专利名称：一种多通道的通用测温模件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测温模件，属于自动控制技术领域。
背景技术：
在工业自动控制过程中，温度是众多监控参数中需要实时监测的重要参数之一， 温度不仅能反映设备是否正常运行，同时还是提供设备运行控制的重要依据。工业自动化中对温度的测量主要通过热电阻以及热电偶完成。热电阻基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性，主要用于中低温区温度测量，可以实现高精度。热电偶的测温原理是两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生电势使热能转换为电能，多用于高温区温度测量，成本相对较高。目前的温度传感器普遍支持特定类型的感温元件，感温元件都是区分热电阻和热电偶。首先，热电阻和热电偶的测温原理不同。热电阻型温度传感器实质上是测量一个可变电阻，而热电偶根据其原理会自发地产生微小电压，故热电偶型温度传感器则是测量微小电压量。而且，热电阻和热电偶的接线方式不同。热电阻型多采用三线制或四线制接法， 以消除导线电阻误差。而热电偶型只采用二线制接法，因为中间导线不会产生误差。故基于热电阻和热电偶的温度传感器的设计思路不同，温度传感器也不能通用。目前普遍采用的技术方案是，针对实际需要使用的感温元件，采取不同类型的温度传感器。一旦感温元件变换，温度传感器将不能通用。由于工业现场情况复杂，经常会出现不同的位置对测温的范围、精度、反应速率需求不同，而需要同时使用不同类型的热电阻或热电偶感温元件的情况。故实际的工业现场应用中，也都使用了多种不同类型的温度传感器，降低了测温的可靠性，提高了现场设备的复杂性，增加了安装和维护成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，解决目前热电阻和热电偶的温度传感器不能通用，安装维护成本高的问题，提供一种通用测温模件，同时支持热电阻、热电偶等多种感温元件，提高测温可靠性，避免了工业自动控制现场设备的复杂性，减少了安装和维护成本。为解决上述技术问题，本发明提供一种多通道的通用测温模件，其特征是，包含可与待测的热电阻、热电偶连接的多路测温通道，所述多路测温通道经一通道切换电路与一信号调理电路连通，所述信号调理电路输出的模拟电压信号输入模数转换电路，所述模数转换电路输出的数字信号经过系统隔离电路接入CPU。所述测温通道中包含可复用的外部接线端子。所述接线端子包含三个端子，所述三个端子或与热电阻连接，或其中一个端子接地，另外两个端子与热电偶连接。所述信号调理电路包括热电阻信号调理电路和热电偶信号调理电路。
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所述通道切换电路切换所述多路测温通道中的一路通道与所述信号调理电路连通。此被切换的一路通道中测量的是热电阻温度时，则切换到信号调理电路中的热电阻信号调理电路；此被切换的一路通道中测量的是热电偶温度时，则切换到信号调理电路中的热电偶信号调理电路。所述模数转换电路包含A/D转换器。所述A/D转换器包含三路输入信号，其中两路分别为所述热电阻信号调理电路输出的热电阻电压信号和所述热电偶信号调理电路输出的热电偶电压信号，还有一路为热电偶冷端输入信号。所述A/D转换器包含Σ -Δ结构的24位高精度模数转换芯片CS55M。还包含滤波电路，所述滤波电路设在所述外部接线端子与所述通道切换电路之间。本发明所达到的有益效果针对热电阻和热电偶的温度传感器不能通用的问题，本发明提供了一种新型通用测温模件，从产品接口到内部芯片，从硬件到软件都进行了创新性设计，做为自动化设备中的标准测温单元，可自由的组合使用，可做为PLC上使用的专用测温模块，同时支持热电阻、热电偶等多种感温元件，具有测温通道数多，测温范围广，精度高，反应快、稳定性好的特点。端子复用可以减小设备体积和降低成本，并降低接线错误的可能性；Σ -Δ结构的M位高精度模数转换芯片提高了模件的精度和速率，并简化电路设计，提高可靠性；采用通道切换和信号隔离的设计，使模件可以设计大量测温通道，保持小体积和低成本，抗干扰能力强。热电阻和热电偶等多种感温元件同时支持，使工业现场只需要一种温度传感器， 大大简化设备的复杂性，方便维护，降低了产品生产、安装、调试和维护的成本。
图1为本发明的原理框图；图2为热电阻接线方式示意图；图3为热电偶接线方式示意图；图4为恒流源输出电路图；图5为信号调理输入电路图；图6为射频干扰滤波电路图；图7为本发明的软件工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明的通用测温模件作为可编程逻辑控制器PLC中的专用测温模件，其原理框图如图1所示。本实施例中采用16路测温通道，分别为热电阻/热电偶输入1-热电阻/热电偶输入16，可实现对16路通道的测温。16路测温通道与通道切换电路连接，由通道切换电路实现外部信号和内部电路的切换和隔离，通道切换电路采用通道复用设计。通道切换电路与信号调理电路连接，信号调理电路包括热电阻信号调理和热电偶信号调理电路，信号调理电路需考虑其测量精度、延时及抗干扰等因素。经过信号调理电路测量出的模拟电压信号输入模数转换电路，模数转换电路采用A/D转换器，把采集到的某个通道的热电偶/ 热电阻模拟量电压信号转换为数字信号。采用高位数、高精度、具备滤波功能的模数转换芯片，可以在很大程度上简化前置滤波放大电路及软件滤波程序设计工作。A/D转换器设置有两路通道分别处理热电阻电压信号和热电偶电压信号，还有一路处理热电偶冷端输入信号。A/D转换器将输入的模拟信号转为数字信号，通过系统隔离电路接入嵌入式CPU。A/D转换器选取M位高精度模数转换芯片CS55M，其采用Σ -Δ结构， 内含多路复用器、斩波稳定放大器、Σ - △调制器、可编程增益放大器、片内校验电路等。系统隔离电路采用光耦隔离保护内部电路，提高模件的稳定性和可靠性。CPU采用高性能32位嵌入式处理器，负责模件通道切换控制、测量温度值计算、精度校准、状态检测及通讯管理等功能。通讯协议采用CAN总线协议，可以把多个测温模块进行组网，形成可以测量更多通道的智能测温网络。嵌入式CPU集成RAM和FLASH，外接时钟、 复位电路、看门狗电路、JTAG接口等构成最小系统。测温通道中的外部接线端子采用端子复用的创新设计，即每路通道的三个端子既可以用于三线制热电阻接线，其中两个端子还可以用于二线制的热电偶接线，只需在软件中简单设置即可。16路测温通道中的每个通道中包含3个接线端子，分别为端子A、端子B 和端子C，如图2所示，热电阻11采用三线制，使用全部3个接线端子；如错误！未找到引用源。所示，热电偶12采用两线制，使用其中的端子A、端子B共2个接线端子。由通道切换电路切换某一路通道与信号调理电路连通。当被切换的这路通道中测量的是热电阻温度时，则切换到信号调理电路中的热电阻信号调理电路；当被切换的这路通道中测量的是热电偶温度时，则切换到信号调理电路中的热电偶信号调理电路。信号调理电路如图5所示。当测量热电阻温度时，端子A作为恒流源输出连接至恒流源输出电路中的接线端 All，恒流源输出电路如图4所示；端子C接地，使用信号调理电路来测量端子A和端子B之间的电压，即热电阻上的电压，端子A、端子B分别与信号调理电路中的接线端TDG、接线端 TCG相连通。当测量热电偶温度时，端子A和端子B分别与信号调理电路中的接线端TDG、接线端TCG相连通，测量热电偶产生的微小电压。端子A和B是通过通道切换电路连接到TDG和TCG，一旦切换到该通道，可视为直连。以上电路的测量切换是通过光继电器完成，确保电路板具有很高的反应速率和较小的体积。由于现场应用中，接线电缆容易引入射频干扰，且模数转换芯片CS55M内置的仪表放大器输入阻抗高，易受射频干扰影响。高频信号由电缆引入电路中后会被运放内各种各样的节点整流，最后在输出端导致不希望的直流偏置，影响测量结果。因此针对射频干扰设计了射频干扰的滤波电路，如图6所示。滤波电路设置在外部接线端子和通道切换电路之间，使得信号刚进入电路就能被滤波。电路中的电阻Rl、电阻R2以及电容Cl、电容C2的参数匹配非常重要，需保证Tdiff >> Tcm，其中Tdiff = (R1+R2)*C3为差模滤波时间常数，Tcm = R1*C1 = R2*C2为共模滤波时间常数。较佳的方案是电阻R1、电阻R2选用精度等级等值电阻，电容Cl、电容C2选用5%精度等级等值电容。本发明的软件工作流程如图7所示。硬件检测及软件初始化之后，程序根据跳线决定是否外接标准的参考电压源进行标定校准，若处于需要标定的标定态，则启动标定程序，若处于不需要标定的运行态，则进行循环判断通道为热电阻或热电偶，由测温模块接收 PLC下发的16个通道测量元件配置类型，保存在各通道配置类型变量中。然后测温模块完成对每个通道热电阻或热电偶电压值的测量，并根据各通道测温元件的类型，查询相应热电阻或热电偶分度表。对于查询不到的测值采用分段线性插值法计算出各通道测量点的温度，热电偶还要进行热电偶冷端补偿。最后计算和校验过的温度值经过看门狗并通过CAN 总线通讯送给PLC进行处理，同时对测量数据进行分析，判断该通道是否断线或越限，并进行报警指示。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种多通道的通用测温模件，其特征是，包含可与待测的热电阻、热电偶连接的多路测温通道，所述多路测温通道经一通道切换电路与一信号调理电路连通，所述信号调理电路输出的模拟电压信号输入模数转换电路，所述模数转换电路输出的数字信号经过系统隔离电路接入CPU。
2.根据权利要求1所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述测温通道中包含可复用的外部接线端子。
3.根据权利要求2所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述接线端子包含三个端子，所述三个端子或与热电阻连接，或其中一个端子接地，另外两个端子与热电偶连接。
4.根据权利要求1所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述信号调理电路包括热电阻信号调理电路和热电偶信号调理电路。
5.根据权利要求1所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述通道切换电路切换所述多路测温通道中的一路通道与所述信号调理电路连通。
6.根据权利要求1或4所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述模数转换电路包含A/D转换器。
7.根据权利要求6所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述A/D转换器包含三路输入信号，其中两路分别为所述热电阻信号调理电路输出的热电阻电压信号和所述热电偶信号调理电路输出的热电偶电压信号，还有一路为热电偶冷端输入信号。
8.根据权利要求6所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，所述A/D转换器包含 Σ-Δ结构的M位高精度模数转换芯片CS55M。
9.根据权利要求2所述的一种多通道的通用测温模件，其特征是，包含滤波电路，所述滤波电路设在所述外部接线端子与所述通道切换电路之间。
全文摘要
本发明公开了一种多通道的通用测温模件，其特征是，包含可与热电阻、热电偶连接的多路测温通道，与所述多路测温通道连接的通道切换电路，与所述通道切换电路连接的信号调理电路，经过所述信号调理电路输出的模拟电压信号输入模数转换电路，所述模数转换电路输出的数字信号经过系统隔离电路接入CPU。本发明解决了热电阻和热电偶的温度传感器不能通用的问题，做为自动化设备中的标准测温单元，可自由的组合使用，做为PLC上使用的专用测温模块，同时支持热电阻、热电偶等多种感温元件，具有测温通道数多，测温范围广，精度高，反应快、稳定性好的特点，简化了设备的复杂性，方便维护，降低了产品生产、安装、调试和维护的成本。
文档编号G01K7/04GK102297730SQ20111013373
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者严杰, 刘成俊, 姜晓, 孙延岭, 彭文才, 徐方明, 赵雪飞 申请人:南京南瑞集团公司, 国网电力科学研究院