一种热电阻故障诊断装置及方法与流程

本发明涉及热电阻故障诊断技术领域，更具体的说，是涉及一种热电阻故障诊断装置及方法。

背景技术：

对于热电阻故障诊断采用惠斯通平衡电桥测试热电阻的电阻值方法，在工业温度采集卡件中广泛应用。目前，传统温度探头本身故障诊断方案，一般均需要将温度探头从现场拆回实验室进行校验和标定，均不是通过特定的工具，而是通过一系列的维修检查手段进行，如温度探头的校验、温度探头的绝缘连续性检查，并且传统的温度探头检查方法，只能对探头本身故障提供诊断功能，而对探头的安装环境和安装位置情况无法给出结论；另外，目前也可以根据热平衡原理，当被测系统的热电阻回路中增加某一固定阶跃电流时，被测热电阻的电阻值或温度值将随着其通入电流的时间的增加而变化，直至被测系统达到热平衡，温度趋于稳定，从加入电流开始，到最终被测系统达到稳定，是设备的阶跃电流响应时间趋势，当被测系统达到热平衡时，电阻值将维持在某一恒定值不变，但是温度的稳定在1‰的精度范围内，需要很长的在线测量时间，将给现场测量的时间带来不利，加之现场测量时间过长，虽然可以实现连续性检查，但是原来的工作环境有较大变化，前后测量所得的数据误差大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种热电阻故障诊断装置及方法，以解决现有技术中由于根据热平衡原理，从加入电流开始，到最终被测系统达到稳定，是设备的阶跃电流响应时间趋势，当被测系统达到热平衡时，电阻值将维持在某一恒定值不变，但是温度的稳定在1‰的精度范围内，需要很长的在线测量时间，将给现场测量的时间带来不利，加之现场测量时间过长，虽然可以实现连续性检查，但是原来的工作环境有较大变化，前后测量所得的数据误差大的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种热电阻故障诊断装置，包括：热电阻测试仪和便携式移动终端，所述热电阻测试仪和所述便携式移动终端通过USB数据线连接，所述热电阻测试仪通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器，其中：

所述热电阻测试仪包括数据采集系统和程控恒流源，所述热电阻测试仪与所述RTD传感器提供硬接线连接，通过所述程控恒流源，给所述RTD传感器设定恒定电流，通过所述数据采集系统采集所述RTD传感器两端的电压，用于所述RTD传感器的阻值测量；

所述便携式移动终端内置热电阻测量分析软件，接收操作人员通过所述热电阻测量分析软件设置所述被测热电阻的技术参数，并将所述被测热电阻的技术参数输入至所述热电阻测试仪，进行所述RTD传感器响应时间的测量、数据采集和数据分析。

其中，所述数据采集系统配备1路模拟量输出通道和2路模拟量采集通道。

其中，所述模拟输出通道可输出0～10V电压值，用于控制所述程控恒流源的输出电流。

其中，所述模拟采集通道可采集0～10V电压值，用于采集所述RTD传感器信号线上的电压。

其中，所述程控恒流源输出0～100mA的恒定电流。

其中，所述被测热电阻的技术参数包括：所述被测热电阻的功能位置、型号、材料、环境冷却介质以及通入电流设定值。

一种热电阻故障诊断方法，应用于热电阻故障诊断装置，所述热电阻故障诊断装置包括热电阻测试仪和便携式移动终端，所述热电阻测试仪和所述便携式移动终端通过USB数据线连接，所述热电阻测试仪通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器，该方法包括：

所述便携式移动终端将RTD测量分析软件控制数据采集系统的模拟输出通道输出控制电压，控制所述程控恒流源输出恒定电流，所述恒定电流经过所述信号线传给所述RTD传感器；

所述数据采集系统的2路模拟量采集通道分别采集到信号线上的第一电压和第二电压，其中，所述第一电压包括两根信号线的电压和所述RTD传感器的电压，所述第二电压包括一根信号线的电压和所述RTD传感器的电压；

所述便携式移动终端根据预设公式计算所述RTD传感器的电阻值，进行所述RTD传感器响应时间的测量和数据分析；

根据所述RTD传感器响应时间的测量结果和所述数据分析结果计算所述被测热电阻的RTD传感器的热电阻阶跃电流响应时间、稳定预测值，作为测量参数数据；

将被测热电阻的技术参数与所述测量参数数据进行对比，得到所述热电阻故障诊断结果。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种热电阻故障诊断装置及方法，该热电阻故障诊断装置包括热电阻测试仪和便携式移动终端，热电阻测试仪和便携式移动终端通过USB数据线连接，热电阻测试仪通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器，本发明采用热电阻回路阶跃电流响应时间方法，不仅能够实现传统的温度探头诊断功能，而且还能对探头的安装环境导热变化、温度探头安装位置情况、温度探头的老化趋势给出诊断信息，能够给温度探头的预防性维修和纠正性维修给出合理有效的建议。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种热电阻故障诊断装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种热电阻故障诊断装置结构连接示意图；

图3为本发明实施例提供的热电阻测量的原理电路图；

图4为本发明实施例提供的热电阻响应曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的热电阻温度-时间平均值曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的热电阻的热响应时间和相关参数的趋势曲线示意图；

图7为本发明实施例提供的一种热电阻故障诊断方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的热电阻故障诊断装置在线测量时间短，测量数据误差在1‰以内。具体的，RTDs热电阻故障在线诊断工具根据被测系统热平衡原理，首先通过惠斯通平衡电桥原理测量得出一段时间(约2分钟)的热电阻阶跃电流时间响应趋势曲线。然后，通过智能神经网络(BP网络)的学习和自适应，拟合完整的BP网络预测输出曲线，计算获得完整的设备出设备的响应时间；根据智能神经网络拟合的完整趋势，计算出被测设备的阶跃电流的响应时间、稳定温度预测值、精度和误差。最后，通过单个设备的测量参数数据与标准进行对比，得出热电阻诊断结论。

请参阅附图1，图1为本发明实施例提供的一种热电阻故障诊断装置结构示意图。如图1所示，本发明公开了一种热电阻故障诊断装置，包括：热电阻测试仪1和便携式移动终端2，热电阻测试仪1和便携式移动终端2通过USB数据线连接，热电阻测试仪1通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器3，其中：

热电阻测试仪1包括数据采集系统11和程控恒流源12，热电阻测试仪1与RTD传感器3提供硬接线连接，通过程控恒流源12，给RTD传感器3设定恒定电流，通过数据采集系统11采集RTD传感器3两端的电压，用于RTD传感器3的阻值测量；

便携式移动终端2内置热电阻测量分析软件，接收操作人员通过热电阻测量分析软件设置被测热电阻的技术参数，并将被测热电阻的技术参数输入至热电阻测试仪1，进行RTD传感器响应时间的测量、数据采集和数据分析。

其中，数据采集系统1配备1路模拟量输出通道和2路模拟量采集通道。

其中，模拟输出通道可输出0～10V电压值，用于控制所述程控恒流源的输出电流。

其中，模拟采集通道可采集0～10V电压值，用于采集所述RTD传感器信号线上的电压。

其中，程控恒流源12输出0～100mA的恒定电流。

其中，被测热电阻的技术参数包括：所述被测热电阻的功能位置、型号、材料、环境冷却介质以及通入电流设定值。

具体的，本发明的工作原理：

RTDs热电阻故障在线诊断工具，采用惠斯通平衡电桥原理，设计和编写软件控制程序；设计和组装硬件设备，实现电阻值的采集和测量。如图1所示，RTD传感器的信号线(3芯)连接到RTDs热电阻在线诊断工具后，RTD测量分析软件控制数据采集系统的模拟输出通道AO1输出控制电压，使得程控恒流源输出电流(I)，电流经过信号线的1和2传给RTD传感器。

数据采集系统的模拟输入通道AI1和AI2分别采集到信号线上的电压U12和U13。其中U12的电压包括两根信号线的电压和RTD传感器的电压，U13的电压包括一根信号线的电压和RTD传感器的电压。因此RTD传感器的电压URTD＝2*U13-U12。根据公式RRTD＝URTD/I，可以计算出RTD传感器的电阻值。

请参阅附图2，图2为本发明实施例提供的一种热电阻故障诊断装置结构连接示意图。如图2所示，测量实现具体为：测量主机和笔记本电脑通过USB数据线连接。通过笔记本设置相关参数，主机采集到的数据通过USB传入笔记本，通过专门的软件绘制响应时间趋势曲线。

对于响应时间的测量原理：

假设温度传感器的置入不会改变被测介质温度，温度传感器体温度均匀，温度传感器无热辐射能量损失。建立起温度传感器的热平衡方程为：

其中，(1)式中：c—温度传感器比热容，J(kg·K)；m—温度传感器质量，kg；T(t)—温度传感器体温度(平均体温度)时间函数，K；T—时间变量，s；Δ—温度传感器耗散系数，W/K；T_θ(t)—被测介质温度时间函数，K。将式(1)写为：

其中，(2)式中：τ——具有时间的量纲，称为温度传感器的热时间常数，τ＝cm/δ；由式(2)可知，由于非零τ的存在，在有限的时间内T(t)≠T_θ(t)，这是温度测量动态误差的数学根源。当T_θ(t)＝T_θ(常数)，且T(t)|_t＝0＝T₀，式(2)的解为：

由式(3)得：

由式(4)可知，当[T(t)-T₀]＝0.632(T_θ-T₀)时，t＝τ。

由此得温度传感器热时间常数的含义：具有某初始温度的温度传感器放入温度恒定的介质中后，温度传感器的温度变化量由零达到介质温度与温度传感器初始温度之差的63.2％所用的时间。该时间，也就是本工具需要测得的热电阻电流响应时间。

同时式τ＝cm/δ又表明：由于介质因素的影响，一个温度传感器的热时间常数不是唯一的，此时需要测取在特定介质环境条件下的热时间常数值。

通过恒定的直流电流对热电阻进行加热，加热电流最大值不超过55mA(出于对现场热电阻设备的保护，在系统软件中设定其最大加热电流55mA，防止误操作导致电流过大烧毁现场热电阻设备)。

具体热电阻的测量，本发明中可以采用如图3所示三线制接线方法连接三线热电阻温度传感器，也可以适用于四线制热电阻，在应用在四线制热电阻的情况下，在连接系统之前需要将四线制转换为三线制即可实现同样的应用。在测量前先断开如图3中的限流电阻短路开关，使回路中直流恒定电流为1～2mA左右，调节惠斯通电桥另一桥臂上的电位器，使差分放大器的输出为零，此后闭合限流电阻短路开关使回路中直流电流上升到30～50mA并保持恒定，在开关闭合的同时开始对差分放大器的输出进行采集，直到该输出基本稳定时断开限流电阻短路开关并停止采集查分放大器的输出，如图4所示。

数值分析：将现场测量生成的各型感温元件的温度-时间平均值曲线按图5所示进行数值分析，得到各型感温元件的热响应时间τ。

趋势显示：将生成的各个型号感温元件的温度-时间平均值曲线、分析得到的各个型号感温元件的热响应时间和相关参数在同一份图表中显示出来，如图6所示。

本发明公开了一种热电阻故障诊断装置，该包括热电阻测试仪和便携式移动终端，热电阻测试仪和便携式移动终端通过USB数据线连接，热电阻测试仪通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器，本发明采用热电阻回路阶跃电流响应时间方法，不仅能够实现传统的温度探头诊断功能，而且还能对探头的安装环境导热变化、温度探头安装位置情况、温度探头的老化趋势给出诊断信息，能够给温度探头的预防性维修和纠正性维修给出合理有效的建议。

本发明在上述公开的装置的基础上，还公开了一种方法。

请参阅附图7，图7为本发明实施例提供的一种热电阻故障诊断方法流程示意图。如图7所示，本发明公开了一种热电阻故障诊断方法，应用于热电阻故障诊断装置，所述热电阻故障诊断装置包括热电阻测试仪和便携式移动终端，所述热电阻测试仪和所述便携式移动终端通过USB数据线连接，所述热电阻测试仪通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器，该方法包括：

S701、便携式移动终端将RTD测量分析软件控制数据采集系统的模拟输出通道输出控制电压，控制程控恒流源输出恒定电流，恒定电流经过信号线传给RTD传感器；

S702、数据采集系统的2路模拟量采集通道分别采集到信号线上的第一电压和第二电压，其中，第一电压包括两根信号线的电压和RTD传感器的电压，第二电压包括一根信号线的电压和RTD传感器的电压；

S703、便携式移动终端根据预设公式计算RTD传感器的电阻值，进行RTD传感器响应时间的测量和数据分析；

S704、根据RTD传感器响应时间的测量结果和所述数据分析结果计算被测热电阻的RTD传感器的热电阻阶跃电流响应时间、稳定预测值，作为测量参数数据；

S705、将被测热电阻的技术参数与测量参数数据进行对比，得到热电阻故障诊断结果。

具体的，本发明的工作原理：

RTDs热电阻故障在线诊断工具，采用惠斯通平衡电桥原理，设计和编写软件控制程序；设计和组装硬件设备，实现电阻值的采集和测量。如图5所示，RTD传感器的信号线(3芯)连接到RTDs热电阻在线诊断工具后，RTD测量分析软件控制数据采集系统的模拟输出通道AO1输出控制电压，使得程控恒流源输出电流(I)，电流经过信号线的1和2传给RTD传感器。

数据采集系统的模拟输入通道AI1和AI2分别采集到信号线上的电压U12和U13。其中U12的电压包括两根信号线的电压和RTD传感器的电压，U13的电压包括一根信号线的电压和RTD传感器的电压。因此RTD传感器的电压URTD＝2*U13-U12。根据公式RRTD＝URTD/I，可以计算出RTD传感器的电阻值。

综上所述，本发明公开了一种热电阻故障诊断装置及方法，该热电阻故障诊断装置包括热电阻测试仪和便携式移动终端，热电阻测试仪和便携式移动终端通过USB数据线连接，热电阻测试仪通过信号线连接被测热电阻的RTD传感器，本发明采用热电阻回路阶跃电流响应时间方法，不仅能够实现传统的温度探头诊断功能，而且还能对探头的安装环境导热变化、温度探头安装位置情况、温度探头的老化趋势给出诊断信息，能够给温度探头的预防性维修和纠正性维修给出合理有效的建议。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上结合附图对本发明所提出的方法进行了示例性描述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，如前后桥都有电机参与驱动的混合动力系统等。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。