多通道高精度測溫系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于計(jì)算機(jī)平臺的多通道高精度測溫系統(tǒng)。包括熱電偶接入模塊、熱電偶通道測量模塊、熱電偶冷端測量模塊、上位機(jī)接口和上位機(jī)。本發(fā)明提供了一種提高了溫度測量的集成度和測量精度的多通道高精度測溫系統(tǒng)。
【專利說明】多通道高精度測溫系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子測試測量領(lǐng)域，涉及虛擬儀器技術(shù)，尤其涉及一種基于計(jì)算機(jī)平臺的多通道高精度測溫系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，市面上的多通道高精度熱電偶測溫系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償方式多種多樣，有0°C恒溫法、熱電偶補(bǔ)償法，補(bǔ)償電橋法、補(bǔ)償導(dǎo)線法以及軟件冷端補(bǔ)償法等。
[0003](TC恒溫法是將熱電偶冷端放在冰和水混合的容器中，保持冷端為0°C不變。這種方法精度高，但在工程中應(yīng)用很不方便，不好實(shí)現(xiàn)。
[0004]熱電偶補(bǔ)償法是在測溫?zé)犭娕蓟芈分蟹聪虼?lián)一個(gè)同型號的熱電偶作為補(bǔ)償熱電偶，并將其測量端置于恒溫T0(0°c)，以其反向熱電勢補(bǔ)償測溫?zé)犭娕嫉睦涠藴囟?。這種方法和0°C恒溫法一樣，在工程中應(yīng)用同樣不方便，不好實(shí)現(xiàn)。
[0005]補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補(bǔ)償器)產(chǎn)生不平衡電壓來自動補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。因?yàn)闊犭娕际欠蔷€性的，采用這種方法的測量結(jié)果精度會受到限制，不能實(shí)現(xiàn)高精度的熱電偶溫度測量。
[0006]補(bǔ)償導(dǎo)線法即延長熱電極法，將熱電偶的自由端引至測量設(shè)備處，而測量設(shè)備放在恒溫或溫度波動較小的地方。采用這種方法也不能實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測量。
[0007]還有就是軟件補(bǔ)償法，軟件冷端補(bǔ)償是測溫裝置同時(shí)采集熱電偶通道和熱電偶冷端溫度，通過冷端溫度換算成冷端電壓對熱電偶通道的實(shí)測電壓進(jìn)行補(bǔ)償，然后轉(zhuǎn)換成被測對象的溫度。這種方法硬件實(shí)現(xiàn)簡單，測量精度高。在基于計(jì)算機(jī)的測溫裝置中使用優(yōu)勢明顯。但每個(gè)熱電偶具有一個(gè)冷端，使得測量通道增加了一倍。當(dāng)熱電偶通道數(shù)較多時(shí)，需要測量的冷端也較多。
[0008]目前的高精度ADC多為2-A型ADC。2- A型ADC利用過采樣技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，可獲得很高的測量精度。但這種ADC采樣率較低，采用多路復(fù)用開關(guān)的方式擴(kuò)充通道時(shí)，能夠擴(kuò)展的通道數(shù)有限。而且擴(kuò)展的通道數(shù)越多則會更大地降低測量精度。如果能夠減小測溫產(chǎn)品的測量通道則能提高產(chǎn)品測量精度。
[0009]高精度的熱電偶測溫系統(tǒng)，測試電路的零偏、零漂以及增益溫度穩(wěn)定性對于測溫裝置的測量精度都是不能忽視的因素。較大的零偏、零漂以及較差的溫度穩(wěn)定性嚴(yán)重影響著高精度測溫系統(tǒng)測量指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這也是市場現(xiàn)有熱電偶測溫產(chǎn)品普遍存在且不好解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種多通道高精度測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用熱電偶冷端共用技術(shù)，自動調(diào)零通道零偏、零漂補(bǔ)償和增益溫度補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道高精度溫度測量。有效地提高了測量精度，改善了高精度測量產(chǎn)品的零偏以及溫度穩(wěn)定性。[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0012]一種多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括熱電偶接入模塊、至少一組熱電偶通道測量模塊、熱電偶冷端測量模塊和用于進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)；
[0013]上述熱電偶接入模塊包括用于冷端溫度測量的冷端測溫傳感器和用于熱電偶接入的連接端子；
[0014]上述熱電偶接入模塊通過連接器分別與熱電偶通道測量模塊和熱電偶冷端測量豐吳塊連接；
[0015]上述熱電偶通道測量模塊與熱電偶冷端測量模塊通過上位機(jī)接口將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；
[0016]上述熱電偶冷端測量模塊包括多個(gè)冷端測量通道和與冷端測量通道相對應(yīng)的冷端測溫傳感器；
[0017]上述每組熱電偶通道測量模塊包括依次連接的一個(gè)直接接地的自動調(diào)零通道，用于通道復(fù)用的多路復(fù)用器，一個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的AD，還包括板內(nèi)溫度傳感器；
[0018]上述熱電偶冷端測量模塊包括多個(gè)冷端組；所述每個(gè)冷端組設(shè)置有一塊導(dǎo)熱銅皮，不同組的導(dǎo)熱銅皮互相隔離；
[0019]上述上位機(jī)包括通過軟件算法對熱電偶通道測量模塊進(jìn)冷端補(bǔ)償、零偏補(bǔ)償和溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)能浖惴ㄑa(bǔ)償模塊；
[0020]上述上位機(jī)接口為PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串口 ；
[0021]上述熱電偶接入模塊采用U型連接器、螺釘接線柱接入。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的主要特點(diǎn)是熱電偶的軟件冷端補(bǔ)償及補(bǔ)償通道共用以及通過自動調(diào)零通道和內(nèi)嵌測溫傳感器實(shí)現(xiàn)高精度，高穩(wěn)定性的溫度測量。提高了溫度測量的集成度和測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明冷端測溫傳感器布局和通道共用示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明熱電偶通道測量原理框圖；
[0026]圖4為本發(fā)明熱電偶冷端測量原理框圖；
[0027]圖5為本發(fā)明PXIe系統(tǒng)框圖；
[0028]圖6為本發(fā)明軟件處理流程圖；
[0029]其中1-熱電偶接入模塊，2-熱電偶接入模塊，3-熱電偶冷端測量模塊，4-上位機(jī)接口，5-上位機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]參見圖1-圖6，一種多通道高精度測溫系統(tǒng)，包括熱電偶接入模塊1、至少一組熱電偶通道測量模塊2、熱電偶冷端測量模塊3和用于進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)5 ;熱電偶接入模塊I包括用于冷端溫度測量的冷端測溫傳感器和用于熱電偶接入的連接端子；熱電偶接入模塊I通過連接器分別與熱電偶通道測量模塊2和熱電偶冷端測量模塊3連接；熱電偶通道測量模塊2與熱電偶冷端測量模塊3通過上位機(jī)接口 4將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)5 ;熱電偶冷端測量模塊3包括多個(gè)冷端測量通道和與冷端測量通道相對應(yīng)的冷端測溫傳感器；每組熱電偶通道測量模塊2包括依次連接的一個(gè)直接接地的自動調(diào)零通道，用于通道復(fù)用的多路復(fù)用器，一個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的AD，還包括板內(nèi)溫度傳感器；熱電偶冷端測量模塊3包括多個(gè)冷端組；所述每個(gè)冷端組設(shè)置有一塊導(dǎo)熱銅皮，不同組的導(dǎo)熱銅皮互相隔離；上位機(jī)5包括通過軟件算法對熱電偶通道測量模塊進(jìn)冷端補(bǔ)償、零偏補(bǔ)償和溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)能浖惴ㄑa(bǔ)償模塊；上位機(jī)接口 4為PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串口 ；熱電偶接入模塊2采用U型連接器、螺釘接線柱接入。
[0031]熱電偶通道測量的溫度傳感器實(shí)時(shí)對板卡的工作溫度進(jìn)行檢測；上位機(jī)軟件補(bǔ)償算法包括采用測量的地信號數(shù)據(jù)對熱電偶測量通道進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，也包括采用實(shí)時(shí)測到的板卡工作溫度對測試結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。冷端的分組可根據(jù)PCB布局就近選擇，一般2到6個(gè)通道可分為一組；
[0032]熱電偶通道的分組根據(jù)系統(tǒng)測試精度要求進(jìn)行通道劃分，對于選定的2-A型ADC,復(fù)用的通道數(shù)越少可獲得更高的測量精度。
[0033]上位機(jī)軟件的溫度補(bǔ)償系數(shù)可通過板卡在環(huán)境試驗(yàn)0°C -50°C工作時(shí)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲得。
[0034]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖，本發(fā)明由五個(gè)部分構(gòu)成，包括I熱電偶接入、2熱電偶通道測量、3熱電偶冷端測量、4計(jì)算機(jī)接口和5計(jì)算機(jī)五個(gè)部分，其中計(jì)算機(jī)為軟件設(shè)計(jì)，其他四部分需要進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。1-4部分根據(jù)計(jì)算機(jī)接口的不同可以在一個(gè)模塊上實(shí)現(xiàn)、也可以分幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。如計(jì)算機(jī)接口選擇基于PXI和PXIe總線形式，則可分兩個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)模塊僅實(shí)現(xiàn)I熱電偶接入部分，2-4部分由另一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)模塊通過連接器進(jìn)行連接。
[0035]圖2為冷端測溫傳感器布局和通道共用，即熱電偶接入部分的實(shí)現(xiàn)。這部分可采用U型連接器、螺釘接線柱等方式連接，圖2示例為32個(gè)熱電偶輸入通道的螺釘接線柱實(shí)現(xiàn)方式。由圖可知:熱電偶輸入通道TC0-TC3公用一個(gè)冷端，該冷端溫度由SRO進(jìn)行測量；TC4-TC6公用一個(gè)冷端，該冷端溫度由SRl進(jìn)行測量；TC8-TC10、TC16-TC18公用一個(gè)冷端，該冷端溫度由SR3進(jìn)行測量，等等。這樣，32個(gè)熱電偶輸入通道僅用8個(gè)冷端來實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了 24個(gè)冷端通道測量。減少了硬件資源，降低了成本并提高了精度。這里需要注意的是，冷端共用的通道在PCB上需要靠近分布，處于相鄰或相近的位置，冷端測溫傳感器需要靠近這些通道布局。冷端共用的通道所占區(qū)域在PCB布線時(shí)需要鋪銅并與其他區(qū)域進(jìn)行隔離。這樣能夠保證該區(qū)域內(nèi)溫度恒定。如圖2中灰色部分，整個(gè)PCB板分了 8個(gè)區(qū)域，鋪了 8塊互不關(guān)聯(lián)的銅皮。
[0036]圖3是熱電偶測溫通道原理框圖，這里為了提高測量精度，將32個(gè)熱電偶通道分為兩組，分別由兩個(gè)24位2-A型ADC進(jìn)行采集。每個(gè)AD包含16個(gè)熱電偶輸入通道。要追求更高的測量精度可用更多個(gè)ADC進(jìn)行采集。
[0037]圖3中每個(gè)AD的多路復(fù)用前端，除了 16個(gè)熱電偶輸入通道外又包含了一個(gè)自動調(diào)零通道，該通道直接連接到信號地。對地信號進(jìn)行測量。
[0038]對自動調(diào)零通道的使用可有多種方式，這里舉兩種進(jìn)行說明。方式I是在每次任務(wù)開始時(shí)采集自動調(diào)零通道，并求采集數(shù)據(jù)的平均值作為地電平，此后采集的每通道數(shù)據(jù)與自動調(diào)零通道采集的平均值求差作為實(shí)際測量值；方式2是任務(wù)中配置的各通道每完成一次采集，采集一次自動調(diào)零通道。采集的每通道數(shù)據(jù)與自動調(diào)零通道采集數(shù)值求差作為實(shí)際測量值。這兩種工作模式，第一種能夠改善模塊的零偏及其時(shí)漂；第二種通過實(shí)時(shí)檢測地電平電壓并補(bǔ)償測試數(shù)據(jù)，能夠改善模塊零偏及零偏電壓的時(shí)漂和溫漂。這兩種方式都能夠有效提高板卡的測量精度。
[0039]圖3中又包含了一個(gè)溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)檢測測溫裝置的板內(nèi)溫度。如果知道測溫裝置板卡的溫度特性，根據(jù)測溫裝置板內(nèi)溫度對測量結(jié)果進(jìn)行系數(shù)補(bǔ)償。則能夠有效提高板卡的測量精度。測溫裝置板卡的溫度特性可以通過(TC?50°C或-20°C?55°C等溫度區(qū)間的環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行獲得。
[0040]圖4為熱電偶冷端測量原理框圖。32個(gè)熱電偶通道通過冷端共用，只有8個(gè)冷端補(bǔ)償通道。8個(gè)冷端補(bǔ)償通道通過多路復(fù)用方式采用一個(gè)AD進(jìn)行采集。冷端溫度傳感器有很多種，可以是測溫半導(dǎo)體，熱敏電阻等。圖2和圖4所示原理均已熱敏電阻進(jìn)行說明。熱敏電阻需要激勵(lì)電壓源，激勵(lì)電壓源由電壓基準(zhǔn)U2和具有一定驅(qū)動能力的運(yùn)放Ul構(gòu)成。電壓基準(zhǔn)U2提供精準(zhǔn)的電壓參考，其輸出經(jīng)過運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器進(jìn)行驅(qū)動后直接作為熱敏電阻(圖2中的SR0-SR7)的激勵(lì)電源。每一路的熱敏電阻分別經(jīng)過電阻進(jìn)行分壓(圖4中的R1-R8)，然后經(jīng)過多路復(fù)用器(模擬開關(guān)U3)選擇輸出。熱敏電阻的阻值與熱電偶冷端溫度具有一定的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)熱電偶冷端溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值會發(fā)生改變，使得多路復(fù)用器U3選擇輸出的電壓信號也會發(fā)生改變，該電壓信號經(jīng)由儀表放大器U4進(jìn)行放大調(diào)理后供給AD進(jìn)行采集。
[0041]圖5是PXIe系統(tǒng)框圖和測溫裝置的構(gòu)成形式，左圖給出了一個(gè)基于PXIe總線測溫裝置的系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、零槽控制器、PXIe機(jī)箱、測溫裝置和傳感器構(gòu)成，一個(gè)PXIe機(jī)箱可插入多個(gè)測溫裝置構(gòu)成更大通道的溫度測量系統(tǒng)。右圖描述了基于PXIe總線的測溫裝置的構(gòu)成形式。該測溫裝置由PXIe測溫模塊和熱電偶輸入接線盒兩部分構(gòu)成，輸入接線盒實(shí)現(xiàn)熱電偶信號接入并包含冷端溫度測量傳感器，PXIe測溫模塊包含熱電偶通道測量和熱電偶冷端測量以及PXIe總線接口。
[0042]圖6為多通道高精度測溫裝置的軟件處理流程。該流程描述了任務(wù)配置、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)結(jié)果處理等整個(gè)軟件處理過程。
[0043]本發(fā)明通過電子電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)對熱電偶輸出信號進(jìn)行測量及測量結(jié)果顯示，以實(shí)現(xiàn)對被測對象溫度的測量。熱電偶輸出信號為微弱緩變電壓信號，信號范圍為幾毫伏到幾十毫伏。信號最大帶寬在幾赫茲或幾十赫茲。根據(jù)熱電偶的信號特點(diǎn)，通過模擬調(diào)理電路對熱電偶信號進(jìn)行濾波、放大處理后經(jīng)過AD進(jìn)行模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，來實(shí)現(xiàn)對被測對象的溫度測量。方案中通過多路復(fù)用開關(guān)實(shí)現(xiàn)熱電偶通道的擴(kuò)展，通過自動調(diào)零通道和板內(nèi)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測量。
【權(quán)利要求】
1.一種多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特征在于:包括熱電偶接入模塊、至少一組熱電偶通道測量模塊、熱電偶冷端測量模塊和用于進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)； 所述熱電偶接入模塊包括用于冷端溫度測量的冷端測溫傳感器和用于熱電偶接入的連接端子； 所述熱電偶接入模塊通過連接器分別與熱電偶通道測量模塊和熱電偶冷端測量模塊連接； 所述熱電偶通道測量模塊與熱電偶冷端測量模塊通過上位機(jī)接口將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特征在于:所述熱電偶冷端測量模塊包括多個(gè)冷端測量通道和與冷端測量通道相對應(yīng)的冷端測溫傳感器； 所述每組熱電偶通道測量模塊包括依次連接的一個(gè)直接接地的自動調(diào)零通道，用于通道復(fù)用的多路復(fù)用器，一個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的AD，還包括板內(nèi)溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特征在于:所述熱電偶冷端測量模塊包括多個(gè)冷端組；所述每個(gè)冷端組設(shè)置有一塊導(dǎo)熱銅皮，不同組的導(dǎo)熱銅皮互相隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特征在于:所述上位機(jī)包括通過軟件算法對熱電偶通道測量模塊進(jìn)冷端補(bǔ)償、零偏補(bǔ)償和溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)能浖惴ㄑa(bǔ)償模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特征在于:所述上位機(jī)接口為PXI接口、PXIe 接口、LXI 接口、USB 接口或串口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多通道高精度測溫系統(tǒng)，其特征在于:所述熱電偶接入模塊采用U型連接器、螺釘接線柱接入。
【文檔編號】G01K7/02GK103712709SQ201310737717
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】郭恩全, 楊超杰, 施生新, 石俊斌 申請人:陜西海泰電子有限責(zé)任公司