用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法与流程

文档序号:12356876阅读:748来源:国知局
用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法与流程

本发明涉及一种用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法。



背景技术:

通常,使用热电偶的温度测量装置设置有补偿电路以对不必要的周围环境的温度的影响进行补偿。该补偿电路通过提供参考电压生成电路给输入端子或者提供温度传感器和复用器给输入端子来实现。具体地,温度传感器和复用器被增加以减小提供参考电压生成电路的复杂性和错误。

对于使用温度传感器和复用器的温度测量装置而言,当安装温度测量装置的地方的温度改变时,传统技术由于温度漂移而产生测量温度的误差。

在这里,漂移指的是测量值随着环境的改变而改变。由各个传感器观察到的最显著漂移通常由周围环境的温度的改变导致,这称为“温度漂移”。

为了维持温度测量的高精度,温度补偿功能需要被提供或者传感器需要被安装在恒温器中以维持在恒温。除了温度漂移之外,由元件在使用中的老化造成的老化漂移也被认为是重要的。该漂移在确定传感器的改正时段或线径的过程中为重要要素。

热电偶为用于使用塞贝克效应来测量广范围温度的装置。热电偶用在电厂、钢厂等中,且由于其高耐久性而广泛用在极端情况中。

使用热电偶的温度测量装置使用在热电偶中生成的电动势来测量温度。在这里,测量出的温度具有关于0℃测量出的值。因此,热电偶实际上连接到测量装置的部件周围的温度被测量且增加到该测量值。该补偿被称为参考结点补偿或冷结点补偿。

通常,为了对温度漂移进行补偿,单独的温度测量电路在温度测量装置中实现,或者产品被安装到部件周围的温度维持恒定。

然而,使用热电偶的传统温度测量装置需要执行参考结点补偿,以测量温度。然而,该程序具有对由温度漂移造成的误差进行补偿的限制。即,温度变化的内因和由用于参考结点补偿的热敏电阻感测到的温度变化的外因未递送有恒定比率。

因此,为了克服这种限制,需要修正温度漂移的单独装置。这种装置通常需要能够感测周围环境的温度的变化的单独温度测量元件。



技术实现要素:

构想解决上面问题的本发明涉及单独使用用于参考结点补偿的热敏电阻而不使用单独温度测量元件通过参考结点补偿对温度漂移进行补偿。因此,本发明的目的在于提供一种用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法,其可以保证尽管周围环境的温度改变,但是温度测量的精度仍然未改变,且有效减小制造成本。

根据本发明的一个方面,一种用于通过参考结点补偿对包括热电偶和用于参考结点补偿的热敏电阻的温度测量装置的温度漂移进行补偿的方法包括:通过恒流源获取热敏电阻的模拟电压;将获取的模拟电压转换成数字计数;计算来自示出根据热敏电阻的温度的电阻值的RT表的每个温度与预定参考室温之间的温差;通过将计算出的温差乘以预定补偿系数来计算补偿因子;基于预定参考室温使用已转换的数字计数和计算出的补偿因子来计算补偿数字计数;并且使用与补偿数字计数对应的热敏电阻的温度通过参考结点补偿来测量热电偶的温度。

在这里,所述预定参考室温处于20℃和30℃之间。

优选地,所述预定补偿系数可以与温度漂移差成比例来设置且具有0.5和1.5之间的值。

优选地,所述补偿数字计数通过下面给出的等式1来计算:

等式1补偿数字计数=已转换的数字计数×(100+补偿因子)%。

优选地,当在低于0℃的温度下由热敏电阻实际测量的温度高于理想测量温度且在高于0℃的温度下由热敏电阻实际测量的温度低于理想测量温度时, 当热敏电阻的温度低于预定参考室温时,负号(-)可以应用于补偿因子,当热敏电阻的温度高于预定参考室温时,正号(+)可以应用于补偿因子,当热敏电阻的温度等于预定参考室温时,“0”可以应用于补偿因子。

优选地,当在低于0℃的温度下由热敏电阻实际测量的温度低于理想测量温度且在高于0℃的温度下由热敏电阻实际测量的温度高于理想测量温度时,当热敏电阻的温度低于预定参考室温时,正号(+)可以应用于补偿因子,当热敏电阻的温度高于预定参考室温时,负号(-)可以应用于补偿因子,当热敏电阻的温度等于预定参考室温时,“0”可以应用于补偿因子。

优选地,预定补偿系数可以通过试错法来调整。

如上面的描述显而易见,根据对根据本发明的实施例的用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法,温度漂移可以单独使用用于参考结点补偿的热敏电阻而不提供单独温度测量元件来通过参考结点补偿对温度漂移进行补偿。由此,即使由温度测量装置测量的周围环境的温度改变,但是测量温度的精度未改变,且可以有效减小制造成本。

此外,根据本发明的实施例,可以在没有用于温度漂移补偿的额外电路或装置的情况下通过固件的实现来校正温度漂移。此外,可以在具有固定硬件的产品中能够实现温度漂移补偿,由此提供成本减小的效果。而且,可以减小模块的实现的成本,而克服传统方法的缺点。此外,用于对使用热电偶的温度测量装置进行温度漂移补偿的方法的有效配置的实用可以通过消除传统方法的配置复杂性来提供。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的使用热电偶的温度测量装置的框图。

图2和图3是描述根据本发明的实施例的用于参考结点补偿的热敏电阻的典型电阻-温度(R-T)特性的图形。

图4是示出根据本发明的实施例的使用热电偶的温度测量装置的操作的流程图。

图5是描绘根据本发明的实施例的(在补偿之前)测量温度随着热电偶的 周围环境的温度的变化而变化的图形。

图6是描绘根据本发明的实施例的(在补偿之后)测量温度随着热电偶的周围环境的温度的变化而变化的图形。

图7是示出根据本发明的实施例的用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法的流程图。

图8是描述在图7的补偿系数为1.1时的每个步骤中的实际计算的表。

图9是描绘根据本发明的另一个实施例的测量温度随着热电偶的周围环境的温度的变化而变化的图形。

具体实施方式

本发明的上述目标、优势和特征将参考附图详细给出,使得本领域的技术人员可以容易实践本发明。在描述本发明的过程中,如果确定了这种描述可以未必模糊本发明的重点,则将省略已知技术的详细描述。

在下文中,将参照附图详细描述本发明的实施例。应当理解是,本发明不限于下面的实施例,但是可以各种不同形式实现。示例性实施例被提供以用于彻底完成本发明的公开内容且完全传达本发明的范围,其对于本领域的技术人员来说仅由所附权利要求及其等同物限定。相同参考符号在附图中用于指代相同或者相似的元件。

图1是示出根据本发明的实施例的使用热电偶的温度测量装置的框图,且图2和图3是描述根据本发明的实施例的用于参考结点补偿的热敏电阻的典型电阻-温度(R-T)特性的图形。

参照图1至图3,根据本发明的实施例的使用热电偶的温度测量装置包括:热电偶100、输入模块200、控制模块300和输出模块400。

在这里,热电偶100用于将测量对象的温度转换成热电动势以输出模拟电压信号。因此,热电偶100通过以链路形式连接两种不同材料来形成。

即,使用塞贝克效应,其是指根据热电偶100的结点(即热结点和冷结点)之间的温差而生成电动势。热电偶100可以提供用于在多个过程例如在核反应 堆、航空器、电力系统和钢厂中感测温度的方法。此外,热电偶为结构简单、偏移且耐用的温度测量传感器且能够相对精确测量多种应用中的温度。

当闭合电路使用两个不同种类的金属来配置时,如果不存在两个结点之间的温差,则不存在两个结点之间的电势差。然而,如果存在两个结点之间的温差,则在结点之间出现电势差的接触不平衡。该效应为塞贝克效应。由此,热电流从冷结点流到热结点。

热电偶100为能够感测具有与大约0.1%和大约1%之间的误差对应的精度的温度的传感器,给测量装置提供简单结构,且具有在该电路中产生低噪声的低阻抗。此外,热电偶100是机械灵活的。因此,热电偶100的形成可以根据应用而适当改变,且鉴于该电路的快速响应、耐久性和绝缘,热电偶100可以导线的形式制作。

热电偶100可以根据其金属的种类而分成各种类型,且可以根据限制和条件而选择性地使用。

输入模块200用于接收针对要测量的对象的温度值的热电偶100的模拟电压信号且将其转换成数字电压信号。该输入模块200包括:用于连接热电偶100的输入端子210、用于参考结点补偿的热敏电阻220、用于生成输出电流的恒流源230、用于将模拟电压信号转换成数字值的模拟/数字(A/D)转换器240、用于生成A/D转换器240的参考电压的参考电阻器250以及用于使输入模块200和控制模块300绝缘的输入绝缘器260。

优选地,输入绝缘器260由例如光电耦合器形成。输入绝缘器260起到使输入模块200和控制模块300绝缘的作用。即输入绝缘器260旨在用于温度测量装置的可靠性且因此用于中断输入模块200和控制模块300之间的噪声、浪涌电流和浪涌电压。

通过A/D转换器240的参考电压输入端子270施加的参考电压Vref确定由A/D转换器240可接受的输入信号的范围。

在热电偶100中生成的电动势从几μV变化到几十mV。为了将模拟电压信号转换成数字值,需要放大输入信号。虽然在附图中未示出,但是放大电路优选被定位在输入端子210和A/D转换器240之间且可以被包括在A/D转换器240 中。

控制模块300通过将在输入模块200中转换的测量温度值与预定目标值进行比较来执行PID(比例积分微分)控制。控制模块300包括:用于从外部装置(例如PLC CPU)接收预定参数的接口单元310、用于通过执行对在输入模块200中转换的测量温度值和预定目标值的PID控制来计算调节值的PID计算器320、用于存储预定参数和调节值的存储器330以及控制器340,该控制器340用于使用预定参数来确定输入到输入模块200的信号的类型,根据信号的类型来控制输入模块200将输入的模拟信号转换成数字信号,使用由PID计算器320计算出的调节值和预定参数来生成脉宽调制(PWM)控制信号,且将PWM控制信号传输到输出模块400,以控制输出模块400输出调节值。

在这里,接口单元310通过执行与例如PLC CPU的数据通信来接收温度测量装置的操作所需的预定参数。在这里,预定参数包括输入参数、控制参数和输出参数。

输入参数包含与温度测量装置的输入传感器类型有关的信息,并且控制参数包含例如PID控制所需的PID设置系数的信息。输出参数包含与诸如热输出或冷输出之类的输出类型有关的信息和与诸如模拟输出或打开/关闭输出之类的输出类型有关的信息。

PID计算器320将在A/D转换器240中通过转换获得的数字值即测量值与预定目标值进行比较。如果存在测量值和目标值之间的差,则PID计算器320通过计算用于使测量值达到目标值的调节值来执行PID计算。

存储器330存储从接口单元310接收的预定参数和由PID计算器320计算出的调节值。

控制器340使用从接口单元310接收的预定参数中的输入参数来确定输入到输入模块200的信号的类型。然后,控制器340根据输入到输入模块200的信号的类型来生成用于控制A/D转换器240的操作的A/D转换控制信号。

此外,控制器340控制PID计算器320通过将测量值和目标值进行比较来执行PID计算,且将由PID计算器320计算出的调节值存储在存储器330中。

控制器340也生成用于PID计算器320的调节值的PWM控制信号且将其 递送到输出模块400。PWM控制信号包含与输出类型有关的信息和与输出形式有关的信息。

控制模块400根据控制模块300的控制而输出PID控制的结果值。输出模块400包括:用于使控制模块300和输出模块400绝缘的输出绝缘器410、用于输出根据PWM控制信号计算的且处理的调节值的输出单元420。在这里,输出单元420设置有用于冷输出的布线和用于热输出的布线。

与输入绝缘器260类似,输出绝缘器410优选由光电耦合器形成。输出绝缘器410起到使控制模块300和输出模块400绝缘的作用,由此确保温度控制装置的可靠性。

输出单元400可以根据与PWM控制信号中包含的输出形式有关的信息来输出模拟输出或打开/关闭输出。此外,输出单元400可以根据与PWM控制信号中包含的输出的类型有关的信息通过用于热输出的布线或者用于冷输出的布线提供输出。

如上配置的使用热电偶的温度测量装置使用由用于参考结点补偿的热敏电阻220测量的温度值。具有负(-)温度系数的负温度系数(NTC)热敏电阻是产生与其表面的温度变化对应的电阻变化的2端子组件,如图2和图3所示。

由于外因和内因而出现热敏电阻的温度变化。外因是热敏电阻的周围环境的温度变化,且内因是根据从流过元件的电流生成的热量的温度变化。这两个原因的组合导致热敏电阻的温度变化。NTC热敏电阻使用诸如锰、镍、钴、铜和铁之类的金属的金属氧化物来制造。

此外,热敏电阻关于大约25℃经历在大约-3%/℃和大约-6%/℃之间的电阻变化。电阻和温度之间的该关系遵守近似指数曲线,如图2所示。获得NTC热敏电阻的曲线的一个方法在于获得电阻对温度曲线在固定温度下的斜率,并且电阻器的温度系数α由下面等式定义。

<mrow> <mi>&alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>R</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

这里,T为温度(以℃或K为单位),且R为在温度T的电阻。

如图2所示,NTC曲线上的最陡斜率出现在低温区,并且温度系数在大约 40℃下增加了-8%/℃,其取决于组成NTC热敏电阻的材料而稍微变化。NTC曲线上的平坦区间出现在高温区,且在大约300℃下出现大约1%/℃内的电阻变化。

在这里,可以用在比较NTC曲线的相对斜率的温度系数α为在相同温度下比较温度系数α的重要元素。即温度系数α在相同工作温度范围内变化极大,并且因此热敏电阻的制造商提供温度系数,使得用户可以识别温度变化的范围。

通常,热敏电阻的电阻值基于在具体温度下的电阻变化范围中的中间值来确定。基本上,在低温区和高温区中具有非线性特征的热敏电阻根据上述外因和内因而感测温度变化。这些特性与实际制造的温度控制器的硬件性能密切相关。

因此,如果基于由热敏电阻的制造商提供的热敏电阻的电阻值来执行温度补偿,则不能反映电阻变化,其可以根据硬件性能和周围环境的温度变化而变化。由此,补偿误差非常可能根据周围环境的温度而改变。

图4是示出根据本发明的实施例的使用热电偶的温度测量装置的操作的流程图。

参照图4,从用户接收温度控制所需的参数(S100)。然而,选择连接到每个通道或用于参考结点补偿的通道的热电偶100(S101)。

然而,确定了在S101中选择的通道首次执行热电偶转换还是热电偶转换通过最后通道执行(S102)。如果热电偶转换首次或者通过最后通道执行,则执行参考结点补偿的转换(S103和S104)。

此后,执行热电偶通道的转换(S105到S107)。此时,施加改变的参考结点数字计数(S108),以获得反映温度漂移补偿的最后温度,这是与传统技术的最大不同,如稍后详细描述。

接下来,计算参考结点/热电偶数字计数的总数(S109),并且在温度表中搜索计数的总和(S110)。作为温度测量的最后步骤,将经历了参考结点补偿的温度递送到控制器340(参见图1)(S111)。此后,温度控制模块执行PID控制(S112)。对于简单测量模块,忽视该操作。

为了实现参考结点数字计数补偿(S108),需要计算补偿参考结点表。这旨 在执行对于测量电路中以及在参考结点补偿的程序中的温度漂移进行补偿。具体地,这旨在在没有单独温度传感器的情况下单独通过参考结点补偿执行温度漂移补偿。

首先,为了识别设计的测量电路的温度漂移的性能,使用诸如恒温器或恒湿器之类的装置来检测某个测量温度根据周围环境的温度变化的曲线。

图5是描绘根据本发明的实施例的(在补偿之前)测量温度随着热电偶的周围环境的温度变化的变化的图形,并且图6是描绘根据本发明的实施例的(在补偿之后)测量温度随着热电偶的周围环境的温度变化的变化的图形。

参照图5,针对测量温度(在补偿之前)根据热电偶100(参见图1)的周围环境的温度变化的变化,在室温(25℃)下测量温度20℃。然而,测量温度在周围环境的温度降低到10℃时增加到24℃,且在周围环境的温度增加到60℃时降低到24℃。

即,虽然实际温度变化的范围取决于电路和机构的结构或者配置,但是通常给出上述曲线。在理想情况下,不论周围环境的温度变化如何,维持测量温度20℃,(如图5中的红虚线所示)。

参照图6,根据本发明的实施例通过应用补偿参考结点温度表来获得测量温度(在补偿之后)根据热电偶100(参见图1)的周围环境的温度变化的变化。即本发明旨在获得尽可能接近理想测量温度的实际测量温度。

表示应用于参考结点补偿的热敏电阻220(参见图1)的电阻值的误差,如图2所示。由此,为了执行对整个硬件的温度漂移补偿,电阻值的变化在周围环境的温度的低温区中不足反映,且在周围环境的温度的高温区中过分反映。在图3中,y轴表示A/D转换计数而代替图2的电阻。

图7是示出根据本发明的实施例的用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法,且图8是描述当图7的补偿系数为1.1时的每个步骤中的实际计数的表。

参照图7和图8,在根据本发明的实施例的用于使用热电偶的温度测量装置的温度漂移补偿的方法中,完成由热敏电阻的制造商提供的热敏电阻220(参见图1)的R-T(电阻-温度)表。

此后,获取且计算在测量电路中由设计的恒流源230(参见图1)在热敏电阻220中生成的模拟电压。此后,将在步骤S201中获取的模拟电压转换成由A/D转换器240(参见图1)测量的数字计数值(S202)。

然而,计算RT表中根据步骤S200中完成的热敏电阻的温度的电阻值的每个温度与预定参考室温(优选在20℃和30℃之间的温度,且更优选地大约25℃)之间的温差(S203)。

接下来,确定(调整)补偿系数(S204)。所述补偿系数优选与温度漂移差成比例来设置且可以设置在约0.5和约1.5之间的范围。

此后,补偿因子通过将在步骤S203中计算的温差的绝对值乘以在步骤S204中预定的补偿系数来计算(S205)。

然而,生成补偿转换计数(S206)。即使补偿计数因子基于预定参考室温使用在步骤S202中转换的数字计数和在步骤S205中计算出的补偿因子来计算。

在该情况中,补偿数字计数可以使用下面等式1来计算:

等式1:补偿数字计数=已转换的数字计数×(100+补偿因子)%。

优选地,在其中在小于0℃温度(低温度)下由热敏电阻220实际测量的温度高于理想测量温度且在高于0℃温度(高温度)下由热敏电阻220实际测量的温度低于理想测量温度的情况下,如果热敏电阻220的温度低于预定参考室温(优选,在20℃和30℃之间的温度,且更优选地大约25℃),则负号(-)可以应用于补偿因子,如果热敏电阻220的温度高于预定参考室温,则正号(+)可以应用于补偿因子,且如果热敏电阻220的温度等于预定参考室温时,则“0”可以应用于补偿因子。

此后,测量根据周围环境的温度变化的测量温度的变化。然而,确定了测量温度是否处于目标值内(S208)。如果测量温度未处于目标值内,则再次执行步骤S204,以调整补偿系数。

最后,热电偶100的温度使用与在步骤S206中补偿数字计数对应的热敏电阻的温度通过参考结点补偿来最后测量(参见图4的S109和S110)。

图9是描述根据本发明的另一个实施例的测量温度随着热电偶的周围环境 的温度变化而变化的图形。

图9示例性地示出其中根据周围环境的温度变化的测量温度的曲线给出在低温度(低于0℃)下高于理想测量温度的测量温度和在高温度(高于0℃)下低于理想测量温度的测量温度的硬件,如图5所示。然而,可以存在温度以相对方式变化的温度曲线。

即,如果根据周围环境的温度变化的测量温度的曲线给出在低温度(在低于0℃)下低于理想测量温度的测量温度和在高温度(在高于0℃)下高于理想测量温度的测量温度,则补偿因子可以被分配与在生成图7的补偿转换计数的步骤S206中分配的符号相反的符号。

例如,在其中在小于0℃的温度(低温度)下由热敏电阻220实际测量的温度低于理想测量温度且在高于0℃的温度(高温度)下由热敏电阻220实际测量的温度高于理想测量温度的情况下,如果热敏电阻220的温度低于预定参考室温(优选,在20℃和30℃之间的温度,且更优选地大约25℃),则正号(+)可以应用于补偿因子,如果热敏电阻220的温度高于预定参考室温,则负号(-)可以应用于补偿因子,如果热敏电阻220的温度等于预定参考室温,则“0”可以应用于补偿因子。

如上所述,本发明提供一种用于在使用热电偶的温度测量装置中使用参考结点补偿所需的热敏电阻而一起执行参考结点补偿和温度漂移补偿的方法。

然而,测量电路可能是精确的,误差根据温度漂移而出现。本发明使使用热电偶的温度测量装置能够通过提取根据通过测试的温度漂移的测量温度的曲线且通过参考结点补偿的程序校正该曲线来在提供额外的组件或者电路的情况下执行温度漂移补偿。图5示出了本发明的效果,且图6示出可以获得接近理想测量结果的结果。

在本发明中,由使用热电偶的传统温度测量装置执行的测量信号处理程序被使用。然而,不同参考结点补偿表用在图4的步骤S108中,且图7示出了生成用于参考结点补偿表的计数的程序。

此外,由于本发明未获取单独组件或者硬件的变化,所以可应用于设计使用热电偶的新温度测量装置。而且,本发明使温度漂移补偿的效果能够在通过 测试改变固件使用热电偶的传统温度测量装置中实现。

进一步地,本发明的最重要程序是图7的补偿系数的确定(S204),且适当系数可以通过试错法来找到。通过使用以这种方式确定的补偿系数,可以允许使用热电偶的温度测量装置,其对周围环境的温度变化是稳健的。此外,使用热电偶的温度测量装置可以稳定测量其中温度测量装置的周围环境的温度显著变化的环境中的温度,且因此可以改善热电偶信号转换的质量。

此外,由于出现各种类型(例如B,R,S,K,E,J,T,N),所以温度漂移的影响可以在传感器中不同。因此,可以通过本发明中提出的方法来提取适合于具体热电偶的补偿计数表。

进一步地,使用热电偶的温度测量装置对温度的精度可用温度部分中被分成室温区域和室外温度区域。根据温度漂移的测量误差的程度通过指示用于室温区域和室外温度区域中的每一个的精度或者通过单独指示温度系数而提供给用户。

此外,根据本发明的实施例,可以提高用于室外温度区域的温度系数的精度。在一些情况中,可以获得与用于室温的精度接近的精度。如果可以获得与用于室温的精度接近的用于室外温度区域的精度,可以对使用使用热电偶的温度测量装置的用户有极大好处。

使用用于根据本发明的另一个实施例的使用热电偶100的温度测量装置的温度漂移补偿的方法,可以单独使用用于参考结点补偿的热敏电阻220而不提供单独温度测量元件来通过参考结点补偿对温度漂移进行补偿。由此,即使温度测量装置的周围环境的温度改变,测量温度的精度可以不改变。此外,可以有效减小制造成本。

此外,根据本发明的实施例,可以在没有用于温度漂移补偿的额外电路或装置的情况下通过固件的实现来校正温度漂移。此外,当然温度漂移补偿的减小连同成本节约效应可以甚至在具有固定硬件的产品中一起实现。进一步地,可以减小模块的实现的成本,而解决传统方法的缺点。此外,用于对使用热电偶100的温度测量装置进行温度漂移补偿的方法的有效配置的实用可以通过消除传统方法的配置复杂性来提供。

虽然出于说明目的公开了对本发明的使用热电偶的温度测量装置进行温度漂移补偿的方法的优选实施例,但是本发明不限于此。对于本领域的技术人员来说显而易见的是,可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在本发明中进行各种修改和变化。因此,它旨在本发明涵盖该发明的修改和变化,假如它们落入本权利要求及其等同物的范围内。

当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1