用于三維溫度梯度的多信道熱電偶補償?shù)闹谱鞣椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明涉及用于三維溫度梯度的多信道熱電偶補償，具體提供了一種使用熱電偶的方法。所述方法包括但不限于：在被適配成接收熱電偶信號的電連接器的兩個或更多個單獨部分的每個部分上設置至少一個溫度傳感器；測量所述兩個或更多個部分的溫度；并且基于具有所設置的溫度傳感器的所述兩個或更多個單獨部分的測得的溫度值來計算所述電連接器的每個端子的溫度。所述方法還包括但不限于：基于所述端子的測得的溫度值或算得的溫度值或它們的組合來計算輸送所述熱電偶信號的至少一個熱電偶信道的端子的冷端溫度。
【專利說明】用于三維溫度梯度的多信道熱電偶補償

【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及溫度測量和熱電偶設備的【技術領域】。更具體地講，本發(fā)明涉及一種有效確定多信道端子配置中的熱電偶冷端溫度的新型技術。

【背景技術】
[0002]熱電偶是用于測量溫度的設備并且是多種可用的通用溫度傳感器之一。這些溫度傳感器或轉(zhuǎn)換器通常粗糙且較為廉價，并且可以由各種金屬構造成。熱電偶可以用于在各種應用和環(huán)境下測量較寬的溫度范圍(例如，-200°C至2600°C )。一般而言，熱電偶依據(jù)的原理是當沿著導體的長度存在溫度梯度時就存在電勢。
[0003]熱電偶是這樣形成的:將不同金屬的兩個導體或線接合起來以形成兩條線的結(jié)，被稱為測量結(jié)(或感測結(jié)等)。雖然幾乎任何兩種類型的金屬都可以用于制作熱電偶線，但是使用了多個標準類型，因為它們具有可預測的輸出電壓并且可以應對很大的溫度梯度。根據(jù)美國國家標準協(xié)會(ANSI)的規(guī)定，幾種可用的熱電偶可以通過表示它們的成分的大寫字母來指定。例如，J型熱電偶具有一個鐵導體和一個康銅(銅鎳合金)導體。
[0004]熱電偶測量結(jié)可以包裹在傳感器探針內(nèi)，例如，將探針定位在溫度測量點(即，溫度源)處。原理上講，當測量結(jié)的溫度隨著溫度源的變化而變化時，在測量結(jié)與兩條線的相反自由端之間(沿著線)形成溫度梯度。有利地，產(chǎn)生的可預測的熱電電壓為這個溫度梯度的函數(shù)。通過考慮兩種不同金屬線的成分，這樣產(chǎn)生的熱電電壓(有時候稱為“塞貝克”電壓)可以與沿著線的溫度梯度關聯(lián)上。這個溫度梯度與參考結(jié)或“冷”端溫度相加以獲得待測源的溫度。熱電偶測量通常需要感測或確定熱電偶線連接到電壓測量系統(tǒng)的參考溫度(冷端溫度)。
[0005]在構造上，熱電偶線的兩個自由端可以連接到電壓測量儀器(例如，模擬到數(shù)字式儀表、電壓表、控制儀器、溫度控制模塊等)來測量熱電電壓。通過使用電連接器來完成這兩條線到電壓測量儀器的連接。電連接器是使用機械組件作為接口來連接電路的機電式器件。使用電連接器形成的連接可以是臨時的，就便攜式設備而言，需要組裝和拆除的工具，或者充當兩條線或設備之間的永久式電氣接頭。有成百上千中電連接器，包括以下器件，例如，接線塊、接線柱、壓接式連接器、絕緣刺破式連接器、插頭和插座連接器、刀形連接器以及圓形和叉形端子。有時候電連接器分成兩個部分，每個部分與有待彼此連接的兩條線或器件之一連接上。有時候電連接器的兩個部分形成凸/凹配置。
[0006]當熱電偶線的兩個自由端連接到電壓測量儀器(例如，模擬到數(shù)字式儀表、電壓計、控制儀器、溫度控制模塊等)以測量熱電電壓時，熱電偶線的兩個自由端通過使用例如接線塊的連接器連接到電壓測量儀器，并且形成熱電偶線的第二結(jié)，被稱為參考結(jié)(或冷端)。這兩條線在連接器的連接形成線的第二結(jié)，被稱為參考結(jié)(或冷端)。術語“冷端”來自使這個冷端在冰浴中保持零攝氏度的傳統(tǒng)實踐。然而，維持冰浴對大部分測量應用而言并不實際。因此，測量并記錄熱電偶線到測量儀器的連接點的實際溫度。如上所述，冷端形成在將熱電偶線的兩個自由端連接到電壓測量儀器的電連接器上。有時候，電連接器，并且因此冷端是單件，比如像接線塊，并且其他時候，電連接器和冷端可以分成兩件或更多件或者兩個部分或更多部分，每個部分與有待彼此連接的兩條線或器件之一連接上。
[0007]通常，冷端溫度可以通過熱敏電阻器或例如半導體溫度傳感器之類的其他溫度傳感器或器件來感測，這些器件與測量儀器的輸入連接器處于較好的熱接觸狀態(tài)。再者，這個第二溫度讀數(shù)(冷端溫度)被測量儀器用于計算熱電偶尖端(測量結(jié))的真實溫度。
[0008]總而言之，為了確定兩條線的測量結(jié)處的源(S卩，組件、過程、系統(tǒng)、設備等)的測量溫度，基于測得的電壓計算的溫度梯度與電壓測量儀器或接線塊的冷端溫度(例如，使用熱敏電阻器測得的)相加。因此，在操作中，熱電偶通過產(chǎn)生與測量點和兩種不同金屬的冷端之間的溫度差成正比的電壓(例如，毫伏)來測量溫度。對于溫度的較小變化，電壓基本上與溫度差成線性正比。對于較大的溫度變化，這種關系可能變成非線性的。
[0009]在精確溫度測量的不斷增加的要求苛刻的應用中，并且降低成本的要求同樣苛亥|J，冷端溫度測量可能存在問題。在各種配置中，冷端溫度的測量誤差給出源溫度的測量誤差。通常精確但昂貴的技術是使用附接到每個端子上或者包括兩個端子的信道上的高精度熱敏電阻器。較為廉價但也不太精確的方案是單個集成電路傳感器。具有多個部分的電連接器存在特定的問題。例如，電連接器可以具有:第一部分，連接到包裝在殼體內(nèi)的電路板，并且第一部分的一部分可以甚至從電路板延伸并且到達殼體的外部；以及第二部分，其與第一部分分隔開，并且可以連接到殼體外部的第一部分并且離開電路板。
[0010]在電連接器的兩個部分上會存在較為明顯的溫度梯度，這兩個部分包括連接到殼體內(nèi)的電路板并且在殼體內(nèi)的部件之間的第一部分以及停留在殼體外部的大氣中的第二部分。因此，需要高性價比且精確地測量在具有多個部分的電連接器中的冷端溫度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明由以下權利要求書限定，并且這部分的任何內(nèi)容都不應當被當作是對這些權利要求的限制。
[0012]在一個方面，提供了一種使用熱電偶的方法。所述方法包括但不限于:在被適配成接收熱電偶信號的電連接器的兩個或更多個單獨部分中的每個部分上設置至少一個溫度傳感器；測量所述兩個或更多個部分的溫度；并且基于具有所設置的溫度傳感器的所述兩個或更多個單獨部分的測得的溫度值來計算所述電連接器的每個端子的溫度。所述方法還包括但不限于:基于所述端子的測得的溫度值或算得的溫度值或它們的組合來計算輸送所述熱電偶信號的至少一個熱電偶信道的端子的冷端溫度。
[0013]在一個方面，提供了一種測量源的參考性能的方法。所述方法包括但不限于:在被適配成接收來自所述源的測量信號的電連接器的兩個或更多個單獨部分中的每個部分上設置至少一個測量設備；測量所述兩個或更多個部分的參考性能；基于具有所設置的測量設備的所述兩個或更多個單獨部分的測得的參考性能值來計算所述電連接器的每個端子的參考性能。所述方法還包括但不限于:基于所述端子的測得的參考性能值或算得的參考性能值或它們的組合來計算輸送所述測量信號的至少一個信道的端子的整體參考性能。
[0014]在一個方面，提供了一種測量源的溫度的設備。所述設備包括但不限于:將被定位在所述源處并且經(jīng)由第一線和第二線與參考結(jié)連接上的熱電偶測量結(jié)以及在所述參考結(jié)的電連接器。所述電連接器包括第一部分和第二部分。所述第一部分與所述參考結(jié)連接，并且所述第二部分與所述第一部分可拆除地連接。所述設備還包括但不限于:至少一個溫度傳感器，其設置在被適配成接收熱電偶信號的所述電連接器的兩個部分中的每個部分上。兩個或更多個部分的溫度能夠通過使用所述溫度傳感器進行測量。所述電連接器的每個端子的溫度能夠基于所述兩個溫度傳感器的測得的溫度值進行計算?；谒龆俗拥臏y得的溫度值或算得的溫度值或它們的組合能夠計算輸送所述熱電偶信號的至少一個熱電偶信道的端子的冷端溫度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]參照以下附圖和描述可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的元件未必按比例繪制，而是將重點放在說明本發(fā)明的原理。
[0016]圖1A至圖1D示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于至少一個熱電偶的電連接器的多個平面圖。
[0017]圖1E示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的安裝在電路板上的電連接器的第一部分。
[0018]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性電路板的簡化透視圖，所述電路板合并安裝在殼體內(nèi)的圖1E的電連接器的第一部分以及在殼體的外部并且與第一部分連接的電連接器的第二部分。
[0019]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有兩種不同金屬的結(jié)的示例性熱電偶的圖解表不。
[0020]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有圖3的熱電偶、接線塊和電壓表的熱電偶系統(tǒng)的圖解表不。
[0021]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于熱電偶的接線板或接線塊的圖解表
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[0022]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于計算熱電偶的測量溫度的方法的方框圖。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明利用了以下發(fā)現(xiàn):通過在被適配成接收熱電偶信號的電連接器的兩個或更多個對應部分中的每一個部分上設置至少一個溫度傳感器，然后使用溫度傳感器測量每個部分的溫度，可以以可靠且高性價比的方式計算輸送熱電偶信號的至少一個熱電偶信道的電連接器的冷端溫度。
[0024]參見圖1A至圖1E和圖2，示出了示例性的多信道(mult1-channel)或多排(mult1-tier)電連接器10。電連接器10是使用機械組件作為接口來連接電路的機電式器件。使用電連接器10形成的連接可以是臨時的，就便攜式設備而言，需要組裝和拆除的工具，或者充當兩條線或設備之間的永久式電氣接頭。存在成百上千種電連接器10，包括以下器件，例如，接線塊、接線柱、壓接式連接器、絕緣刺破式連接器、插頭和插座連接器、刀形連接器以及圓形和叉形端子。在一個實施例中，電連接器10分成兩個部分，第一部分11和第二部分13。優(yōu)選地，每個部分11和13與有待彼此連接的線或器件之一連接。優(yōu)選地，電連接器10的兩個部分11和13形成凸/凹配置。
[0025]參照圖2，優(yōu)選地，電連接器10具有多行(row) 12或多排14端子或電連接器18。在每個排12、14上有通常用附圖標記18表示的端子或連接器，對于單個輸入設備，例如，熱電偶，每個信道通常有兩個端子。例如,端子#0和#1用于信道I,端子#2和#3用于信道2，如此等等。優(yōu)選地，如果電連接器具有兩個部分11和13，那么第一部分11具有與形成在第二部分13上的互補的排12〃和14〃接合并且/或者匹配的排12’和14’，并且排12’和14’包括與形成在第二部分13上的端子16〃接合并且/或者匹配的端子16’。
[0026]例如線26和28的引入線可以進入第二部分13的殼體20，該殼體容納互補的排12〃和14〃。然后每條引入線被夾緊到或固定到端子16〃上。多個輸入線可以源自各種設備并且輸入到電連接器10。在此實例中，兩個圖示的線用于熱電偶24。如以下所述，熱電偶24 —般具有兩種不同金屬線26和28，并且可以在兩種線26和28的測量結(jié)32處采用保護套或探針30。熱電偶24的尖端(已知為熱電偶測量結(jié))可以包裝在被定位在源34的傳感器探針30內(nèi)以測量源34的溫度。
[0027]引入線進入電連接器10，并且特別地在開口 23處進入第二部分13的殼體20。優(yōu)選地，溫度傳感器25位于與第二部分的殼體20相鄰，并且優(yōu)選地在該殼體上,并且最優(yōu)選地在該殼體內(nèi)，以便測量第二部分13的溫度。在一個實施例中，溫度傳感器25位于電路板27上，引入線26和28在該電路板上經(jīng)過、靠近該電路板或穿過該電路板。優(yōu)選地，溫度傳感器25位于引入線26和28的附近，以便精確地測量引入線26和28在電連接器10的第二部分13處的連接點的溫度。優(yōu)選地，溫度傳感器25位于引入線26和28與連接器端子14”和16”連接的位置(冷端所在位置)附近，以便精確地測量冷端溫度。優(yōu)選地，傳感器25連接到連接器端子或一對連接器端子，以便從傳感器25輸出信號到控制器，該控制器優(yōu)選地位于電路板37上。
[0028]在一個實施例中，引入線26和28是在開口 23處進入電連接器10的第二部分13的熱電偶線26和28。兩條線26和28的參考結(jié)或冷端形成在電連接器10處，更具體地，形成在第二部分13的連接器端子14”和16”與熱電偶線26和28接合并且/或者匹配的點處。第一部分11可以部分地或幾乎全部被容納在包括電路板37的殼體35中，該電路板具有電路39，該電路優(yōu)選地用于幫助確定在熱電偶24處測得的溫度，并且將例如在熱電偶24處測得的溫度的信息發(fā)送到其他設備，例如其他的機械設備或過程控制器。第二部分13可以部分地或全部容納在殼體35外部。由于殼體35外部的環(huán)境可能不同于殼體內(nèi)的環(huán)境，在殼體35內(nèi)并且因此在第一部分11的端子16’處的第一溫度與殼體35外部的第二溫度大為不同。
[0029]因此，為了確定在具有兩個或更多個部分的電連接器10處終止的一對熱電偶線26和28的冷端溫度，第二溫度傳感器41并且優(yōu)選地第三溫度傳感器43位于殼體35內(nèi)。優(yōu)選地，第二和第三溫度傳感器41和43安裝在第一部分11的端子16’的旁邊。在一個實施例中，如圖2所示，第二和第三溫度傳感器41和43在電路板37上安裝在第一部分11的端子16’的芳邊。
[0030]模擬輸出或數(shù)字輸出可以優(yōu)選地在使端子16’連接到電路板37的接口端子處離開電連接器10從電連接器10的第一部分11進入電路板37。優(yōu)選地，模擬輸出或數(shù)字輸出可以離開電連接器10從第一部分11進入控制系統(tǒng)或如下所述的電子設備。在一個實施例中，控制系統(tǒng)或設備位于電路板37上，并且在另一個實施例中，控制系統(tǒng)或設備位于遠離電路板37。應當指出的是，電連接器10僅僅是作為一個實例，并且可以在本技術中采用具有位于殼體35內(nèi)的第一部分11以及至少部分地位于殼體35外部的第二部分13的各種電連接器10。對于圖示的實施例，多排電連接器10的第一部分11的底部38可以安裝在電子基板上，例如電路板37 (例如，經(jīng)由插腳或接口端子16’’’)、儀器總線、輸出/輸出設備、其他溫度模塊組件等等。此外，端子16和排12和14可以提供不同的功能，例如，電源連接、輸入/輸出、合結(jié)(co-junction)連接、機殼接地等等。
[0031]可以單獨采用多排電連接器10作為熱電偶系統(tǒng)的一部分，或者與被設計成配置在開放標準的工業(yè)總線上的機器監(jiān)控和保護系統(tǒng)結(jié)合采用多排電連接器10，等等。電連接器10可以是智能多信道溫度監(jiān)控器的一部分，例如，套件。另外，電連接器10可以被配置用于電阻溫度檢測器(RTD)、絕緣熱電偶、接地熱電偶等等。在某些應用中，電連接器10可以集成在標準工業(yè)總線系統(tǒng)中，例如，設備網(wǎng)(Device Net)。在其他應用中，模塊的各信道可以配備有標準的4毫安至20毫安的輸出。此外，需要積分繼電器的應用可以經(jīng)由例如模塊聯(lián)接和擴展繼電器模塊來適應?？偠灾?，作為溫度模塊的一部分的電連接器10可以單獨工作，而沒有連接到更高層次的控制系統(tǒng)或交互式用戶界面的接口，或者作為溫度模塊的一部分的電連接器10可以配置在標準的或?qū)Ｓ玫脑O備網(wǎng)網(wǎng)絡上，例如，其中作為溫度模塊的一部分的電連接器10可以提供實時數(shù)據(jù)和信息到其他模塊、可編程的邏輯控制器(PLC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、條件監(jiān)測系統(tǒng)等等。例如，可以經(jīng)由設備網(wǎng)網(wǎng)絡遠程地形成配置，或者通過連接到溫度模塊上的積分串行接口的個人計算機在本地形成配置。對于本地配置，串行配置應用可以裝有繼電器模塊。
[0032]通常需要電連接器10的溫度(冷端溫度)來計算熱電偶24所測得的源34的溫度。在不太苛刻的應用中，假設接線塊10在實質(zhì)上等溫條件下工作，單個溫度傳感器，比如說熱敏電阻器或半導體溫度傳感器，可以定位在電連接器10上的任何位置處，以提供單個溫度值給整個電連接器10。然而，在越來越普遍要求苛刻的應用中，需要在每個端子16或每對端子16’和16〃處進行較為精確(并且精準)的溫度測量。實際上，如果每排12、14或每部分11和13僅僅使用一個熱電偶24，那么電連接器10尤其是沿著可以讓多個信道穿過的排12和14并且在電連接器10的多個部分11和13之間的非等溫效應常常顯著到足以對各種源34的溫度測量造成誤差。一般而言，沿著電連接器10的寬度42、長度44或高度46可能存在溫度差。因此，雖然這是一種昂貴的選項，但可以在每個端子16安裝例如熱敏電阻器之類的溫度傳感器以提供精確的參考結(jié)溫度或冷端溫度。這種昂貴的選項可以避免在測量冷端溫度時出現(xiàn)誤差，并且因此避免來自熱電偶尖端(測量結(jié))的測得的溫度的相關誤差。較為廉價的選項是在電連接器10的每個部分11和13安裝溫度傳感器，也就是說，沿著電連接器10的高度46的多個位置安裝溫度傳感器，并且優(yōu)選地，在沿著電連接器10的長度44的多個位置安裝溫度傳感器。在一個實施例中，可以在沿著電連接器10的寬度42的多個位置安裝溫度傳感器。通過在沿著電連接器10的高度46、長度44和/或?qū)挾?2的多個位置安裝的溫度傳感器之間使用內(nèi)推法，可以精確地確定電連接器10內(nèi)的每個端子16的冷端溫度。優(yōu)選地，沿著電連接器10的高度46、長度44和/或?qū)挾?2，并且優(yōu)選地沿著每個排12和14，在電連接器10內(nèi)的排12、14的每個端附近或每個端處安裝溫度傳感器。
[0033]圖2是合并圖1A至圖1E的多排電連接器10的示例性溫度模塊48的簡化透視圖。例如，示例性的溫度模塊48可以代表由LAM Research CorporationCFremont, CA.)制造的LTC24溫度模塊。然而，應當顯而易見的是，在本技術內(nèi)可以利用各種各樣的電連接器10、輸入/輸出設備等等。另外，本技術可以應用于除需要端子或端點的參考性能(例如，溫度、壓力、流量等)的熱電偶(例如，電阻溫度檢測器、差壓裝置等)之外的各種測量設備。
[0034]在示例性的溫度模塊48中，電連接器10可以耦接到輸入/輸出模塊或電路39上，該輸入/輸出模塊或電路可以包括執(zhí)行與給定應用有關的特定功能所需的總線接口和電路。電連接器10 (例如，圖1的電連接器)可以安裝在基本單元(未示出)或電路板37上，或者可以與基本單元(未示出)或電路板37集成一體，該基本單元或電路板還可以包括輸入/輸出模塊或電路39。電連接器10和電路板37還可以在示例性模塊48內(nèi)容納用于熱電偶、毫伏輸入等的端子布線。端子16’’’可以被提供用于與電路板37通信和/或連接。電路板37可以包括各種組件和設備。此外，基本單元(未示出)或電路板37可以包括插槽和/或鎖定凸塊，以適應將基本單元(未示出)或電路板37在德國標準化學會(“DIN”)導軌或其他設備和連接上固定并且/或者鎖定在位。端子基本單元或電路板37可以采用例如RJ45的連接器60。在圖示的實施例中，連接器60是凹形RJ45連接器。然而，應當顯而易見的是，還可以包括凸形連接器。并且各種連接器可以定向在沿著端子基本單元或電路板37的不同位置。
[0035]在一個實施例中，第一和第二溫度傳感器25和41,優(yōu)選為熱敏電阻器,設置在電連接器10的兩個或更多個部分11和13上，該電連接器優(yōu)選地被適配成接收從熱電偶24經(jīng)由線26和28傳輸?shù)臏y量信號(即，熱電偶信號)。優(yōu)選地，第三溫度傳感器43設置在第二溫度傳感器41的旁邊，這兩個溫度傳感器都在第一部分的排12’的旁邊，并且優(yōu)選地在該排的每個端上。采用溫度傳感器25、41和43來測量電連接器10內(nèi)三個不同點的冷端溫度:沿著電連接器10的長度44在不同位置的兩個點(由傳感器41和43來測量)，以及沿著電連接器10的高度46在不同位置的兩個點(由傳感器41或43和傳感器25的任一個來測量)。優(yōu)選地，傳感器41和43分別被定位在端子16’(編號7和O)的旁邊。當然，可以采用多于三個的溫度傳感器，并且可以測量在多個端子16’和16〃的溫度。優(yōu)選地，如果溫度傳感器是熱敏電阻器，那么各熱敏電阻器的電阻元件與夾具或其他設備連接以測量端子16內(nèi)與夾具或其他設備接合的熱電偶線的溫度。
[0036]溫度模塊48可以利用此前討論的特征。例如，模塊48可以被配置為測量RTD或絕緣熱電偶中的任一個，或者被專門設計用于熱電偶測量、絕緣或接地。對于無法經(jīng)由總線(例如，設備網(wǎng))直接集成溫度模塊48的應用，模塊可以為每個信道提供4毫安至20毫安的輸出。溫度模塊48可以單獨工作，而沒有連接到更高層次的控制系統(tǒng)或交互式用戶界面的接口，或者溫度模塊48還可以配置在標準的或?qū)Ｓ玫脑O備網(wǎng)網(wǎng)絡上，其中溫度模塊48可以提供實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息到其他溫度模塊、PLC、DCS和條件監(jiān)控系統(tǒng)。如此前所述，可以經(jīng)由網(wǎng)絡遠程地形成配置，或者通過連接到積分串行接口的個人計算機在本地形成配置。再者，電連接器10上的端子16可以用于電源連接、冷端連接、機殼接地、輸入/輸出布線、輸出/輸出共用等。另外，溫度模塊48可以采用菊花鏈的方式連接到額外的模塊上。
[0037]圖3圖示了圖1中示出的示例性熱電偶24的基本構思。當線26和28內(nèi)的兩種不同金屬(金屬A和金屬B)之間的結(jié)32分別受熱或冷卻時，產(chǎn)生了作為結(jié)32的溫度Tm70的函數(shù)的開路電壓72 (也被稱為塞貝克(Seebeck)電壓72)。在圖示的實施例中，正測量(熱或冷)源34的溫度。對于較為貼近源34的測量結(jié)32 (或探針尖端)，溫度TM70應當實質(zhì)上與源34的溫度相同。圖示的源34可以代表有待測量溫度的任何熱源、環(huán)境源或冷源。此夕卜，雖然幾乎任何兩種類型的金屬都可以用于制作熱電偶線，但是使用了多個標準類型，因為它們具有可預測的輸出電壓并且可以應對很大的溫度梯度。例如，對于K型熱電偶，這是一種通用熱電偶，一條線26包含鎳-鉻金屬，并且另一條線28包含鎳-鋁金屬。可以生成標準表格來表示熱電偶在任何給定溫度產(chǎn)生的電壓。在K型熱電偶中，例如，在300°C產(chǎn)生的電壓是12.2毫伏。在此實例中，為了測量電壓，線26和28的末端74和76分別連接到圖1的端子8和9。電壓72可以被轉(zhuǎn)化成結(jié)32的溫度Tm70，該溫度表示有待測量的源34的溫度。電壓72隨著感測結(jié)或測量結(jié)32的溫度變化而變化。因此，兩種不同金屬26和28之間的塞貝克電壓72 (或開路電壓72)用于計算測得的溫度Tm。例如，兩種不同金屬(金屬A和金屬B)可以包裝在探針壁內(nèi)。熱電偶可得自裸線“死”熱電偶，例如，這種熱電偶提供低成本和很快的響應時間，或者熱電偶可以內(nèi)置在探針中?？梢允褂枚喾N多樣的探針，并且這些探針可以適于不同的測量應用(工業(yè)、科學、食品溫度、醫(yī)學研究等)。用于探針的通用型連接器是標準的圓插腳和微型扁插腳。
[0038]因此，總而言之，熱電偶通過產(chǎn)生與兩種不同金屬的結(jié)之間的溫度差成正比的毫伏信號來測量溫度。一個結(jié)通常包裝在測量點處的傳感器探針內(nèi)，并且另一個結(jié)連接到測量儀器或控制儀器。由于環(huán)境溫度在測量儀器所處(通常是冷端)的現(xiàn)場或控制室中發(fā)生變化，熱電偶產(chǎn)生的實際毫伏信號會因此波動，從而導致“冷端誤差”。理解冷端補償很重要，因為測量冷端的誤差會在熱電偶尖端(測量結(jié))的測量溫度中導致誤差。測量儀器還應當考慮這樣的事實:熱電偶輸出在較寬的測量溫度范圍內(nèi)通常是非線性的。例如，根據(jù)熱電偶的類型，溫度與輸出電壓之間的關系可以是復雜的多項式方程?？梢詫⒍囗検降南禂?shù)做成表用于不同種類的熱電偶，以適應電壓和溫度關系的非線性行為。
[0039]圖4示出了具有熱電偶24的熱電偶組件80，該熱電偶具有與接線塊82連接的線26和28，該接線塊具有端子84和86。兩個端子84和86形成用于熱電偶24的單個信道。端子84和86的溫度是計算測量溫度70所需的冷端(參考)溫度。熱敏電阻器88和90 (其電阻是溫度的函數(shù))提供了一種方式來測量參考結(jié)(冷端)的絕對溫度。分別示出了端子I
(84)和2 (86)處的溫度92和94。對于較窄的溫度范圍，可以采用多種其他的溫度傳感器，例如，二極管或晶體管結(jié)、熱敏電阻器、正或負溫度系數(shù)電阻器等。接線塊82經(jīng)由引線98和100連接到電壓計96，這兩條引線在連接102和104處連接到電壓表96。電壓表測量電壓106以最終給出塞貝克電壓72，從而給出測量溫度70。
[0040]圖5是表示具有端子112’和信道114的電連接器的第一部分內(nèi)的接線板或接線排110’的圖示。接線板或接線排110’被圖示為具有可以連續(xù)或終止的末端116和118。在圖示的實施例中，溫度傳感器安裝在端子1、6和12上以分別提供溫度T1120、T2122和T3124。在此實例中，溫度傳感器沒有安裝在12個端子的剩余部分。相反，剩余端子2、3、4、
5、7、8、9、10和11的溫度值根據(jù)測量溫度值120、122和124進行內(nèi)插得出。因此，例如，通過求端子I的測量溫度值與端子2的內(nèi)插溫度值的平均值來確定信道I的冷端溫度。作為另一個實例，對于信道2的冷端溫度，求端子3和4的溫度的內(nèi)插值的平均值。因此，在此實例中，僅僅使用設置在接線板或排110上的兩個或三個溫度傳感器就可以精確地確定所有六個信道的冷端溫度，從而避免了在每個端子利用熱敏電阻器或其他的溫度傳感器的可能需要額外的九個熱敏電阻器的成本。優(yōu)選地，第二接線板或排110"位于具有端子112"和信道114的電連接器的第二部分內(nèi)。接線板或排110〃被圖示為具有末端117和119并且末端117和119可以連續(xù)或停止。在圖示的實施例中，至少一個額外的溫度傳感器安裝在第二接線板或排110〃上或其附近以提供溫度T4125。然后可以在頭三個溫度T1-T3與第三溫度之間進行額外地插值，以便更加精確地確定由端子對112’和112〃組成的各端子的冷端溫度。
[0041 ] 這種技術可以在多種電連接器上采用。在此實例中，在接線塊的單排上連續(xù)布置熱電偶輸入信道，并且因此沿單軸下降。因為它們沿著單軸布置，并且因為兩端的總距離較小(例如，小于三英寸)，所以根據(jù)環(huán)境的不同，端子的溫度曲線應當具有主要的四種基本形狀。
[0042]固件算法可以用于確定單個信道溫度，并且可以在例如3X2查找表上使用線性或非線性(例如，對數(shù)內(nèi)插)，該查找表在X軸上具有三個端子位置，并且在Y軸上具有三組對應的溫度。內(nèi)插的輸入可以是信道的數(shù)學定位。例如，對于具有六個信道的設備，在從編號I至12的接線塊行按照連續(xù)的順序，信道I是端子I和2，信道2是端子3和4，以此類推。對于位于端子1、6和12的示例性位置的傳感器(例如，熱敏電阻器)，為了確定信道2的冷端溫度，內(nèi)插程序的輸入將會是例如“3.5”，表示端子3和4的平均溫度或者說是組合溫度。
[0043]在一個實施例中，作為源34的實際物理溫度的補償溫度(Tranip)被確定為以下各項乘以比例因子(k)的函數(shù):探針30在源34處的表觀測量溫度(Tmeas)、三個溫度傳感器41、43和25的每一個的溫度(分別為CJC1、CJC2、CJC3)、至少一個熱電偶信道的信道數(shù)(ch)、熱電偶信道的最大數(shù)(maxch)以及進行校準的溫度傳感器的溫度(Tcal)。進行校準的溫度傳感器的溫度Tm1是在儀器組件48的制造商在制造并測試儀器的過程的最后一步進行校準過程時傳感器的溫度。在一個實施例中，補償溫度按照以下方式計算:Tramp=T_s-(CJCl+(CJC2-CJC1) * (1-(ch/maxch)) +k* (CJC3-Tcal))。
[0044]圖6是用于確定熱電偶的冷端溫度和測量溫度的方法150的方框圖。對于具有幾個端子的接線塊或接線板，使用一個或多個溫度傳感器，例如，熱敏電阻器，來測量優(yōu)選為電連接器10的兩個或更多個部分的溫度，并且優(yōu)選為電連接器10的兩個或更多個端子處的溫度(方框152)。根據(jù)兩個或更多個端子處的測量溫度，通過內(nèi)插并且/或者外推來確定剩余端子的溫度值(方框154)。內(nèi)插和/或外推可以采用多種形式，例如，對數(shù)形式、線性形式等。所有的溫度值，不論是測得的溫度值還是通過內(nèi)插算得的溫度值，可以放入查找表中，如附圖標記156所示?？梢詸z索查找表中的這些溫度值并取其平均值來給出給定信道的冷端溫度(方框158)。然后使用冷端溫度來計算各個源處的每個熱電偶的測量溫度(方框160)。換句話講，基于經(jīng)由冷端溫度測量得到的用于塞貝克電壓的計算值，就可以計算每個熱電偶的測量溫度(方框160)。
[0045]本文中使用的術語“大約”、“約”、“實質(zhì)上”及其類似術語旨在具有寬泛的含義，與本發(fā)明的主題所屬領域的普通技術人員常用且公認的用法相一致，并且在一個非限制性實施例中，這些術語被限定在10%的范圍內(nèi)，在另一個實施例中，這些術語被限定在5%的范圍內(nèi)，在另一個實施例中，這些術語被限定在1%的范圍內(nèi)，并且在另一個實施例中，這些術語被限定在0.5%的范圍內(nèi)。查閱本發(fā)明的本領域的技術人員應當理解的是，這些術語旨在允許對所描述并受權利要求書保護的某些特征進行描述，而不將這些特征的范圍限制于所提供的精確的數(shù)值范圍。因此，這些術語應當被理解為表示以下含義:對所描述并受權利要求書保護的主題的非實質(zhì)性或無關緊要的修改或變更被認為是在由所附權利要求書所闡述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0046]本文中使用的術語“耦接”、“連接”的意思是將兩個構件直接或間接地彼此連接。這種連接可以是固定的(例如，永久的)或活動的(例如，可拆除的或可剝離的)。這種連接可以實現(xiàn)為兩個構件或兩個構件與任何額外的中間構件彼此一體地形成為單個整體，或者兩個構件或兩個構件與任何額外的中間構件彼此附接。本文中引用的元件的位置(例如，“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”等)僅僅用于描述附圖中多個元件的取向。應該指出的是，根據(jù)其他的示例性實施例，多個元件的取向可以不同，并且本發(fā)明旨在包括這種變化。
[0047]說明書摘要被提供用于允許讀者快速地確定技術公開的性質(zhì)。據(jù)提交的理解是，說明書摘要不會用于理解或限制權利要求書的范圍或含義。此外，在上述【具體實施方式】中，可以看出的是，為了使公開合理化的目的，多個實施例中集合了多個特征。公開的方法不應當被理解為反映這樣的意圖:受權利要求書保護的實施例需要比每個權利要求中專門闡述的特征更多的特征。相反，如以下權利要求書所體現(xiàn)的，具有創(chuàng)造性的主題在少于單個公開的實施例的所有特征中。因此，以下權利要求書以此方式并入【具體實施方式】中，使每個權利要求就其本身而言作為單獨要求保護的主題。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個實施例，但是對于本領域的技術人員應當顯而易見的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以具有其他實施例和實施方式。因此，本發(fā)明并不是限制性的，只受到所附權利要求書及其等同形式的限制。
【權利要求】
1.一種使用熱電偶的方法，其包括: 在被適配成接收熱電偶信號的電連接器的兩個或更多個單獨部分中的每個部分上設置至少一個溫度傳感器； 測量所述兩個或更多個部分的溫度； 基于設有溫度傳感器的所述兩個或更多個單獨部分的測得的溫度值來計算在所述電連接器的每個端子處的溫度；并且 基于所述端子的測得的溫度值或算得的溫度值或它們的組合來計算輸送所述熱電偶信號的至少一個熱電偶信道的端子的冷端溫度。
2.如權利要求1所述的方法，包括:基于所述至少一個熱電偶信道的所述冷端溫度來確定熱電偶測得的源的溫度。
3.如權利要求1所述的方法，其中計算每個端子的溫度包括內(nèi)插法或外推法或它們的組合。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述溫度傳感器包括熱敏電阻器或半導體溫度傳感器。
5.如權利要求1所述的方法，其中計算剩余端子的溫度包括非線性計算。
6.如權利要求1所 述的方法，其包括:將每個端子的測得的溫度值和算得的溫度值放入查找表中。
7.如權利要求6所述的方法，其中計算所述至少一個熱電偶信道的所述冷端溫度包括:從所述查找表檢索溫度值。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述電連接器的第一部分包括多個熱電偶連接器，所述多個熱電偶連接器中的每一個被適配成接收離散的熱電偶信號，其中所述設置溫度傳感器包括沿著所述電連接器的所述第一部分設置兩個溫度傳感器，所述兩個溫度傳感器中的每一個設置在不同的熱電偶連接器的附近，其中所述設置溫度傳感器還包括在所述電連接器的第二部分上設置第三溫度傳感器，并且其中所述電連接器的所述第一部分是單獨的并且與所述電連接器的所述第二部分分隔開。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述電連接器的所述第一部分安裝在殼體內(nèi)的電路板上，其中所述第一部分的一部分延伸到所述殼體的外部，并且所述電連接器的所述第二部分被適配成與延伸到所述殼體的外部的所述第一部分的所述一部分連接。
10.如權利要求9所述的方法，其中沿著所述電連接器的所述第一部分設置的所述兩個溫度傳感器安裝在所述電路板上在所述電連接器的所述第一部分的旁邊。
11.如權利要求10所述的方法，其中沿著所述電連接器的所述第一部分設置的所述兩個溫度傳感器允許沿著所述電路板的平面內(nèi)插冷端溫度，并且所述第三溫度傳感器允許在由所述殼體所形成的整個平面邊界上內(nèi)插所述冷端溫度。
12.如權利要求10所述的方法，其進一步包括確定補償溫度(Τ_ρ)為以下各項乘以比例因子(k)的函數(shù):測得的溫度(Tnreas)、三個溫度傳感器中的每一個的溫度(分別為CJC1、CJC2、CJC3)、至少一個熱電偶信道的信道數(shù)(ch)、熱電偶信道的最大數(shù)(maxch)以及進行校準的溫度傳感器的溫度(TcJ。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述補償溫度按照以下方式計算:Tramp=T_s-(CJC1+ (CJC2-CJC1) * (1-(ch/maxch)) +k* (CJC3-Tcal))。
14.一種測量源的參考性能的方法，其包括: 在被適配成接收來自所述源的測量信號的電連接器的兩個或更多個單獨部分中的每個部分上設置至少一個測量設備； 測量所述兩個或更多個部分的參考性能； 基于具有所設置的測量設備的所述兩個或更多個單獨部分的測得的參考性能值來計算所述電連接器的每個端子的參考性能；并且 基于所述端子的測得的參考性能值或算得的參考性能值或它們的組合來計算輸送所述測量信號的至少一個信道的端子的整體參考性能。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述參考性能是溫度、壓力或流量。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述測量設備是電阻溫度檢測器、差壓裝置或熱電偶。
17.一種用于測量源的溫度的設備，其包括: 將被定位在所述源處并且經(jīng)由第一線和第二線與參考結(jié)連接的熱電偶測量結(jié)； 在所述參考結(jié)的電連接器，其中所述電連接器包括第一部分和第二部分，并且其中所述第一部分與所述參考結(jié)連接，并且所述第二部分與所述第一部分可拆除地連接； 至少一個溫度傳感器， 其設置在被適配成接收熱電偶信號的所述電連接器的兩個部分中的每個部分上，其中兩個或更多個部分的溫度能夠通過使用所述溫度傳感器進行測量，其中所述電連接器的每個端子的溫度能夠基于所述兩個溫度傳感器的測得的溫度值進行計算，并且其中輸送所述熱電偶信號的至少一個熱電偶信道的端子的冷端溫度能夠基于所述端子的測得的溫度值或算得的溫度值或它們的組合進行計算。
18.如權利要求17所述的設備，其中所述熱電偶測量的所述源的溫度能夠基于所述冷端溫度來計算。
19.如權利要求17所述的設備，其中每個端子的溫度能夠使用內(nèi)插法或外推法或它們的組合來計算。
20.如權利要求17所述的設備，其中所述溫度傳感器包括熱敏電阻器。
【文檔編號】G01K7/02GK104048776SQ201410088246
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權日:2013年3月12日
【發(fā)明者】佛瑞德·埃格利, 約翰·迪斯汀蒂, 彼得·諾頓, 安德魯·王 申請人:朗姆研究公司