专利名称：热电偶温度采集系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种温度测量的系统及方法，尤其是一种利用热电偶进行温度采集的系统及 方法。
背景技术：
温度是最重要的过程参数之一。据不完全统计，它大约平均占热工参数测量的60%左右 。温度检测精度对过程控制的质量有重要的影响。计算机技术促使研究和生产过程监控与自 动化技术迅速发展，从而提高了对过程参量检测和检测精度的要求。
目前，最广泛使用的温度检测元件是热电偶。热电偶制作简单并且价格便宜，其可测量 的温度范围也很大。热电偶的工作原理是将两种不同的金属导体在一端相互焊接，形成热 电偶的测量端(也称工作端)，并将该测量端插入待测物体温度的介质中；而热电偶的另一 端(参比端或自由端)则与一个测量温度的显示仪表或者装有数据采集装置的计算机相连。 由于不同金属导体的热膨胀系数不同，受热后会产生一定的电动势，称为塞贝克(seebeck )电压，该电压通过显示仪表或者装有数据采集装置的计算机利用电压-温度对照表，或者 根据电压-温度的关系公式将电压值转化为温度值显示出来。所有可导电的金属材质皆会因 金属内部所存在的不同温度分布层次(即温度梯度)而产生相对不同的热电动势，称为塞贝 克效应。热电偶产生塞贝克效应的大小是依据制造热电偶的金属化学成分而定。
以往，利用热电偶进行温度测量时，由于温度、湿度以及一些多通道冷接点补偿等原因 ，导致测量出的温度值不够精确，存在一定的误差，且现有技术中的热电偶温度采集装置仅 能在有限区域内进行温度采集，而不能进行远程温度采集。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种热电偶温度采集系统，其能够进行远程温度监控，实现 高精度的温度数据采集。
鉴于以上内容，还有必要提供一种热电偶温度采集方法，其能够进行远程温度监控，实 现高精度的温度数据采集。
一种热电偶温度采集系统，包括计算机、温度采集器及热电偶，该热电偶与温度采集器 相连，该计算机通过一个网络接口与所述温度采集器相连，用于监控该温度采集器采集所述 热电偶量测一待测物体的温度。该温度采集器包括至少一个从微程序控制器及通过系统控制
总线与该从微程序控制器相连的主微程序控制器。其中，所述从微程序控制器包括模拟数 字转换通道，用于采集所述热电偶量测上述待测物体时所产生的模拟电压信号；及模拟数字 转换装置，用于将上述模拟电压信号转换为数字信号，计算模拟数字转换通道的校正系数， 并根据该校正系数对模拟数字转换通道所采集的电压值进行校正。所述主微程序控制器用于 采集热电偶冷接点的温度值，计算该冷接点温度值的偏移量，并根据该冷接点温度值的偏移 量对所述冷接点的温度值进行补偿。所述计算机根据上述补偿后的冷接点温度值对上述校正 后的电压值进行冷接点补偿，并将补偿后的电压值转换为待测物体的实际温度值。
一种热电偶温度采集方法，包括如下步骤温度采集器内的模拟数字转换装置计算模拟 数字转换通道的校正系数；该模拟数字转换通道采集由一热电偶测量一待测物体所产生的模 拟电压信号并将其转换为数字信号的电压值；所述模拟数字转换装置利用所述模拟数字转换 通道的校正系数对该电压值进行误差校正；所述温度采集器通过网络接口将上述校正后的电 压值传送给一台计算机；该计算机将校正后的电压值进行冷接点补偿；及将补偿后的电压值 转化为待测物体的实际温度值。
相较于现有技术，所述的热电偶温度采集系统及方法，可以对待测物体进行远程温度监 控，对模拟数字转换通道所采集的温度数据进行校正，并且对热电偶冷接点的温度补偿，提 高了热电偶测量的精度。
图1是热电偶测量蜡烛火焰温度的示意图。 图2是本发明热电偶温度采集系统较佳实施例的系统架构图。 图3是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例的主要流程图。 图4是计算AD通道的校正系数的流程图。 图5是计算热电偶冷接点温度的偏移量的流程图。
图6是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中测量热电偶冷接点的温度的示意图。 图7是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中对AD通道采集的电压值进行校正的流程图。
图8是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中补偿冷接点温度的流程图。
图9是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例中计算待测物体实际温度值的流程图。
具体实施例方式
为了更好的理解本发明，现将有关术语作如下解释
冷接点与冷接点补偿在利用热电偶进行温度测量的时候，仅仅将热电偶与电压表或者
其它的测量系统相连接是不可以的，因为当将热电偶的金属丝连接到电压表或者测量系统的 同时会产生一些额外的电压。
如图1所示，是利用一个热电偶测量一个蜡烛火焰温度的示意图。该图中的热电偶由金 属丝铜(Cu)与钴(Co)在一端焊接而成，两根金属丝的另一端分别连接一个电压表的两根 铜丝。图中的热电偶共形成两个接点J1与J2，并且两个接点J1与J2都是由两根不同的金属丝 铜与钴连接而成。其中，Jl是热电偶接点，产生一个由蜡烛火焰温度而产生的塞贝克电压， J2是一个寄生的热电偶接点，它也会产生一个由电压表的环境温度而产生的电压。电压表测 量的电压值Vmeas其实是Vji与Vj2的代数和，因此为了计算J1接点产生的电压值，就必须知道 J2接点的电压值。以往，解决该问题的方法是将J2接点处于(TC的冰水混合物中，因此称J2 为冷接点，则VjfO，因此Vmeas4jb然而，在实际应用中，获得一个(TC的参考温度不太现 实，如果冷接点温度不是(TC，那么，为了确定实际热电偶接点(简称热接点)Jl的温度， 就必须已知冷接点J2的温度。考虑到非零冷接点温度的电压，必须对热电偶输出电压进行补 偿，即所谓的冷接点补偿。
如图2所示，是本发明热电偶温度采集系统较佳实施例的系统架构图。该热电偶温度采 集系统包括至少一个热电偶l集成于一块板子上、温度采集器2、计算机3及直流电源适配器 4 。该直流电源适配器4用于向所述温度采集器2提供工作电压。
热电偶l是由两种不同的金属导体在一端相互焊接而成，在本较佳实施例中，这两种金 属分别为铜与钴。热电偶1通过热偶线与温度采集器2连接。
该温度采集器2内装配有保护电路20、滤波处理器21、至少一个并行的从微程序控制器 (microprogram controller unit, MCU) 22 (本实施例以五个从MCU为例进行说明)、系统 控制总线(system management bus, SMBus) 23、主MCU 24、冷接点温度补偿传感器(Code Junction Compensation Sensor, CJC Sensor) 25及网络接口26。其中，所述从MCU 22通过 SMBus 23与主MCU 24相连，所述主MCU 24通过网络接口26与所述计算机3连接。该网络接口 26焊接在温度采集器2上，其遵从TCP/IP协议，传输速率为10/100兆。本实施例不限于此种 网络接口26，其还可以为其它类型的网络接口26，该网络接口26不限于焊接在温度采集器2 上。
保护电路20用于过流、过压时，保护温度采集器2内的芯片不被过电压击穿，该芯片包 括从MCU 22和主MCU 24。所述滤波处理器20连接两根铜线，分别与热电偶l的铜线与钴线相 连接。该滤波处理器20用于过滤热电偶1产生的模拟电压信号，其可以有效的去除干扰，增 强系统的抗干扰能力，使该模拟电压信号经过滤波处理器20变得平稳一些。当所述滤波处理
器20的一条铜线与热电偶1的钴线连接时，由于其金属材质不同，会产生一个电压(差)值 ;而当所述滤波处理器20的另一条铜线与热电偶1的铜线连接时，由于相同材质金属连接且 处理相同温度时并不形成热电偶，在该热电偶1的冷接点处会产生一个热电动势。
其中，每个从MCU 22包括一个多路开关及四个温度采集通道(模拟/数字转换通道，简 称AD通道)。所述多路开关用于控制所述从MCU 22的四个AD通道依次采集各自连接的热电偶 l量测待测物体的电压值，该待测物体如烤箱、温湿度柜等。所述AD通道是指数据传输的电 路。本实施例中的所有从MCU 22的多路开关可以在同一时间同时控制其相应的AD通道进行温 度采集。所述AD通道各带有一个具有模拟/数字(analog/digital， A/D)转换功能的AD装置 ，用于将所述AD通道所采集的电压值由模拟信号转换为数字信号，该数字信号通常以二进制 表示(以下统称为"二进制电压值")。该AD装置还用于计算AD通道所采集电压的校正系数 ，通过计算机3发送命令控制该AD装置校正所述二进制电压值。所述从MCU 22通过系统控制 总线(system management bus, SM Bus)将所述校正后的二进制电压值传送给主MCU 24， 该主MCU 24通过网络接口26将所述校正后的二进制电压值传递给计算机3，由该计算机3计算 出每个AD通道所采集的待测物体的实际温度值。当计算机3需远程控制温度采集器2时，用户 可以通过向本系统输入需控制的温度采集器2的IP地址，即可对该温度采集器2进行远程温度 监控。
本实施例中的AD装置还可以用于读取连接在该AD通道电路上的电压值，该电压值经温度 校正仪校正后直接计算出该AD通道所采集的温度值。由于从MCU 22通过AD装置计算所述温度 值需要占用较大的内存空间，因此，本实施例AD通道所采集的温度值由计算机3计算得出。
CJC Sensor 25用于测量滤波处理器20与热电偶1连接时在冷接点J2处产生的热电动势。 主MCU 24内存储一段计算程序，用于对所述热电动势进行模拟/数字转换，即将该热电动势 转换成一个二进制的数字信号(以下统称为"二进制热电动势")，计算出该二进制热电动 势对应的冷接点温度值及计算出该冷接点温度值的偏移量，根据该偏移量补偿所述冷接点温 度值，并将该补偿后的冷接点温度值通过网络接口26传送给计算机3。另外，所述主MCU 24 还包括一个闪存，用于存储所述AD通道所采集电压的校正系数、所述冷接点温度的偏移量及 热电偶l的类型。该热电偶1的类型包括T型、J型、K型、E型、N28型、N14型、S型、R型及B 型。本实施例中所述的热电偶温度采集系统支持T、 J、 K三种类型的热电偶l，图1所示为T型 热电偶l。
所述计算机3包括一个控制单元30、 一个数据接收单元32、 一个计算单元34及一个显示 单元36。该控制单元30向从MCU 22和主MCU 24发送命令，用于控制所述从MCU 22内的AD装置
校正所述二进制电压值，并控制所述主MCU 24内存储的计算程序补偿所述冷接点温度值。数 据接收单元32用于接收所述从MCU 22所发送的校正后的二进制电压值，并接收所述主MCU 24发送的补偿后的冷接点温度值。计算单元34用于将所述校正后的二进制电压值根据以下步 骤进行冷接点补偿将所述校正后的二进制电压值转换为十进制电压值V，并将所述补偿后 的冷接点温度值根据温度-电压之间的关系式转换为电压值Vh计算热电偶l所采集的待测物 体而产生的塞贝克电压值V(^V-Vh利用温度-电压之间的关系式将Vo转换为待测物体的实 际温度值To，并通过显示单元36显示出来。其中，所述计算单元34还可以通过搜索"电压-温度对照表"直接査找出所述塞贝克电压值对应的温度值，该"电压-温度对照表"为业界 公用的对照表。所述显示单元36可以为计算机3所连接的显示器。
如图3所示，是本发明热电偶温度采集方法较佳实施例的主要流程图。首先，所述AD装 置计算AD通道的校正系数，所述主MCU 24内的计算程序计算热电偶1冷接点温度值的偏移量 (步骤S300)。该AD通道依次采集各自连接的热电偶1量测待测物体的电压值，其中，该电 压值为模拟电压信号，AD装置将该模拟电压信号转换为以数字信号显示的二进制电压值(步 骤S301)。控制单元30控制所述AD装置根据所述校正系数校正该二进制电压值，并将该二进 制电压值传送给所述主MCU 24，该主MCU 24通过网络接口26将该二进制电压值传送给计算机 3 (步骤S302)。控制单元30控制所述计算程序根据所述冷接点温度值的偏移量补偿所述冷 接点的温度值，并将该补偿后的冷接点温度值通过网络接口26传送给计算机3 (步骤S303) 。数据接收单元32接收所述二进制电压值及补偿后的冷接点温度值，计算单元34根据该补偿 后的冷接点温度值将所述二进制电压值进行冷接点补偿(步骤S304)。所述计算单元34根据 该补偿后的电压值计算待测物体的实际温度值(步骤S305)。
如图4所示，是AD装置计算图3步骤S300中所述校正系数的流程图。由于AD通道所采集的 电压值可能因为某些因素，例如，放大倍数、有无缓冲器设置、前端电路、温度、湿度等影 响，导致误差的存在，为了使最终测得的待测物体的实际温度值更加准确，需要对AD通道进 行误差校正。
该校正系数计算步骤如下首先，步骤S400，所述AD装置接收用户从连接到AD通道上的 一温度校正仪(未图示)输入的标准电压值al，其中，ahO.OOO毫伏。于步骤S401中，接收 AD通道所采集的一个电压值，并将该电压值转换为二进制电压值bl。于步骤S402中，接收用 户从连接到AD通道上的温度校正仪输入的标准电压值a2，该a2为AD装置的满量程值。于步骤 S403中，接收AD通道所采集的另一个电压值，并将该电压值转换为二进制电压值b2。步骤 S404，所述AD装置根据上述接收及转换后的电压值计算出该AD通道的校正系数。该计算的公
式是由blx+y二al与b2x+y二a2组成的一个二元一次方程组。其中，所计算出的校正系数x表示 偏移量(offset) ， y表示斜率(span)。步骤S405，所述AD装置将计算出的校正系数x、 y 发送给主MCU 24，存于该主MCU 24的闪存内，以便后续对该AD通道所采集的电压值进行校正
如图5所示，是计算图3步骤S300中所述冷接点温度值的偏移量的流程图。在测量冷接点 J2的温度时，由于CJC Sensor 25本身可能存在的误差会导致测量的冷接点的温度有所偏差 ，因此要对其进行补偿，求出该热电偶l冷接点温度值的偏移量。计算方法如下于步骤 S500中，主MCU 24内的计算程序接收用户利用一个精度较高的温度计测量的冷接点的一个环 境温度值Tenv。于步骤S501中，该计算程序读取CJC Sensor 25所测量的冷接点的一个温度值 Tj2。
其中，CJC Sensor 25测量冷接点的温度值Tj2的示意图如图6所示，其中，Jl为热接点 ，J2是冷接点，L为一条等温线，在该等温线上的每一个点的温度都是相同的。J2与a点处于 同一条等温线上，因此J2点与a点温度相同。在测量a点温度的时候，首先，给该CJC Sensor 25—个工作电压，本较佳实施例中，该工作电压为正5伏；CJC Sensor 25测量出电阻r两端
的电压值Vr;因为电阻r的阻值为已知，设为R;则通过电阻r的电流可以根据公式^Vr/R，
求出电流I;最后利用电流与温度之间的关系式求出CJC Sensor 25测量的a点，即冷接点J2 的一个温度值Tj2。
于步骤S502中，计算程序利用Tenv与Tj2进行代数运算求出冷接点J2的温度的偏移量S ， 即偏移量S^env-Tj2。于步骤S503中，计算程序将该偏移量S存储于主MCU 24的闪存内，以 便后续对测量的冷接点J2的温度值进行补偿。
如图7所示，是图3步骤S302的具体流程图。首先，所述AD装置读取AD通道所采集的电压 值并将该电压值转换为二进制电压值Vmeas (步骤S700) 。 AD装置读取存储于所述闪存中的 AD通道的校正系数x与y (步骤S701)。该AD装置对所述二进制电压值Vmeas进行校正，校正 的方法为V=xVmeas+y (步骤S702)。从MCU 22将校正后的电压值V通过SMBus 23传送给主 MCU 24，该主MCU 24通过网络接口26将校正后的电压值V传送给计算机3 (步骤S703)。
如图8所示，是图3步骤S303的具体流程图。首先，步骤S800，计算程序读取CJC Sensor 25测量的冷接点的温度值t。步骤S801，该计算程序读取存储于所述闪存中的偏移量S ，并 对温度值t进行补偿，补偿公式为T=t+S。步骤S802，主MCU 24将补偿后的冷接点的温度 值T通过网络接口26传送给计算机3。
如图9所示，是图3步骤S305的具体流程图。该计算方法包括如下步骤首先，步骤
S900，计算单元34将校正后的二进制电压值V转换为一个以十进制表示的电压值VK)。步骤 S901，计算单元34根据温度-电压之间的关系式将补偿后的冷接点温度值T转换为电压值Vb 步骤S902，计算单元34计算热电偶1量测待测物体而产生的塞贝克电压值V^VK)-Vh即补 偿后的电压值。步骤S903，计算单元34利用温度-电压之间的关系式将Vo转换为待测物体的 实际温度值To，并通过显示单元36显示出来。
权利要求
1.一种热电偶温度采集系统，包括计算机、温度采集器及热电偶，该热电偶与温度采集器相连，其特征在于该计算机通过一个网络接口与所述温度采集器相连，用于监控该温度采集器所采集的所述热电偶量测到的一待测物体的温度；该温度采集器包括至少一个从微程序控制器及通过系统控制总线与该从微程序控制器相连的主微程序控制器，其中，所述从微程序控制器包括模拟数字转换通道，用于采集所述热电偶量测上述待测物体时所产生的模拟电压信号；及模拟数字转换装置，用于将上述模拟电压信号转换为数字信号，计算模拟数字转换通道的校正系数，并根据该校正系数对模拟数字转换通道所采集的电压值进行校正；所述主微程序控制器用于采集热电偶冷接点的温度值，计算该冷接点温度值的偏移量，并根据该冷接点温度值的偏移量对所述冷接点的温度值进行补偿；及所述计算机根据上述补偿后的冷接点温度值对上述校正后的电压值进行冷接点补偿，并将补偿后的电压值转换为待测物体的实际温度值。
2.如权利要求l所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述的温度采集器还包括滤波处理器，用于过滤热电偶测量待测物体产生的模拟电压信号。
3.如权利要求l所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述主微程序控制器包括闪存，用于存储所述模拟数字转换通道的校正系数及所述热电偶冷接点温度的偏移量。
4.如权利要求l所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述热电 偶冷接点的温度值是由 一冷接点温度补偿传感器测量所述热电偶的冷接点而得到。
5.如权利要求l所述的热电偶温度采集系统，其特征在于，所述计算机包括控制单元，向所述从微程序控制器和主微程序控制器发送命令，用于控制所述从微程 序控制器内的模拟数字转换装置校正所述数字信号，并控制所述主微程序控制器补偿所述冷 接点温度值，其中，所述数字信号为二进制电压值；数据接收单元，用于接收所述从微程序控制器所发送的校正后的二进制电压值，并接收所述主微程序控制器发送的补偿后的冷接点温度值；计算单元，用于将所述校正后的二进制电压值转换为十进制电压值，并将所述补偿后 的冷接点温度值根据温度与电压之间的关系式转换为电压值，通过该温度转换后的电压值和 所述十进制电压值计算热电偶所采集的待测物体的塞贝克电压值，并利用温度与电压之间的 关系式将该塞贝克电压值转换为待测物体的实际温度值；及显示单元，用于显示所述待测物体的实际温度值。
6. 一种热电偶温度采集方法，其特征在于，该方法包括温度采集器内的模拟数字转换装置计算模拟数字转换通道的校正系数；该模拟数字转换通道采集由一热电偶测量一待测物体所产生的模拟电压信号并将其转 换为数字信号的电压值；所述模拟数字转换装置利用所述模拟数字转换通道的校正系数对该电压值进行误差校正；所述温度采集器通过网络接口将上述校正后的电压值传送给一台计算机；该计算机将校正后的电压值进行冷接点补偿；及该计算机将补偿后的电压值转化为待测物体的实际温度值。
7.如权利要求6所述的热电偶温度采集方法，其特征在于，所述的模 拟数字转换装置计算模拟数字转换通道的校正系数的步骤包括接收用户输入的标准电压值al;读取模拟数字转换装置所采集到的一个电压值bl;接收用户输入的另一个标准电压值a2;读取模拟数字转换装置所采集到的另一个电压值b2;及根据上述四个电压值，计算出模拟数字转换通道的校正系数。
8.如权利要求6所述的热电偶温度采集方法，其特征在于，所述的计 算机将电压值进行冷接点补偿的步骤包括温度采集器内的主微程序控制器计算热电偶冷接点温度值的偏移量； 冷接点温度补偿传感器测量所述热电偶的冷接点的温度值； 温度采集器根据所述冷接点温度值的偏移量对上述温度值进行补偿； 计算机将补偿后的冷接点温度值转化为电压值；及将上述电压值与热电偶产生的电压值进行代数运算，得出冷接点补偿后的电压值。
9.如权利要求8所述的热电偶温度采集方法，其特征在于，所述的计 算热电偶冷接点温度值的偏移量的步骤包括接收一个温度计测量的热电偶冷接点的环境温度值T; 读取冷接点温度补偿传感器测量到的冷接点的温度值t;及 将T与t进行代数运算，计算出冷接点温度值的偏移量。
全文摘要
一种热电偶温度采集方法，包括温度采集器内的模拟数字转换装置计算模拟数字转换通道的校正系数；该模拟数字转换通道采集由一热电偶测量一待测物体所产生的模拟电压信号并将其转换为数字信号的电压值；模拟数字转换装置利用该模拟数字转换通道的校正系数对该电压值进行误差校正；温度采集器通过网络接口将上述校正后的电压值传送给一台计算机；该计算机将校正后的电压值进行冷接点补偿；及将补偿后的电压值转化为待测物体的实际温度值。本发明可以远程监控待测物体的温度，并对该温度进行校正与补偿，提高了热电偶的测量精度。
文档编号G08C19/02GK101339692SQ200710201018
公开日2009年1月7日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者余国俊, 徐华勇, 黄登聪, 丰 龙 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司