for cold-junction compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/02—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers
    • G01K1/026—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers arrangements for monitoring a plurality of temperatures, e.g. by multiplexing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/023—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples provided with specially adapted connectors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
  • Details Of Connecting Devices For Male And Female Coupling (AREA)

Abstract

茲提供使用熱電偶的方法。該方法包括但不限於將至少一溫度感測器設置於用以接收熱電偶信號之電連接器的二或更多對應部分各者，在該二或更多部分測量溫度，及基於具有所設溫度感測器之二或更多對應部分的所測溫度值，計算電連接器之各端子的溫度。該方法亦包括但不限於基於端子之所測溫度值、所計算溫度值或前述兩者，計算載有熱電偶信號之至少一熱電偶通道的端子的冷接點溫度。

Description

用於三維溫度梯度之多通道熱電偶補償
本發明係大致關於溫度量測與熱電偶元件的領域。詳細而言，本發明係關於一種新穎技術，其能有效判定多通道端子配置中的熱電偶冷接點溫度。
熱電偶是用於測量溫度的元件，是較為多用途的溫度感測器的一種。這些溫度感測器或轉換器通常耐用且不貴，且可用各種金屬製造。熱電偶可用於測量各種應用與環境中相對廣泛之溫度(如-200度C至2600度C)。通常，熱電偶運用的原理為，當沿著導體長度有溫度梯度時，會發生電壓電位。
熱電偶元件的形成為，將二種相異金屬的導體或金屬線接合，形成二金屬線的節點，稱作測量接點(或感測接點等)。雖然幾乎任何兩種金屬可用來製造熱電偶線，一般會使用某些標準類型，因為其會輸出可預測的電壓，且能處理高溫度梯度。可用的數種熱電偶會冠上大寫英文字母，表示其組成係根據美國國家標準協會(ANSI)的慣例。例如，J型熱電偶具有鐵導體與康史登銅(銅鎳合金)導體。
熱電偶測量接點可被裝入感測器探針，例如，將探針放置於要測量溫度的點(即溫度源)。原理上，當測量接點的溫度隨溫度源變化時，溫度梯度會(沿著金屬線)形成在測量接點與兩條金屬線之相對自由端之間。其優點為，可 預測熱電電壓會作為此溫度梯度的函數而產生。考量二條相異金屬線的組成，此產生的熱電電壓(有時稱作「西貝克」(Seebeck)電壓)可與沿著金屬線的溫度梯度有關聯。此溫度梯度與一參照或「冷」接點溫度加總，得到所測來源的溫度。熱電偶量測通常需要感測或判定熱電偶線連接到電壓量測系統的參照溫度(冷接點溫度)。
製造時，熱電偶線的二自由端可在電壓測量儀器(如類比數位儀器、電壓計、控制儀器、溫度控制模組等)連接，以測量熱電電壓。此二金屬線之連接到電壓測量儀器係利用電連接器完成。電連接器是利用機械組件將電路接合成一介面的電氣機械裝置。利用電連接器形成的連接可以是暫時性的，如用於可攜式設備，需要工具來組裝與移除，或作為二條金屬線或元件之間的永久電接點。電連接器有數百種，包括如端子塊、端子柱、捲曲連接器、絕緣置換連接器、插頭與插座連接器、刀鋒式連接器及環與鏟形端子。有時，電連接器分為兩部分，各部分與二條線或元件中一者連接以彼此連接。有時，電連接器的二個部分形成公/母端配置。
當熱電偶線的二自由端在電壓測量儀器(如類比數位儀器、電壓計、控制儀器、溫度控制模組等)連接以測量熱電電壓時，熱電偶線的二自由端利用如端子塊的連接器連接至電壓測量儀器，並形成熱電偶線的第二接點，稱作參照接點(或冷接點)。此二線在連接器的連接形成線的第二接點，稱作參照接點(或冷接點)。「冷接點」一詞來自將此參照接點固持在冰水中使其維持零度C的傳統技藝。然而，對多數測量應用，維持冰水並不實際。因此，熱電偶線連接到測量儀器的連接點的實際溫度受到測量並記錄。如前述，冷接點可以形成在將熱電偶線二自由端連接至電壓測量儀器的電連接器。有時，電連接器以及因此冷接點是單一物件，如與端子塊一起時，而另外時候，電連接器與冷接點可以 分為二或更多物件或部分，各部分連接至二條金屬線或元件中一者而將被彼此連接。
通常，冷接點溫度可由熱阻器或其他溫度感測器或元件感測，如半導體溫度感測器，其與測量儀器的輸入連接器有相對良好的熱接觸。再次地，此第二溫度讀數，即冷接點溫度，係被測量儀器用來計算熱電偶端(即所測接點)的真正溫度。
總結來說，要在二金屬線的測量接點判定來源(即零組件、製程、系統、設備等)的測量溫度，基於所測電壓的所計算溫度梯度加總到在電壓測量儀器或端子塊的冷接點溫度(如由熱阻器測出)。因此，在操作時，熱電偶藉由產生與在二相異金屬的測量接點與冷接點之間的溫度差異成正比的電壓(如毫伏特)來測量溫度。針對溫度變化較小時，電壓與溫度差異成實質線性正比。針對溫度變化相對較大時，其關係可能會是非線性。
對於精確溫度量測的應用的需求不斷高漲，且同時也不斷需要成本降低，冷接點溫度量測甚為棘手。在各種設定中，冷接點溫度的量測錯誤會造成來源溫度的量測錯誤。一般會使用準確但昂貴的技術為，將高準確度的熱阻器固定在各端子或含有二端子的通道。較不昂貴但也較不準確的方式是單一積體電路感測器。有一個特別的問題是針對具有多重部分的電連接器。例如，電連接器可以有第一部分與第二部分，第一部分連接至裝入外罩的電路板，第一部分的一部分甚至可從電路板延伸而穿出外罩，第二部分與第一部分分離且在外罩外且遠離電路板之處連接第一部分。
相對顯著的溫度梯度可存在於跨電連接器的兩個部分，包括與電路板在外罩內連接的第一部分，其並在外罩內零組件與位於外罩外環境中的第二部分之間連接。因此，對於在具有多個部分的電連接器中符合成本效益且準確地測量冷接點溫度便有需求。
本發明由後附的申請專利範圍所定義，在本部分中不應被視為申請專利範圍的限縮因素。
在一態樣中，提供使用熱電偶的方法。該方法包括但不限於將至少一溫度感測器設置於用以接收熱電偶信號之電連接器的二或更多對應部分各者，在該二或更多部分測量溫度，及基於具有所設溫度感測器之二或更多對應部分的所測溫度值，計算電連接器各端子的溫度。該方法亦包括但不限於基於端子所測溫度值、所計算溫度值或前述組合，計算載有熱電偶信號之至少一熱電偶通道的端子的冷接點溫度。
在一態樣中，提供一種在來源處測量參照屬性的方法。該方法包括但不限於將至少一測量元件設置於用以從來源接收測量信號之電連接器的二或更多對應部分各者，在該二或更多部分上測量參照屬性，及基於具有所設測量元件之二或更多對應部分的所測參照屬性，計算電連接器之各端子的參照屬性。該方法亦包括但不限於基於端子之所測參照屬性、所計算參照屬性或前述組合，計算載有測量信號之至少一通道的端子的整體參照屬性。
在一態樣中，提供有在來源處測量溫度的設備。該設備包括但不限於設置在來源並經由第一與第二線路與參照接點連接的熱電偶測量接點，以及位於參照接點的電連接器。電連接器包括第一與第二部分。第一部分與參照接點連接，第二部分可移除地與第一部分連接。該設備亦包括但不限於設置於用以接收熱電偶信號之電連接器的二部分各者的至少一溫度感測器。該二部分的溫度可用溫度感測器測量。電連接器的各端子的溫度可基於二溫度感測器之所測溫度值計算。載有熱電偶信號之至少一熱電偶通道的端子的冷接點溫度可 基於端子所測溫度值、所計算溫度值或前述組合計算。
10‧‧‧電連接器
11‧‧‧第一部分
13‧‧‧第二部分
12、12’、12”‧‧‧列/階層
14、14’、14”‧‧‧列/階層
16、16’、16”、16'''‧‧‧端子
18‧‧‧端子/連接器
20‧‧‧外罩
23‧‧‧開口部
24‧‧‧熱電偶
25‧‧‧溫度感測器
26‧‧‧金屬線
27‧‧‧電路板
28‧‧‧金屬線
30‧‧‧鞘/探針
32‧‧‧測量接點
34‧‧‧來源
35‧‧‧外罩
37‧‧‧電路板
38‧‧‧底部
39‧‧‧電路
41‧‧‧溫度感測器
42‧‧‧寬度
43‧‧‧溫度感測器
44‧‧‧長度
46‧‧‧高度
48‧‧‧溫度模組
60‧‧‧連接器
70‧‧‧溫度
72‧‧‧電壓
74‧‧‧端點
76‧‧‧端點
80‧‧‧熱電偶組件
82‧‧‧端子塊
84‧‧‧端子
86‧‧‧端子
88‧‧‧熱阻器
90‧‧‧熱阻器
92‧‧‧溫度
94‧‧‧溫度
96‧‧‧伏特計
98‧‧‧導線
100‧‧‧導線
102‧‧‧接點
104‧‧‧接點
106‧‧‧電壓
110’、110”‧‧‧端子條/階層
112’、112”‧‧‧端子
116‧‧‧端部
117‧‧‧端部
118‧‧‧端部
119‧‧‧端部
120‧‧‧溫度
122‧‧‧溫度
124‧‧‧溫度
125‧‧‧溫度
150‧‧‧方法
152‧‧‧方塊
154‧‧‧方塊
156‧‧‧方塊
158‧‧‧方塊
160‧‧‧方塊
參照以下說明及圖式能較佳理解本發明。圖中的零組件並不一定具比例，而是強調本發明的原理。
圖1A~1D是根據本發明一實施例繪示之至少一熱電偶的電連接器的各平面圖。
圖1E是根據本發明一實施例繪示的設於電路板上電連接器的第一部分。
圖2是根據本發明一實施例，繪示包含圖1E之電連接器之第一部分的例示性電路板的立體圖，電連接器之第一部分設於外罩內，且電連接器的第二部分位於外罩外且連接至第一部分。
圖3是根據本發明一實施例繪示之具有二相異金屬的接點的例示性熱電偶的示意圖。
圖4是根據本發明一實施例繪示之具有圖3之熱電偶、端子塊及伏特計的熱電偶系統的示意圖。
圖5是根據本發明一實施例繪示之熱電偶的端子條或端子塊的示意圖。
圖6是根據本發明一實施例繪示之計算所測熱電偶溫度的方法的方塊圖。
本發明係利用以下發現：在用以接熱電偶信號的電連接器的二或更多部分的各部分設置至少一溫度感測器，接著藉由利用溫度感測器在各部分 測量溫度，可以為具有熱電偶信號的至少一熱電偶通道計算電連接器的冷接點溫度，如此達到可靠且具成本效益的方式。
茲參照圖1A~1E與2，其繪示例示性多通道或多階層電連接器10。電連接器10是電氣機械元件，用以藉由機械組件將電路接合成為一介面。利用電連接器10形成的連接可以是暫時性的，如為可攜式設備所用，需要工具來組裝及移除，或作為二條金屬線或元件之間的永久電接合。電連接器10有數百種，包括如端子塊、端子柱、捲曲連接器、絕緣置換連接器、插頭與插座連接器、刀鋒式連接器及環與鏟形端子。一實施例中，電連接器10分為二個部分，第一部分11及第二部分13。較佳地，各部分11與13係連接到將被彼此連接的金屬線的一者。較佳地，電連接器10的二部分11與13形成公/母端的配置。
參照圖2，較佳地，電連接器10具有數列或數階層12、14的端子或連接器18。在階層12、14各者上，有通常以元件符號18標示的端子或連接器，對於如熱電偶之單信號輸入元件通常每通道有二端子。例如，端子#0與#1為通道1所用，端子#2與#3為通道2所用，如此類推。較佳地，若電連接器具有二部分11與13，那麼第一部分11具有階層12’與14’，階層12’與14’與形成在第二部分13上的互補階層12”與14”接合及/或插接(mate)，階層12’與14’包括與第二部分13上形成的端子16”接合及/或插接的端子16’。
如金屬線26、28的插入金屬線可進入第二部分13的外罩20，外罩20收納互補階層12”與14”。各插入金屬線被鉗在或被固定在端子16”。複數條插入金屬線可來自各種元件，並輸入到電連接器10。此範例中，所示二條金屬線係針對熱電偶24。如下文，熱電偶24通常具有二條相異金屬線26與28，且可在二條金屬線26、28的測量接點32具有保護鞘或探針30。熱電偶24的端點，稱作熱電偶測量接點，可被裝入位於來源34的感測器探針30內，以測量來源34的溫度。
插入金屬線進入電連接器10，詳細而言是在開口部23進入第二部分13的外罩20。較佳地，溫度感測器25的位置與第二部分13的外罩20相鄰，或更加地，該位置是在外罩20上，或最佳地，該位置在外罩20內，以測量第二部分13的溫度。一實施例中，溫度感測器25位於電路板27上，經由電路板27，插入金屬線26、28可位於電路板27上、接近電路板27或穿過電路板27。較佳地，溫度感測器25的位置接近插入金屬線26、28，以在電連接器10的第二部分13得到對插入金屬線26、28之連接點的溫度的準確測量值。較佳地，溫度感測器25的位置接近插入金屬線26、28連接連接器端子14”與16”之處，即冷接點所在位置，以得到冷接點溫度的準確測量值。較佳地，感測器25連接到一個或一對連接器端子，以從感測器25輸出信號到控制器，控制器較佳位於電路板37。
一實施例中，插入金屬線26、28是在開口部23進入電連接器10之第二部分13的熱電偶金屬線26、28。二條金屬線26與28的參照接點或冷接點形成在電連接器10，詳細而言，是形成在第二部分13之連接器端子14”與16”接合及/或插接熱電偶金屬線26、28的點上。第一部分11可以部分地或幾乎全部地被收納於含有電路板37的外罩35中，電路板37具有電路39，電路39較佳用來幫助判定於熱電偶24所測的溫度，以及傳送如在熱電偶24所測之溫度的資訊至其他元件，如其他機器或處理控制器。第二部分13可以部分地或全部地被收納在外罩35之外。外罩35內且因此位於第一部分11之端子16’的第一溫度可與外罩35外的第二溫度有很大差異，因為外罩35外的環境可不同於外罩內的環境。
因此，為了判定在具有二或更多部分之電連接器10終結之一對熱電偶金屬線26與28的冷接點溫度，第二溫度感測器41，較佳地與第三溫度感測器43位於外罩35內。較佳地，第二與第三溫度感測器41與43沿著第一部分11的端子16’一側設置。如圖2所示，一實施例中，第二與第三溫度感測器41與43沿著第一部分11之端子16’的一側設置在電路板37上。
類比數位輸出可從電路板37的電連接器10的第一部分11離開電連接器10，較佳地在連接端子16’到電路板37的介面端子16'''離開。較佳地，類比數位輸出可從第一部分10離開電連接器10而進入控制系統或電子元件，如以下所述。一實施例中，控制系統或元件位於電路板37上，在另一實施例中，控制系統或元件位於電路板37之遠端。應了解到，電連接器10僅具例示性，各種具有位於外罩35內之第一部分11及至部分少位於外罩35外之第二部分13的電連接器10可適用於本發明之技術。對於圖中之實施例，多階層電連接器10之第一部分11的底部38可設置到電子基板，如電路板37(如經由接腳或介面端子16''')、儀器匯流排、輸入/輸出元件、其他溫度模組零組件等。再者，端子16與階層12、14可提供不同功能，如電源連接、輸入/輸出、共接點連接、機殼接地等。
多階層電連接器10可單獨運用做為熱電偶系統的一部分，或可與機器監視及保護系統一同運用，設計為分散式網路的模組而設於開放式工業標準匯流排，如此類推。例如，電連接器10可以是智慧型多通道溫度監視器的一部份，在一封裝中。再者，電連接器10可用於阻抗溫度偵測器(RTD)、隔離的熱電偶、接地的熱電偶等。特定應用中，電連接器10可整合入標準工業匯流排系統，如Device Net。其他應用中，模組可設有各通道的標準4~20毫安輸出。再者，需要整合繼電器的應用可經由如模組連接與延伸繼電器模組來設置。總結來說，作為溫度模組之一部分的電連接器10可自行運作，對更高階控制系統沒有介面或沒有互動式使用者介面，或是做為溫度模組的一部分的電連接器10可設置於如標準或專屬Device Net網路，其中作為溫度模組之一部分的電連接器10可提供即時數據與資訊給其他模組、可編程邏輯控制器(PLC)、分散式控制系統(DCS)、狀況監視系統等。設定可在遠端形成，如經由如Device Net網路或連接到溫度模組上整合序列介面的個人電腦。對於近端設定，序列設定工具被裝於繼電器模組。
通常需要電連接器10的溫度(冷接點溫度)來計算由熱電偶24所測量之來源34的溫度。對需求較低的應用中，單一溫度感測器如熱阻器或半導體溫度感測器等，可設在電連接器10上任一處，以給出整個電連接器10的單一溫度值，其假設為電連接器10於實質均溫狀況下運作。然而，在一般需求逐漸增加的應用中，在各端子16或各對端子16’與16”需要相對準確(且精確)的溫度量測。的確，電連接器10的非均溫行為，尤其沿著多通道可穿過的階層12與14，以及在電連接器10之多個部分11與13之間，如果在每個階層12、14或每個部分11、13只使用一個熱電偶24，通常很顯著而造成各來源34的溫度量測錯誤。通常，沿著電連接器10的寬度42、長度44或高度46上會存在溫度差異。因此，一昂貴的作法是，將如熱阻器之溫度感測器設於各端子16，以提供準確參照或冷接點溫度。此昂貴的作法可避免冷接點溫度的測量錯誤，因此避免從熱電偶端(測量接點)所測溫度的相關錯誤。一較不昂貴的作法是，在電連接器10的各部分11與13裝設溫度感測器，亦即，沿著電連接器10的高度46多點裝設，且較佳地，沿著電連接器10的長度44的多個位置上裝設溫度感測器。一實施例中，溫度感測器可設於沿著電連接器10的寬度42的多個位置。利用在沿著電連接器10的高度46、長度44及/或寬度42之多個位置上設置的溫度感測器之間使用內插法，電連接器10內各端子16的冷接點溫度可被準確判定出。較佳地，溫度感測器裝係沿著電連接器10的高度46、長度44及/或寬度42設於電連接器10內，接近或位於階層12、14的各端，且較佳設於各階層12、14。
圖2是包含圖1A~1E之多階層電連接器10的例示性溫度模組48的簡化立體圖。例示性溫度模組48可代表如美國Fremont之LAM Research Corporation製造的LTC24溫度模組。然而，應可了解到，本發明技術可用於各種其他電連接器10、輸入/輸出元件等。再者，本發明技術可用於除熱電偶之外，需要端子或 末端點之參照屬性(如溫度、壓力、流量等)的各種測量元件(如阻抗溫度偵測器、差壓元件等)。
在例示性溫度模組48中，電連接器10可耦合至電路39的輸入/輸出模組，其可包含執行與某應用有關之特定功能所需的匯流排介面與電路。電連接器10(如圖1所示)可設於基座單元(未繪示)或電路板37，或可與也包括輸入/輸出模組或電路39的基座單元(未繪示)或電路板37一體成形。亦在例示性模組48中，電連接器10與電路板37可容納熱電偶的終端配線、毫伏特輸入等。端子16'''可設置來與電路板37通聯及/或形成介面。電路板37可包括各種零組件與元件。再者，基座單元(未繪示)或電路板37可包括槽及/或鎖固舌片，以將Deutsches Institut für Normung(DIN)軌道或其他元件與連接部設於及/或鎖固於基座單元(未繪示)或電路板37。如RJ45連接器的連接器60可為端子基座單元或電路板37所用。在所示實施例中，連接器60是母端RJ45連接器。然而，應可理解到，也可包含公端連接器，且各種連接器可以不同定向沿著端子基座單元或電路板37的不同位置設置。
在一實施例中，第一與第二溫度感測器25、41，較佳為熱阻器，設於電連接器10的二或更多個對應的部分11、13，電連接器10用以經由金屬線26與28自熱電偶24接收測量信號(即熱電偶信號)。較佳地，第三溫度感測器43沿著第二溫度感測器41的一側設置，其兩者係位於第一部分之階層12’的一側，或是較佳在其各端。溫度感測器25、41與43用以測量電連接器10內三個不同點上的冷接點溫度：二個點(感測器41、43)在電連接器10的長度44不同處，二個點(感測器41或43與感測器25)在電連接器10的高度46不同處。較佳地，感測器41與43分別位於編號7與0之端子16’的一側。當然，可用超過三個溫度感測器，且可測量在各不同端子16’與16”的溫度。較佳地，若溫度感測器是熱阻器，各熱阻器 的阻抗元件與鉗或其他元件形成介面，以測量端子16內與鉗或其他元件接合之熱電偶金屬線的溫度。
前述特徵部可為溫度模組48所用。例如，模組48可用以測量RTD或隔離熱電偶其中一者，或設計來特別用於不論是隔離或是接地的熱電偶量測。對於無法直接經由匯流排(如Device Net)整合入溫度模組48的應用，模組對各通道可具有標準4~20毫安的輸出。溫度模組48可自行運作，沒有與更高階層控制系統的介面或互動式使用者介面，或溫度模組48亦可設於標準或專屬Device Net網路，其中溫度模組48可提供即時數據與狀態資訊到其他溫度模組、PLC、DCS及狀況監視系統。如前述，設定可以經由網路在遠端執行，或經由連接至整合序列介面之個人電腦在近端執行。且再次地，電連接器10上的端子16可用於電源連接、冷接電連接、機殼接地、輸入/輸出共線等。再者，溫度模組48可菊鍊連接至額外模組。
圖3繪示圖1所示之例示性熱電偶24的基本概念。當分別位於金屬線26、28內之二相異金屬(金屬A與金屬B)之間的接點32遇熱或遇冷時，斷路電壓72(亦稱作Seebeck電壓72)產生為接點32之溫度TM 70的函數。所示實施例中，來源34(熱或冷)的溫度正被測量。對相對接近來源34的測量接點32(或探針)，溫度TM 70應與來源34的溫度實質相同。所示來源34可代表任何溫度要被測量的熱源、環境源或冷源。再者，雖然幾乎任何二種金屬都可使用來製造電熱偶，會使用某些標準類型，因為其處理可預測輸出電壓與高溫度梯度。例如，對於K型熱電偶，其為一種常見熱電偶，一金屬線26包括鎳鉻金屬，另一金屬線28包括鎳鋁金屬。可產生標準表格來表示熱電偶在任一給出溫度所產生的電壓。例如，在K型熱電偶中，300度C時產生的電壓為12.2毫伏特。要測量此範例中的電壓，金屬線26、28的分別端點74、76分別連接至圖1C中的端子8與9。電壓72可轉換成接點32的溫度TM 70，該溫度表示正被測量之來源34的溫度。電壓72隨所測量 或感測之接點32的溫度變化。因此，二相異金屬26與28之間的Seebeck電壓72(或斷路電壓72)係用來計算所測溫度TM。例如，二相異金屬(金屬A與金屬B)可收納入探針牆(probe wall)。熱電偶可以是「極軟」(dead)裸線熱電偶，其低成本且反應時間快，或熱電偶可以是建構於探針中。探針有多種可使用，可適用於不同測量應用(工業、科學、食物溫度、醫療研究等)。常用的探針連接器標準圓針及迷你型平針。
因此總結來說，熱電偶測量溫度的方式為，產生與二相異金屬之接點之間之溫度差異成正比的毫伏特信號。一接點通常被收納入感測器探針而位於測量點，另一接點連接至測量或控制儀器。因為環境溫度會在測量儀器所處(通常是冷接點)之場地或控制室中變化，由熱電偶產生之實際毫伏特信號會因而起伏，造成「冷接點錯誤」。了解此冷接點補償係為重要，因為冷接點測量的錯誤會導致熱電偶端(測量接點)之所測溫度的錯誤。測量儀器亦應容忍熱電偶的輸出通常在所測溫度之相對廣泛的範圍中是非線性的。例如，溫度與輸出電壓的關係可以是複雜多項方程式，依熱電偶的類型而有不同。多項式的係數可依不同類型的熱電偶以表格呈現，以接受電壓與溫度關係之非線性的行為。
圖4繪示具有熱電偶24的熱電偶組件80，金屬線26、28連接至具有端子84、86的端子塊82。二個端子84、86形成為熱電偶24的單一通道。端子84、86的溫度是需用於計算所測溫度70的冷接點(參照)溫度。熱阻器88、90的阻抗是溫度的函數，此等熱阻器用以測量參照(冷)接點的絕對溫度。圖中繪示分別位於端子1(84)與2(86)的溫度92、94。對於相對小的溫度範圍，可用各種其他溫度感測器，如二極體或電晶體接點、熱阻器、正或負溫度係數電阻器等。端子塊82經由導線98、100連接至伏特計96，導線98、100在接點102、104連接至伏特計96。伏特計測量電壓106以最終給出Seebeck電壓72而得到所測溫度70。
圖5是具有端子112’與通道114之電連接器的第一部分內的端子條或階層110’的示意圖。端子條或階層110’繪示為具有可持續或停止的端部116與118。在所示實施例中，溫度感測器設於端子1、6與12，以分別給出溫度T1 120、T2 122與T3 124。此範例中，溫度感測器不裝設於12個端子中之剩餘者上。反而是，剩餘端子2、3、4、5、7、8、9、10、11的溫度值利用所測溫度值120、122、124來進行內插法得到。因此，例如，通道1的冷接點溫度從端子1之所測溫度值與端子2之內插溫度值平均後得到。另一範例為，針對通道2的冷接點溫度，對端子3、4的溫度內插值進行平均。因此，利用此範例中設於端子條或階層110的僅二或三個溫度感測器，所有六個通道的冷接點溫度可準確判定，避免了若在各端子設置熱阻器或其他溫度感測器時，需要額外九個熱阻器的成本。較佳地，第二端子條或階層110”位於具有端子112”與通道114之電連接器的第二部分內。端子條或階層110”繪示為具有可持續或停止的端部117與119。在所示實施例中，至少一額外溫度感測器裝設於(或裝設接近)第二端子條或階層110”，以給出溫度T4 125。接著可在先前的三個溫度T1~T3與第三個溫度之間又進行內插法，以更準確地判定組成端子對112’與112”之各端子的冷接點溫度。
此技術可用於各種電連接器。此範例中，熱電偶輸入通道連續位於端子塊的單一階層，因此落在單一軸上。因為其沿著單一軸設置，且因為端部到端部之間的總距離相對小(如少於三英寸)，依環境不同，端子的溫度分布主要有四種基本形狀。
可用韌體演算法判定各個通道溫度，韌體演算法可用如三乘以二查找表上的線性或非線性(如對數函數)，其具有三個端子位置作為X軸及三個對應溫度作為Y軸。對內差的輸入可以是通道的數學位置。例如，對於有六通道的元件，在端子塊上依順序編號為1至12，通道1位於端子1與2，通道2位於端子3與4，如此類推。對於用來判定通道2之冷接點溫度而位於端子1、6、12之例示 性位置上的感測器(如熱阻器)，對內插方式之輸入可以是如「3.5」，其代表端子3與4之平均或結合溫度。
一實施例中，作為來源34之實際物理溫度的補償溫度(Tcomp)以作為由探針在來源34測量之表徵測量溫度(Tmeas)、三個溫度感測器41、43、25各者的溫度(分別為CJC1、CJC2、CJC3)、針對至少一個熱電偶通道的通道號碼(ch)、熱電偶通道的最大數量(maxch)及校正發生之溫度感測器的溫度(Tcal)乘以比例因子k的函數判斷出。校正發生之溫度感測器的溫度(Tcal)是儀器組件48的製造商在作為製造程序之最後步驟且測試儀器時執行儀器校正時感測器的溫度。一實施例中，補償溫度計算方式為：Tcomp=Tmeas-(CJC1+(CJC2-CJC1)*(1-(ch/maxch))+k*(CJC3-Tcal))。
圖6是判定熱電偶之冷接點與所測溫度的方法150的方塊圖。對於具有數個端子的端子塊或端子條，較佳者為，電連接器10的二或更多個部分的溫度，較佳地在電連接器10之二或更多個端子上的溫度，以如熱阻器之一或多個溫度感測器測量(方塊152)。所剩端子的溫度值由基於二或更多端子上之所測溫度之內插法及/或外插法判斷(方塊154)。內插法及/或外插法可具各種形式，如對數、線性等。所有的溫度值，不管是測量的或是經由內插計算出的，可放在一查找表中，如元件符號156所指。可找出查找表中的這些溫度值，將之平均後得到所針對通道的冷接點溫度(方塊158)。接著便用冷接點溫度來計算在各熱電偶在對應來源的所測溫度(方塊160)。換言之，基於經由冷接點溫度量測之Seebeck電壓的計算值，可對各熱電偶計算所測溫度(方塊160)。
如在此所述，「大約」、「約」、「實質」等詞欲意為意思廣泛，與本揭露之相關發明之熟知技藝者的共通與慣用語符合，且在一非限定之實施例中，這些詞定義為在10%之內，在另一實施例中，在5%之內，又在另一實施例中，在1%之內，而又其他實施例中，在0.5%之內。習知技藝者應了解到，看 了本揭露後，這些詞用以描述特定特徵部，且專利申請範圍中不受這些描述有精確數字範圍的特徵部之限制。據此，這些詞的解釋應為，表示對於所述與在申請專利範圍中的標的，其非實質或不造成重大影響之修改與變化，應被認為是落入隨附申請專利範圍中所載之本發明的範圍。
「耦合」、「連接」等詞在本文中指將二個元件直接或間接地結合起來。此結合可以是靜態(如永久)或可移動的(如可動或可釋放的)。此結合可由二元件達成，或由二元件與任何額外中間元件以與彼此或與該二元件一體成形達成，或由二元件與任何額外中間元件彼此接附達成。本文中所指之元件位置(如「上」、「下」、「之上」、「之下」等)僅用來描述圖式中的各元件的定向。應了解到，依其他例示性實施例各元件的定向可有不同，且如此變化欲意被本揭露所涵蓋。
本揭露之摘要係使讀者快速了解本揭露的技術性質。其提交不會被用來解釋或限縮申請專利範圍的範圍或意思。此外，前述發明說明中，可見到各種特徵部被集合在各種實施例中，使本揭露更為流暢。此揭露方法不應被解釋為欲意申請專利範圍各項需要比所載更多的特徵部。反而是，如以下申請專利範圍所呈現的，本發明標的少於單一揭露之實施例的所有特徵部。因此以下申請專利範圍在此被納入發明說明中，各請求項自行有其所主張之標的。雖在此已描述本發明數種實施例，習知技藝者應了解到，在本發明範圍內尚可以有其他實施例與實施方式。據此，除了隨附之申請專利範圍與其均等範圍外，本發明不受限縮。

Claims (17)

  1. 一種使用熱電偶的方法，包含：在用以接收熱電偶信號之電連接器的二或更多對應部分的各部分上設置至少一溫度感測器；測量該二或更多部分處之溫度，其中至少一部分為在一外罩內，且至少另一部分為至少部分在該外罩外；基於具有所設溫度感測器之該二或更多對應部分的所測溫度值，計算該電連接器之各端子的溫度，其中該等溫度感測器的各者係電連接至各端子，其中該電連接器具有較溫度感測器更多的端子；及基於該等端子之所測溫度、所計算溫度或前述組合，計算載有該熱電偶信號之至少一熱電偶通道的端子的冷接點溫度。
  2. 如申請專利範圍第1項之使用熱電偶的方法，包含基於該至少一熱電偶通道之冷接點溫度，判定由熱電偶所測之來源的溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項之使用熱電偶的方法，其中該計算各端子的溫度的步驟包含內插法、外插法或前述組合。
  4. 如申請專利範圍第1項之使用熱電偶的方法，其中該溫度感測器包含熱阻器或半導體溫度感測器。
  5. 如申請專利範圍第1項之使用熱電偶的方法，其中計算各端子的溫度之步驟包含非線性計算。
  6. 如申請專利範圍第1項之使用熱電偶的方法，包含將各端子所測與所計算之溫度值放入查找表。
  7. 如申請專利範圍第6項之使用熱電偶的方法，其中該計算至少一熱電偶通道之冷接點溫度的步驟包含從該查找表中找出溫度值。
  8. 如申請專利範圍第1項之使用熱電偶的方法，其中該電連接器的第一部分包含複數個熱電偶連接器，其中各熱電偶連接器接收離散熱電偶信號，其中該設置溫度感測器的步驟包含沿著該電連接器的第一部分設置二個溫度感測器，該二個溫度感測器各者設置於接近不同的熱電偶連接器，其中該設置溫度感測器的步驟亦包含在該電連接器的第二部分設置第三溫度感測器，且其中該電連接器的第一部分與該電連接器的第二部分分離。
  9. 如申請專利範圍第8項之使用熱電偶的方法，其中該電連接器的第一部分設於該外罩內的電路板上，其中該第一部分的一部分延伸出該外罩，且該電連接器的第二部分用以連接該第一部分延伸出該外罩的該部分。
  10. 如申請專利範圍第9項之使用熱電偶的方法，其中沿著該電連接器的第一部分所設置的該二個溫度感測器係沿著該電連接器的第一部分的側邊設置在該電路板上。
  11. 如申請專利範圍第10項之使用熱電偶的方法，其中沿著該電連接器的第一部分所設置的該二個溫度感測器容許沿著該電路板的平面上之冷接點溫度的內插法，且該第三溫度感測器容許橫跨由該外罩形成之面板邊界之冷接點溫度的內插法。
  12. 如申請專利範圍第10項之使用熱電偶的方法，更包含判斷補償溫度(Tcomp)，該補償溫度是所測溫度(Tmeas)、三個溫度感測器各者的溫度(CJC1、CJC2、CJC3)、針對至少一個熱電偶通道的通道號碼(ch)、熱電偶通道的最大數量(maxch)、及乘以比例因子k之校正發生之該溫度感測器的溫度(Tcal)的函數。
  13. 如申請專利範圍第12項之使用熱電偶的方法，其中該補償溫度以下列算式計算：Tcomp=Tmeas-(CJC1+(CJC2-CJC1)*(1-(ch/maxch))+k*(CJC3-Tcal))。
  14. 一種測量來源處之溫度的設備，包含：熱電偶測量接點，設置於該來源，並經由第一及第二線路與參照接點連接；電連接器，位於該參照接點，其中該電連接器包括第一及第二部分，且其中該第一部分與該參照接點連接，且該第二部分可移除式地與該第一部分連接，其中該第一部分為在一外罩內，且該第二部分為至少部分在該外罩外；至少一溫度感測器，設置於用以接收熱電偶信號之該電連接器的該二部分之各者，其中在該二部分的溫度可用該等溫度感測器測量，其中在該電連接器的各端子的溫度可基於該二溫度感測器的所測溫度值來計算，其中該等溫度感測器的各者係電連接至各端子，其中該電連接器具有較溫度感測器更多的端子，且其中載有該熱電偶信號之至少一熱電偶通道的端子的冷接點溫度可基於該等端子之所測溫度值、所計算溫度值或前述組合來計算。
  15. 如申請專利範圍第14項之測量來源處之溫度的設備，其中由一熱電偶所測量之該來源的溫度可基於該冷接點溫度計算。
  16. 如申請專利範圍第14項之測量來源處之溫度的設備，其中各端子的溫度可用內插法、外插法或前述組合計算。
  17. 如申請專利範圍第14項之測量來源處之溫度的設備，其中該溫度感測器包含熱阻器。
TW103107942A 2013-03-12 2014-03-07 用於三維溫度梯度之多通道熱電偶補償 TWI635263B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/797,091 2013-03-12
US13/797,091 US9279731B2 (en) 2013-03-12 2013-03-12 Multichannel thermocouple compensation for three dimensional temperature gradient

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201506368A TW201506368A (zh) 2015-02-16
TWI635263B true TWI635263B (zh) 2018-09-11

Family

ID=51501909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103107942A TWI635263B (zh) 2013-03-12 2014-03-07 用於三維溫度梯度之多通道熱電偶補償

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9279731B2 (zh)
KR (1) KR102110616B1 (zh)
CN (1) CN104048776B (zh)
TW (1) TWI635263B (zh)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9176010B2 (en) * 2010-08-31 2015-11-03 Streamline Automation, Llc Miniaturized thermocouple scanner system
DE102010052478B4 (de) * 2010-11-26 2013-09-19 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Elektrischer Streckenverbinder für Thermoelemente und Verfahren zu dessen Herstellung
US20140050248A1 (en) * 2012-08-15 2014-02-20 Bae Systems Controls Inc. I/o connector incorporating a cold junction
DE102014116051A1 (de) * 2014-11-04 2016-05-04 Endress + Hauser Wetzer Gmbh + Co. Kg Messanordnung umfassend ein erstes und ein zweites Paar von Thermodrähten
US11540358B2 (en) 2015-05-29 2022-12-27 Watlow Electric Manufacturing Company Modular heater assembly with interchangeable auxiliary sensing junctions
US10728956B2 (en) 2015-05-29 2020-07-28 Watlow Electric Manufacturing Company Resistive heater with temperature sensing power pins
KR101704222B1 (ko) * 2015-06-24 2017-02-08 엘에스산전 주식회사 열전대를 이용한 온도 측정 장치의 온도 드리프트 보정 방법
US10260960B2 (en) 2015-12-17 2019-04-16 Honeywell International Inc. System and method to mitigate abrupt environment temperature disturbances in cold junction of TC/RTD in control systems
CN105606244B (zh) * 2015-12-17 2018-03-16 西安交通大学 无温度补偿热电偶测温方法
KR102121545B1 (ko) 2016-05-27 2020-06-11 광동 오포 모바일 텔레커뮤니케이션즈 코포레이션 리미티드 배터리 보호 보드, 배터리 및 이동 단말기
EP3346524A1 (en) * 2017-01-09 2018-07-11 Samsung SDI Co., Ltd Battery module with thermocouple unit
GB2559987B (en) * 2017-02-23 2020-11-04 Bae Systems Plc Temperature measurement
WO2018154299A1 (en) * 2017-02-23 2018-08-30 Bae Systems Plc Temperature measurement
EP3367078A1 (en) * 2017-02-23 2018-08-29 BAE SYSTEMS plc Temperature measurement
JP6351914B1 (ja) * 2017-03-31 2018-07-04 三菱電機株式会社 温度測定装置
JP6973161B2 (ja) * 2018-02-21 2021-11-24 オムロン株式会社 温度測定装置、周囲温度測定方法、および、周囲温度測定プログラム
JP7374922B2 (ja) * 2018-04-11 2023-11-07 ワットロー・エレクトリック・マニュファクチャリング・カンパニー 温度センシング電源ピン及び補助センシングジャンクションを備えた抵抗ヒータ
US10852198B2 (en) * 2018-08-24 2020-12-01 Siemens Industry, Inc. Temperature sensor of thermal monitoring system for use in power distribution systems
CN109141665B (zh) * 2018-10-11 2024-04-19 绍兴鑫峰仪器科技有限公司 一种多点热电偶
US10846494B2 (en) 2019-01-03 2020-11-24 The Boeing Company Radio-frequency identification device for indicating a temperature history of a composite structure
CN110057461A (zh) * 2019-04-08 2019-07-26 上海工程技术大学 一种热电偶温度采集系统
CN112162186A (zh) * 2020-09-25 2021-01-01 华电(烟台)功率半导体技术研究院有限公司 一种自我校准的电力电子器件温度系数校准方法
US11946815B2 (en) * 2021-07-22 2024-04-02 Eurotherm Limited Removable PCB terminal block cold junction compensation
US20230087408A1 (en) * 2021-09-21 2023-03-23 Watlow Electric Manufacturing Company Thermocouple with built-in error compensation
DE102022129746A1 (de) 2022-11-10 2024-05-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit mehreren Thermoelementen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6425687B1 (en) * 1998-12-16 2002-07-30 Solartron Group Limited Cold junction compensation for multiple thermocouples
US20060067377A1 (en) * 2004-09-30 2006-03-30 Streicher Steven R Measurement of multi-channel cold junction temperature
TW201205053A (en) * 2010-03-31 2012-02-01 Microchip Tech Inc Thermocouple electromotive force voltage to temperature converter with integrated cold-junction compensation and linearization
CN102369422A (zh) * 2009-03-31 2012-03-07 罗斯蒙德公司 具有连接检测电路的热电偶温度传感器

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4147061A (en) * 1978-07-07 1979-04-03 Avco Corporation Thermocouple reference junction calibrator
US4403296A (en) * 1980-12-18 1983-09-06 Electromedics, Inc. Measuring and determination device for calculating an output determination based on a mathematical relationship between multiple different input responsive transducers
US4718777A (en) * 1986-02-28 1988-01-12 John Fluke Mfg. Co., Inc. Isothermal block for temperature measurement system using a thermocouple
US4804272A (en) * 1987-02-09 1989-02-14 Honeywell Inc. Cold junction compensation apparatus
JPH0746062B2 (ja) * 1988-06-24 1995-05-17 山里産業株式会社 熱電対による温度測定方法並びに該方法を用いた熱電対構造及び温度変換器
US5484206A (en) * 1993-12-28 1996-01-16 Houldsworth; John Method and apparatus for sensing a cold junction temperature
US20120065923A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-15 General Electric Company Integrated cold junction compensation circuit for thermocouple connections
SG182864A1 (en) * 2011-01-12 2012-08-30 Rockwell Automation Asia Pacific Business Ctr Pte Ltd Enhancing thermocouple temperature measurement accuracy with local rtds to compensate terminal temperature difference
CN201993124U (zh) * 2011-01-30 2011-09-28 辉景电子科技(上海)有限公司 多通道物理量测量装置
SG182879A1 (en) * 2011-02-01 2012-08-30 Rockwell Automation Asia Pacific Business Ctr Pte Ltd I/o module with multi-dimensional cold junction compensation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6425687B1 (en) * 1998-12-16 2002-07-30 Solartron Group Limited Cold junction compensation for multiple thermocouples
US20060067377A1 (en) * 2004-09-30 2006-03-30 Streicher Steven R Measurement of multi-channel cold junction temperature
US7234864B2 (en) * 2004-09-30 2007-06-26 Rockwell Automation Technologies, Inc. Measurement of multi-channel cold junction temperature
CN102369422A (zh) * 2009-03-31 2012-03-07 罗斯蒙德公司 具有连接检测电路的热电偶温度传感器
TW201205053A (en) * 2010-03-31 2012-02-01 Microchip Tech Inc Thermocouple electromotive force voltage to temperature converter with integrated cold-junction compensation and linearization

Also Published As

Publication number Publication date
US20160161342A1 (en) 2016-06-09
KR102110616B1 (ko) 2020-05-14
US9279731B2 (en) 2016-03-08
US10119867B2 (en) 2018-11-06
TW201506368A (zh) 2015-02-16
US20140269821A1 (en) 2014-09-18
CN104048776A (zh) 2014-09-17
CN104048776B (zh) 2018-03-20
KR20140111991A (ko) 2014-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI635263B (zh) 用於三維溫度梯度之多通道熱電偶補償
US7234864B2 (en) Measurement of multi-channel cold junction temperature
US7084342B2 (en) Semi-compensated pins for cold junction compensation
US7175343B2 (en) Multi-element thermocouple
JP2012063355A (ja) 熱電対接続用の一体型冷接点補償回路
JP2589283B2 (ja) 等温コネクタ
CN108027285A (zh) 具有基准温度确定的温度测量装置
EP0404567A1 (en) Temperature reference junction for a multichannel temperature sensing system
EP2035797A2 (en) Temperature-sensing and transmitting assemblies, programmable temperature sensor units, and methods of making and using them
JP6910471B2 (ja) 熱電対装置および温度測定方法
US20120197586A1 (en) I/O Module with Multi-Dimensional Cold Junction Compensation
RU2389984C2 (ru) Термометрическая коса и способ ее калибровки
CA2478280C (en) Method, system and apparatus for measuring temperature with cold junction compensation
US11540358B2 (en) Modular heater assembly with interchangeable auxiliary sensing junctions
US11946815B2 (en) Removable PCB terminal block cold junction compensation
JP6908749B2 (ja) 物理量測定装置
EP3534125A1 (en) Electric device comprising a printed circuit board and method for determining local temperatures at different measurement points of the printed circuit board
JP6056441B2 (ja) 熱電対による温度測定可能な入力モジュール
Cigoy How to select the right temperature sensor
Yusoff Real-Time Temperature Monitoring System Using MATLAB
CLAGGETT et al. 4.13 Thermocouples
Metal et al. Reference Temperatures