有源接地热电偶及操作方法与流程

文档序号:13985142
有源接地热电偶及操作方法与流程

本公开总体上涉及温度测量系统。更具体地,本公开涉及使用一个或多个接地热电偶的温度测量系统。



背景技术:

这部分的陈述仅仅提供了关于本发明的背景信息,并且可能并不构成现有技术。

热电偶是用来测量温度的传感器。热电偶通常包括由不同材料制成的两根线。这两根线在一端被焊接在一起,形成一个接合。当接合经历温度改变时,产生了电压。然后,这个电压反过来可以被解释以计算接合点处的温度。

通常存在三种类型的在测量温度时使用的热电偶:曝露的热电偶,接地热电偶和非接地热电偶。曝露的热电偶具有在探针壁或者鞘外面的接合,从而直接曝露于目标介质。这些类型的热电偶具有优异的热传递和快速的响应时间,但是受限于可使用它们时的目标介质的类型。通常,这些热电偶不适于苛性或者腐蚀性的环境。

对于非接地热电偶,这类热电偶的感测接合在物理上位于鞘内,但是与鞘电隔离。这导致响应时间较慢,但是具有的优点在于通过不连接到鞘而提供的电隔离赋予这些热电偶由于噪声降低而获得更精确的测量。这些热电偶也可以被用于苛性或者腐蚀性环境,并且是更结实的,因为鞘提供了对环境的保护。

接地热电偶也使用了鞘,但是具有与鞘直接电接触的接合。这些热电偶比非接地热电偶具有更快的响应时间且可以被用于苛性或者腐蚀性环境。但是,这些热电偶通常易受电噪声(诸如接地回路)的影响,所述电噪声影响了精度,尤其当测量温度变化小时。



技术实现要素:

本公开提供一种温度测量系统,其包括至少一个接地热电偶和与所述至少一个接地热电偶通信的处理器。所述处理器被配置成接收来自所述至少一个接地热电偶的测量值。当所述处理器接收来自所述至少一个接地热电偶的测量值时,所述至少一个接地热电偶被隔离电压偏置。

在另一形式中,提供了多个热电偶。在这种形式中,当所述处理器接收来自多个接地热电偶中的一个接地热电偶的测量值时,仅所述一个接地热电偶被所述隔离电压偏置。其他热电偶未被偏置,并且与所述隔离电压断开。

在又一形式中,该温度测量系统可以包括多路复用器。该多路复用器被配置成将取自所述多个热电偶中的一个热电偶的测量值提供至所述处理器。另外,该多路复用器可以被进一步配置成当所述处理器接收来自所述至少一个接地热电偶的测量值时,用所述隔离电压偏置所述至少一个接地热电偶。

在另一形式中,该温度测量系统可以包括与所述处理器和所述至少一个接地热电偶通信的模数转换器。该模数转换器被配置成将来自所述至少一个接地热电偶的测量值转换成数字并且将所述数字提供至所述处理器。

在又一形式中,所述至少一个接地热电偶可以使用单根信号线。在这种形式中,所述至少一个接地热电偶包括鞘,该鞘具有一个开口端和一个具有尖端的封闭远端。该封闭远端的尖端限定了一个接合。该信号线从所述开口端延伸到接合点。该信号线和该鞘由被配置成产生跨越该信号线和该鞘的电势的不同金属制成,该电势与所述接合点处的温度有关。

其他领域的适用性将由在本文中提供的描述而变得显而易见。应当理解描述和具体实施例仅仅是为了说明目的而不意在限制本发明的范围。

附图说明

在本文中仅出于例示的目的描述附图,而不意在以任何方式限制本发明的范围。

图1A是使用了两根线的接地热电偶的原理图表示;

图1B是使用了单根线的接地热电偶的原理图表示;

图2A是根据本发明的教导的使用接地热电偶的温度测量系统的方块图表示;

图2B是根据本发明的教导使用具有集成电子器件的接地热电偶的温度测量系统的方块图表示;

图3是根据本发明的教导使用接地热电偶的温度测量系统的电源的电气原理图表示;

图4A和4B是根据本发明的教导使用接地热电偶的温度测量系统的电气原理图表示;

图5是根据本发明的教导引入使用接地热电偶的温度测量系统的加热设备的立体视图;

图6是根据本发明的教导引入使用接地热电偶的温度测量系统的加热设备的另一立体视图,其中已经除去了耦合有部件的外部排气系统;

图7是根据本发明的教导引入使用接地热电偶的温度测量系统的加热设备的另一立体视图,其中已经除去了耦合有部件的外部排气系统;

图8是根据本发明的教导的图6的加热设备的立体横截面图;

图9A是根据本发明的教导的图8的部分A的放大的立体横截面视图;以及

图9B是根据本发明的教导的热电偶套管和接地热电偶与加热设备的立体视图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅仅是示例性的,并且绝非意在限制本公开或者其应用或用途。应当理解在整个说明书中,相应的附图标记表示类似或者相应的部分和特征。

本公开总体上涉及一种温度测量系统和与其相关联的使用方法。在整个本公开中在许多应用中描述了根据在本文中所包含的教导制造和使用的温度测量系统。这些应用中的一个应用包括柴油机排气系统。但是这仅是该温度测量系统的一种应用,并且该温度测量系统的引入和与其他类型的热管理应用结合使用被认为在本发明的范围内。

给出了下面的具体形式来说明根据本公开的教导的温度测量系统的设计和使用,并且不应当解释为限制本公开的范围。本领域技术人员根据本公开,将理解可以在本文中公开的具体形式中做出许多改变,并且仍然获得相同或者类似的结果,而不背离或者超出本发明的精神或者范围。本领域技术人员将进一步理解在本文中所描述的任何性能代表了常规测量的并且可以通过多种不同的方法来获得的性能。在本文中所述的方法代表了一种这样的方法,并且可以使用其他方法,而不超出本发明的范围。

参见图1A,示出了接地热电偶10A。在此,接地热电偶10A包括第一线12A和第二线14A。第一线12A和第二线14A在接合16A处连接到彼此。通常,第一线12A和第二线14A由不同的金属制成的。这些不同的金属可以包括宽范围的材料,例如铁,镍,铜,铬,铝,铂,铑和它们的合金。当然,应当理解当选择用于构建第一线12A和第二线14A的不同的金属时,可以使用适于构建热电偶的任何类型的材料。

接地热电偶10A还可以包括绝缘体17A。绝缘体17A包围并且保护第一线12A和第二线14A的多个部分。如果热电偶10A被用于高湿和高压的腐蚀性环境中,则绝缘体17A会是有用的。绝缘体17A可以由氧化镁制成;但是,也可以使用任何其他合适的材料。包封绝缘体17A,第一线12A和第二线14A的是鞘18A。鞘18A提供了对绝缘体17A以及第一线12A和第二线14A的保护。

当在接合16A处进行温度测量时,第一线12A和第二线14A的不同的金属将产生与温度有关的电压差。使用包含与具体温度有关的代表性电压的参考表,可以确定接合16A处的温度。

参见图1B,示出了另一版本的热电偶10B。应当理解使用类似的参考数字来表示类似的元件。因而,前面给出的任何描述是同等适用的。在此,热电偶10B使用了单根线构造。更具体地,单根线12B与接合16B连接。如前所述,为了使热电偶正常工作,必须使用两种不同的材料来产生代表温度的电压差。以这种形式,所使用的不同的材料存在于鞘18B中。基本上,当线12B在接合16B处连接到鞘18B时,可以在线12B和鞘18B之间测量到电压差。因而,不同于图1A中示出的构造,这种构造允许在读取代表温度的电压时使用单根线。

应当理解的是,前面的描述可以使用热电偶或者其组合。因而,根据这个描述进一步的,应当理解在此描述中对词“热电偶”的任何提及可以涉及图1A或者1B中所描述的热电偶。

参见图2A,示出了用于测量温度的系统20的方块图。作为它的主要部件,系统20包括处理器22、模数转换器24、多路复用器26和总线控制器28。系统20还包括热电偶10X、10Y和10Z。如前所述,热电偶10X、10Y和10Z可以是本说明书中前述的任何热电偶。同样,应当理解热电偶10X、10Y和10Z可以仅仅是一个热电偶或者可以是多个热电偶且不应该限于如所示出的三个热电偶。热电偶10X、10Y和10Z可以是具有集成电子器件的有源热电偶。

在此,热电偶10X、10Y和10Z与多路复用器26通信。多路复用器26的作用是多路复用从热电偶10X、10Y和10Z接收的数据。基本上,多路复用器26将向模数转换器24发送关于热电偶10X、10Y和10Z的信息,以消除到模数转换器24的多个连接。

模数转换器24然后将从多路复用器26接收的数据(其源自热电偶10X、10Y和10Z)转换成数字。这种数字然后被提供给处理器22以用于进一步处理。处理器22可以经由总线控制器28与其他系统通信。如果系统20例如被用于汽车,则总线控制器28可以是控制器区网络(CAN)型总线。

接地热电偶,诸如热电偶10X、10Y和10Z,具有对温度改变的快速响应时间的优点,但是具有的缺点在于它们易受电噪声影响,诸如接地回路。为了抑制伴随热电偶10X、10Y和10Z的电源的这样的接地回路,通常给热电偶10X、10Y和10Z提供隔离,然后进行通过热电偶10X、10Y和10Z生成的测量。

系统20使用了用于偏置的隔离电压30,并使用了隔离接地31。隔离电压30和隔离接地31与来自任何其他潜在系统的电源电压和接地电压分开。例如,如果系统20被用于汽车,则隔离电压30和隔离接地31是分开的,并且与汽车的正极端子电源电压和由汽车的底盘所提供的接地分离。

此隔离电压30将热电偶10X、10Y和10Z,处理器22,模数转换器24和多路复用器26偏置。至于接地,热电偶10X、10Y和10Z,处理器22,模数转换器24和多路复用器26被接地到隔离接地31。

但是,还给热电偶10X、10Y和10Z提供了附加的隔离。在此实施例中,当通过热电偶10X、10Y或者10Z中的一个取得期望的测量值时,将仅用隔离电压30偏置热电偶10X、10Y和10Z。更具体地,当从热电偶10X取得测量值时,隔离电压将偏置热电偶10X而不偏置热电偶10Y和10Z。以类似方式,如果测量值取自热电偶10Y,则隔离电压将被施加到热电偶10Y并从热电偶10X和10Z移除。类似地,如果测量值取自热电偶10Z,则隔离电压将偏置热电偶10Z且从热电偶10X和10Y移除。

这种方法利用了这样的事实,即,热电偶10X、10Y和10Z中的每个将可能附接到相同的接地(诸如汽车的底盘)上,并且将具有大致相同的相对电压。如果全部的热电偶10X、10Y和10Z同时被隔离电压30偏置,则相对电压会导致热电偶10X、10Y和10Z之间出现噪声电流。因为非常小的信号电平是由热电偶10X、10Y和10Z测量的,因此这些小的变化将造成测量误差。系统20的优点是无需完全隔离每个热电偶,因为将仅偏置热电偶10X、10Y或者10Z中的一个热电偶。

参见图2B,如前所述,热电偶10X、10Y和/或10Z可以是具有集成电子器件的有源热电偶。例如,热电偶10X、10Y和/或10Z中的一个或多个可以引入电子部件。更具体地,热电偶10X、10Y和/或10Z中的一个或多个可以包括外壳47,该外壳47包含处理器26、模数转换器24和/或多路复用器22。除了这些和部件之外,热电偶10X、10Y和/或10Z中的一个或多个的外壳47可以包括下面的段落中所描述的电源44。

参见图3,示出了用于测量系统20的电源40。电源40包括电压输入42。这个电压输入42可以连接到汽车的电池的正电压端。提供到电压输入42的电压然后被提供到电源40的过压保护部分44。当电路中的电压升高到它的设计上限以上时,发生过压。取决于过压事件的持续时间,过压事件可以是瞬态(电压尖峰)或者永久的,导致电源浪涌。

一种形式的过压保护部分44包括二极管46,用于保护连接到电压输入42的电源。另外,晶体管48与二极管46串联连接。除了这两个元件,过压保护部分44还包括如图3中示出的其他电元件,用于发信号和调节。当如示出进行连接时,二极管46,晶体管48和其他部件为电源44的电源部分46提供过压保护。

电源44的电源部分46负责生成提供到用于测量温度的系统20的隔离电压和接地。电源部分50包括调节器52。调节器52充当调节输出电压的调节器,例如提供到用于测量温度的系统的隔离电压。调节器52可以例如是德克萨斯州Austin的Texas Instruments,Inc.所生产的LM5019调节器。调节器52具有的优点在于它能够产生隔离电压,而无需向反馈电路提供反馈来监控隔离电压以提供在预期范围内的隔离电压。装置52是基于使用与输入电压成反比例的接通时间的恒定接通时间控制方案。这种控制方案可能不需要回路集中。电流限制是用与输出电压(在这种情况中是隔离电压)成反比例的强制关闭时间来实施的。这种方案提供了短路保护,同时提供了最小反馈。电源部分50输出隔离电压30,以及隔离接地31。隔离电压30和隔离接地31都被提供到用于测量温度的系统20。

参见图4A,此图例示了示出热电偶10X、10Y和10Z以及多路复用器26的电路图。在此,热电偶10X、10Y和10Z被隔离电压30偏置。另外,多路复用器26也被隔离电压30偏置。如前所述,仅一个多路复用器10X、10Y或者10Z可以被隔离电压30偏置。当所选择的热电偶进行测量时,这种偏置仅对于热电偶10X、10Y和10Z中的一个发生。将隔离电压30施加到热电偶10X、10Y或者10Z可以通过多种不同的方法来发生。在此实施例中,多路复用器26具有当执行读取时将隔离电压30提供到热电偶10X、10Y和10Z中的仅一个的能力。如前所述,取决于要使用哪个热电偶,多路复用器26将向输出线54输出代表通过一个热电偶10X、10Y或者10Z所测量的温度的模拟信号。

参见图4B,此图示出了模数转换器24,处理器22和网络控制器28的电路原理图表示。在此,此实施例包括两个独立的模数转换器24A和24B,以及两个独立的网络控制器28A和28B。应该理解的是使用仅单个模数转换器24A或者24B是可能的。以类似方式,应该理解也可以使用单个网络控制器28A或者28B。类似地,可以使用任何数目的转换和控制器,同时这在本公开的范围内。

不管使用的模数转换器的数目如何,两个模数转换器24A和24B各自具有施加到它们的隔离偏置电压30以及隔离接地31。模数转换器24A和24B从线54接收来自多路复用器26的模拟信号,并且将该模拟信号转换成数字。这个数字进而被提供到处理器22。处理器22可以在内部存储该数字或者也可以使用独立的存储装置56,诸如EEPROM。

由此,处理器22可以将温度信息提供到总线58。在此实施例中,总线58是CAN总线。该CAN总线可以使用单芯片网络控制器,诸如控制器28,或者可以使用多芯片隔离网络控制器,诸如网络控制器28B。提供到总线58的数据可以被提供到连接到该总线的其他系统。如果所述其他系统是汽车相关的,则这些系统可以使用由其他系统(诸如用于柴油机排气系统的加热器)的热电偶10X、10Y和10Z所提供的温度信息。

如前所述,热电偶10X、10Y和/或10Z可以引入电子部件。如同前面那样,热电偶10X、10Y和/或10Z中的一个或多个可以引入图2A和2B中所示出的和所描述的电子部件。更具体地,热电偶10X、10Y和/或10Z中的一个或多个可以包括外壳,该外壳包含处理器26,模数转换器24A和24B,和/或多路复用器22。除了这些和部件之外,热电偶10X、10Y和/或10Z中的一个或多个的外壳可以包括图3的电源44和/或网络控制器28A和/或28B。基本上,热电偶10X、10Y和/或10Z具有连接到热电偶10X、10Y和/或10Z的鞘的外壳,并且包含前述电子器件的任一组合。另外,该外壳可以具有一个端口或者一组线,其允许整个热电偶组件连接到总线,诸如CAN总线。

如前所述,系统20可以被用于许多不同应用中的任意一种。一种这样的应用是加热器系统,该加热器系统被用于排气系统中,该排气系统联接到内燃机以帮助减少不期望的不同气体和其他污染物排放物释放到大气中。这些排气系统典型地包括不同的后处理装置,诸如柴油机颗粒过滤器(DPF);催化转化器;选择性催化还原器(SCR),其捕集废气中所包含的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、颗粒物质(PM)和未燃烧的烃(HC);柴油机氧化催化器(DOC);贫NOx阱(LNT);氨泄漏催化器;或者重整器等。可以定期或者在预定时间启用加热器,以增加排气温度并且使催化剂活化和/或燃烧在排气系统中已经捕集的颗粒物质或者未燃烧的烃。这些加热器的启用可以由处理器确定,该处理器接收来自传感器的温度信息,诸如热电偶10X、10Y和10Z以及上述温度测量系统20。

参见图5,一种其中采用本发明的教导的这样的系统是加热设备101,该加热设备101在一种形式中总体包括接线盒105、穿孔的盒组件110、包括一个或多个可分离的容器区部件115的容器主体114、以及加热器法兰部件120。这种加热设备101可以类似于公开的美国专利申请2014/0190151——与本申请属于共同所有者并且在此以参考的方式完整引入——中所描述的加热设备。排气系统联接部件125可以被设置在容器主体114的相对端,以将加热设备101联接到排气系统(未示出)中。废气从排气系统穿过加热设备101中形成的路径130流动到加热设备101中。路径130是由容器主体114和加热器法兰部件120共同限定的。加热器法兰部件120通常在一种形式中具有板式构造。加热设备101的模块化设计允许加热设备101中不同部件的尺寸保持相同而仅变化每个部件的长度来适应应用的需要。接线盒盖107可以被引入到加热设备101中。在一些应用中,诸如在柴油机排气系统等中,由应用引起的振动可以到的程度是使得至少一个支撑支架(未示出)是必需的以有效地安装加热设备101。

参见图6和7,加热设备101还包括一个或多个加热器元件135和一个支架组件140。在一种形式中,支架组件140包括可选的上部脊柱部件141、一个或多个元件支撑部件143和可选的下部脊柱部件145。在一种形式中,元件支撑部件143包括多个柱143,所述多个柱143联接到相应的一个加热器元件135,并且被布置成垂直于容器主体114的纵轴线X。柱143联接到容器主体114的容器区部件115或者联接到可选的上部脊柱部件141和可选的下部脊柱部件145。当期望的应用不需要支架组件140具有上部脊柱部件时,柱143可以直接联接到加热器法兰部件120。柱143包括可选的分流器170,该可选的分流器170阻挡废气沿着加热设备101中所形成的路径130的中心的流动。

加热器元件135可以表现出预定的(例如,测量的)或者可预见的性能特性。这样的性能特性的一个例子包括当加热器元件35被曝露于预先选择的电压或者处于特定的工艺流条件下时加热器元件35的加热速率。将加热器元件135选择为缆线加热器,管式加热器,盒式加热器,挠性加热器,分层加热器,金属箔或者金属绒加热器。替代地,加热器元件135是缆线加热器或者管式加热器,或者裸线加热器等。

加热器法兰部件120与容器主体114的一个或多个容器区部件115联接,以使得它们形成包围一个或多个加热器元件135的外部罩并且建立了用于废气流动通过加热设备101的路径130。加热器法兰部件120和一个或多个容器区部件115可以通过使用接头121来彼此接触。接头121可以位于加热器法兰部件120或者位于一个或多个容器区部件115上。一个部件115、120中的每个接头121与位于另一部件120、115中的孔122匹配。使用接头121使得在将加热器法兰部件120联接到容器主体114之前组装加热器法兰部件120、支架组件140和加热器元件135更容易。

现在参见图8A,接线盒105在加热器元件135和电源(未示出)之间建立了电连接109,同时穿孔的盒组件110通过建立用于更长的传导和辐射热传递的路径以及允许对流空气冷却来提供冷却电连接109和加热器元件135的手段。穿孔的盒组件110具有至少一个穿孔的壁或者裙部,由此将穿孔的盒组件110的内部曝露于大气。穿孔的盒组件110被用于这样的应用,其中热的量级是冷却接线盒105所需要的。本领域技术人员将理解壁或者群部中存在的穿孔可以表示一个或多个穿孔,其中每个穿孔具有任意尺寸或者形状。

加热设备101可以进一步包括一个或多个支架管60,所述支架管从穿孔的盒组件110穿过加热器法兰部件120突出到由容器区部件115所形成的外部罩中。每个支架管160环绕加热器元件135来为加热器元件135提供机械支撑。可选的穿孔的盒的顶部和底部、穿孔的盒的壁和支架管中的一个或多个可以使用镍或者铜被铜焊在一起。当期望时,本领域技术人员将理解可以将加热器元件135直接铜焊到接线盒105和可选的穿孔的盒110,由此不需要支架管160。可以通过本领域技术人员已知的任何手段来完成铜焊,包括但不限于同时炉内铜焊或者通过手工铜焊方法。

加热器法兰部件120、穿孔的盒组件110的穿孔的壁或者裙部以及支架管160可以由适于在排气系统中使用的任何材料制成;替代地,它们由金属或者金属合金制成。金属接合方法,诸如铜焊等,可以被用来接合加热器法兰部件、穿孔的盒组件的穿孔的裙部和支架管。金属接合方法的一个具体实施例包括首先将要接合的部件点焊到适当位置,然后在炉子中执行镍铜焊。这样的铜焊方法提供了强度并且密封了排气,并在同一时间形成到支架管的全部接合。

加热设备110可以是“智能的”加热设备并且可以包括至少一个加热器元件135和至少一个热电偶10的组合。可选地,加热设备101可以进一步包括LIN总线,CAN总线或者能够在至少两个系统部件之间提供通信路径的其他类型的总线。

热电偶10可以与加热器元件135的鞘接触,该热电偶10位于与加热器元件135相邻的元件支撑部件(例如柱143)上,或者位于加热器元件135的上游或下游。热电偶10可以是本申请前述的任何热电偶,诸如图1A和图1B中所示出的和所描述的那些热电偶。附加地,可以使用多于一个热电偶10。

热电偶10可以测量加热器元件135的特定或者期望的位置中的温度。使用热电偶10的温度测量系统可以是前述的温度测量系统20。通过热电偶10测量温度允许在加热器元件135接近或者超过根据要执行的应用建立的预定温度限制时加热设备1降低功率。热电偶10也可以出于诊断目的被使用。

除了使得热通量最大化和降低制造成本之外,智能加热设备提供了增强诊断能力的益处。强的诊断能力常取决于加热器元件之间所表现出的变化。能够使用具体加热器元件的性能特性或者信息的智能加热设备通过允许校正或者补偿由制造差异引起的至少一部分的随机变化来提供增强的诊断能力。智能加热设备可以补偿柴油机氧化催化器(DOC)、柴油机粒子过滤器(DPF)、选择性催化还原器、贫NOx阱或者包括后处理催化器的另一排气部件中存在的热梯度。本领域技术人员将理解通过使用智能加热设备也可以启动其他诊断活动。

现在参见图9A和9B,加热设备101可以进一步包含热电偶套管155,该热电偶套管155集成地附接到支架组件140的柱143,以使得热电偶套管155允许加热器元件135和热电偶组件156之间间接地和/或直接地接触。热电偶套管155是当安装用于在加热设备101中使用时用来保护热电偶10的管配件。热电偶套管55也可以是两端都开口的管配件,其由此允许热电偶10与流动废气进行直接接触,同时热电偶套管55充当了密封件以防止当热电偶10被插入到加热设备101中时气体逸出。热电偶套管55可以被放置成与支架组件140的任何柱143接触。替代地,热电偶套管155可以被放置在加热设备101中的第二到最后的加热器元件135上,因为它通常是最热的绕组中的一个,并且废气就在离开加热设备101之前流过它。当期望时,热电偶10不需要与加热器元件135实际接触。在所例示的设计中,加热器元件135实际上接触柱143和/或U形通道支架180,同时热电偶套管155接触柱143并且热电偶10接触热电偶套管155。本领域技术人员将理解,期望的是在产品寿命期内具有一致的热路径,但是无需元件直接接触。

出于例示和说明的目的已经呈现了本发明不同形式的前述说明。并非意在穷举或者将本发明限制到所公开的具体形式。根据上述教导,许多改变或者变化是可能的。选择和描述所讨论的形式来提供对于本发明原理及其实际应用的最佳例示,由此使得本领域技术人员能够以不同形式使用本发明,并且可以预期适用于特定用途作的不同改变。当根据公平、合法和公正地赋予它们的范围时,所有这样的改变和变化处于由所附权利要求所确定的本发明的范围内。

再多了解一些
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