多通道高精度測溫系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于計算機平臺的多通道高精度測溫系統(tǒng)。包括熱電偶接入單元、熱電偶通道測量單元、熱電偶冷端測量單元、上位機接口和上位機。本實用新型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] 本實用新型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算 機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)的冷端補償方式多種多樣，有0°C恒 溫法、熱電偶補償法，補償電橋法、補償導線法以及軟件冷端補償法等。
[0003] 0°C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，但在工程中應用很不方便，不好實現(xiàn)。
[0004] 熱電偶補償法是在測溫熱電偶回路中反向串聯(lián)一個同型號的熱電偶作為補償熱 電偶，并將其測量端置于恒溫T0(0°c)，以其反向熱電勢補償測溫熱電偶的冷端溫度。這種 方法和o°c恒溫法一樣，在工程中應用同樣不方便，不好實現(xiàn)。
[0005] 補償電橋法是利用不平衡電橋(又稱冷端補償器）產(chǎn)生不平衡電壓來自動補償熱 電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化。因為熱電偶是非線性的，采用這種方法的測量 結(jié)果精度會受到限制，不能實現(xiàn)高精度的熱電偶溫度測量。
[0006] 補償導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現(xiàn)高精度的溫度測量。
[0007] 還有就是軟件補償法，軟件冷端補償是測溫裝置同時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測電壓進行補償，然后轉(zhuǎn)換成被 測對象的溫度。這種方法硬件實現(xiàn)簡單，測量精度高。在基于計算機的測溫裝置中使用優(yōu) 勢明顯。但每個熱電偶具有一個冷端，使得測量通道增加了一倍。當熱電偶通道數(shù)較多時， 需要測量的冷端也較多。
[0008] 目前的高精度ADC多為Σ-Λ型ADC。Σ-Λ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，采用多路復用開關(guān)的方式擴充 通道時，能夠擴展的通道數(shù)有限。而且擴展的通道數(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)定性嚴重影響 著高精度測溫系統(tǒng)測量指標的實現(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。 實用新型內(nèi)容
[0010] 為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本實用新型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、零漂補償和增益溫度補償技 術(shù)實現(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。 toon] 本實用新型的技術(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：包括熱電偶接入單元、至少一組熱 電偶通道測量單元、熱電偶冷端測量單元和用于進行測量數(shù)據(jù)處理的上位機；
[0013] 上述熱電偶接入單元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] 上述熱電偶接入單元通過連接器分別與熱電偶通道測量單元和熱電偶冷端測量 單元連接；
[0015] 上述熱電偶通道測量單元與熱電偶冷端測量單元通過上位機接口將測量數(shù)據(jù)傳 輸?shù)缴衔粰C；
[0016] 上述熱電偶冷端測量單元包括多個冷端測量通道和與冷端測量通道相對應的冷 端測溫傳感器；
[0017] 上述每組熱電偶通道測量單元包括依次連接的一個直接接地的自動調(diào)零通道，用 于通道復用的多路復用器，一個用于數(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單元包括多個冷端組；所述每個冷端組設(shè)置有一塊導熱銅 皮，不同組的導熱銅皮互相隔離；
[0019] 上述上位機包括通過軟件算法對熱電偶通道測量單元進冷端補償、零偏補償和溫 度系數(shù)補償?shù)能浖惴ㄑa償單元；
[0020] 上述上位機接口為PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串口；
[0021] 上述熱電偶接入單元采用U型連接器、螺釘接線柱接入。
[0022] 本實用新型的有益效果是：本實用新型的主要特點是熱電偶的軟件冷端補償及補 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為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本實用新型冷端測溫傳感器布局和通道共用示意圖；
[0025] 圖3為本實用新型熱電偶通道測量原理框圖；
[0026] 圖4為本實用新型熱電偶冷端測量原理框圖；
[0027] 圖5為本實用新型PXIe系統(tǒng)框圖；
[0028] 圖6為本實用新型軟件處理流程圖；
[0029] 其中1-熱電偶接入單元，2-熱電偶接入單元，3-熱電偶冷端測量單元，4-上位機 接口，5-上位機。

【具體實施方式】
[0030] 參見圖1-圖6, 一種多通道高精度測溫系統(tǒng)，包括熱電偶接入單元1、至少一組熱 電偶通道測量單元2、熱電偶冷端測量單元3和用于進行測量數(shù)據(jù)處理的上位機5 ;熱電偶 接入單元1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 偶接入單元1通過連接器分別與熱電偶通道測量單元2和熱電偶冷端測量單元3連接；熱 電偶通道測量單元2與熱電偶冷端測量單元3通過上位機接口 4將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C 5 ;熱電偶冷端測量單元3包括多個冷端測量通道和與冷端測量通道相對應的冷端測溫傳 感器；每組熱電偶通道測量單元2包括依次連接的一個直接接地的自動調(diào)零通道，用于通 道復用的多路復用器，一個用于數(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 單元3包括多個冷端組；所述每個冷端組設(shè)置有一塊導熱銅皮，不同組的導熱銅皮互相隔 離；上位機5包括通過軟件算法對熱電偶通道測量單元進冷端補償、零偏補償和溫度系數(shù) 補償?shù)能浖惴ㄑa償單元；上位機接口 4為PXI接口、PXIe接口、LXI接口、USB接口或串 口；熱電偶接入單元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時對板卡的工作溫度進行檢測；上位機軟件補償 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行數(shù)據(jù)補償，也包括采用實時測到的 板卡工作溫度對測試結(jié)果進行補償。冷端的分組可根據(jù)PCB布局就近選擇，一般2到6個 通道可分為一組；
[0032] 熱電偶通道的分組根據(jù)系統(tǒng)測試精度要求進行通道劃分，對于選定的Σ-Λ型 ADC，復用的通道數(shù)越少可獲得更高的測量精度。
[0033] 上位機軟件的溫度補償系數(shù)可通過板卡在環(huán)境試驗0°C -50°C工作時的測試數(shù)據(jù) 進行分析獲得。
[0034] 圖1為本實用新型的總體結(jié)構(gòu)框圖，本實用新型由五個部分構(gòu)成，包括1熱電偶接 入、2熱電偶通道測量、3熱電偶冷端測量、4計算機接口和5計算機五個部分，其中計算機為 軟件設(shè)計，其他四部分需要進行電路設(shè)計。1-4部分根據(jù)計算機接口的不同可以在一個單元 上實現(xiàn)、也可以分幾個單元實現(xiàn)。如計算機接口選擇基于
[0035] PXI和PXIe總線形式，則可分兩個單元來實現(xiàn)，一個單元僅實現(xiàn)1熱電偶接入部 分，2-4部分由另一個單元實現(xiàn)。兩個單元通過連接器進行連接。
[0036] 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個熱電偶輸入通道的螺釘接線柱實 現(xiàn)方式。由圖可知：熱電偶輸入通道TC0-TC3公用一個冷端，該冷端溫度由SR0進行測量； TC4-TC6公用一個冷端，該冷端溫度由SR1進行測量；TC8-TC10、TC16-TC18公用一個冷端， 該冷端溫度由SR3進行測量，等等。這樣，32個熱電偶輸入通道僅用8個冷端來實現(xiàn)，節(jié)省 了 24個冷端通道測量。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布線時需要鋪銅并與其他區(qū)域進行隔離。 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PCB板分了 8個區(qū)域，鋪了 8塊 互不關(guān)聯(lián)的銅皮。
[0037] 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個熱電偶通道分 為兩組，分別由兩個24位Σ-Λ型ADC進行采集。每個AD包含16個熱電偶輸入通道。要 追求更高的測量精度可用更多個ADC進行采集。
[0038] 圖3中每個AD的多路復用前端，除了 16個熱電偶輸入通道外又包含了一個自動 調(diào)零通道，該通道直接連接到信號地。對地信號進行測量。
[0039] 對自動調(diào)零通道的使用可有多種方式，這里舉兩種進行說明。方式1是在每次任 務開始時采集自動調(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際測量值；方式2是任務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 實際測量值。這兩種工作模式，第一種能夠改善單元的零偏及其時漂；第二種通過實時檢測 地電平電壓并補償測試數(shù)據(jù)，能夠改善單元零偏及零偏電壓的時漂和溫漂。這兩種方式都 能夠有效提高板卡的測量精度。
[0040] 圖3中又包含了一個溫度傳感器，能夠?qū)崟r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)果進行系數(shù)補償。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〇°c?50°C或-20°c?55°C等溫 度區(qū)間的環(huán)境試驗進行獲得。
[0041] 圖4為熱電偶冷端測量原理框圖。32個熱電偶通道通過冷端共用，只有8個冷端 補償通道。8個冷端補償通道通過多路復用方式采用一個AD進行采集。冷端溫度傳感器 有很多種，可以是測溫半導體，熱敏電阻等。圖2和圖4所示原理均已熱敏電阻進行說明。 熱敏電阻需要激勵電壓源，激勵電壓源由電壓基準U2和具有一定驅(qū)動能力的運放U1構(gòu)成。 電壓基準U2提供精準的電壓參考，其輸出經(jīng)過運放構(gòu)成的跟隨器進行驅(qū)動后直接作為熱 敏電阻（圖2中的SR0-SR7)的激勵電源。每一路的熱敏電阻分別經(jīng)過電阻進行分壓（圖4 中的R1-R8)，然后經(jīng)過多路復用器(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關(guān)系，當熱電偶冷端溫度變化時，熱敏電阻的阻值會發(fā)生改變，使得多 路復用器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進行放大 調(diào)理后供給AD進行采集。
[0042] 圖5是PXIe系統(tǒng)框圖和測溫裝置的構(gòu)成形式，左圖給出了一個基于PXIe總線測 溫裝置的系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)由計算機、零槽控制器、PXIe機箱、測溫裝置和傳感器構(gòu)成，一 個PXIe機箱可插入多個測溫裝置構(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測溫單元和熱電偶輸入接線盒兩部分構(gòu)成， 輸入接線盒實現(xiàn)熱電偶信號接入并包含冷端溫度測量傳感器，PXIe測溫單元包含熱電偶通 道測量和熱電偶冷端測量以及PXIe總線接口。
[0043] 圖6為多通道高精度測溫裝置的軟件處理流程。該流程描述了任務配置、數(shù)據(jù)采 集以及數(shù)據(jù)結(jié)果處理等整個軟件處理過程。
[0044] 本實用新型通過電子電路和計算機技術(shù)對熱電偶輸出信號進行測量及測量結(jié)果 顯示，以實現(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，通過模擬 調(diào)理電路對熱電偶信號進行濾波、放大處理后經(jīng)過AD進行模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，然后 經(jīng)過計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理、顯示，來實現(xiàn)對被測對象的溫度測量。方案中通過多 路復用開關(guān)實現(xiàn)熱電偶通道的擴展，通過自動調(diào)零通道和板內(nèi)溫度傳感器實現(xiàn)測量結(jié)果補 償，實現(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：包括熱電偶接入單元、至少一組熱電偶 通道測量單元、熱電偶冷端測量單元和用于進行測量數(shù)據(jù)處理的上位機； 所述熱電偶接入單元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； 所述熱電偶接入單元通過連接器分別與熱電偶通道測量單元和熱電偶冷端測量單元 連接； 所述熱電偶通道測量單元與熱電偶冷端測量單元通過上位機接口將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)?上位機。
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 單元包括多個冷端測量通道和與冷端測量通道相對應的冷端測溫傳感器； 所述每組熱電偶通道測量單元包括依次連接的一個直接接地的自動調(diào)零通道，用于通 道復用的多路復用器，一個用于數(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 單元包括多個冷端組；所述每個冷端組設(shè)置有一塊導熱銅皮，不同組的導熱銅皮互相隔離。
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：所述上位機包括通過 軟件算法對熱電偶通道測量單元進冷端補償、零偏補償和溫度系數(shù)補償?shù)能浖惴ㄑa償單 J Li 〇
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：所述熱電偶接入單元 采用U型連接器、螺釘接線柱接入。
【文檔編號】G01K7/12GK203869786SQ201320875401
【公開日】2014年10月8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, 王浩, 苗勝, 張海東 申請人:陜西海泰電子有限責任公司