CN103542954B - 一种高精度的热电偶输入模块及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度的热电偶输入模块，包括隔离器、放大器、模数转换单元、控制器、数模转换单元及电子开关，隔离器与热电偶相连，放大器的输出端模数转换单元，模数转换单元的输出端连接控制器，其特征在于：隔离器的接地端在接地的同时向外引出接地接口，隔离器的电压输出端同时向外引出两个接口，控制器根据由模数转换单元获得的信号向数模转换单元输出反馈信号，数模转换单元的输出端向外引出输出接口。本发明的另一技术方案是提供了一种高精度的热电偶输入测量方法，采用上述的热电偶输入模块。本发明的优点是：保证热电偶信号整体绝对精度在0.1～0.2℃，相对精度能达到0.005～0.01％，能够满足工业控制过程的真正需要。

Description

一种高精度的热电偶输入模块及测量方法

技术领域

本发明涉及一种高精度的热电偶输入模块及测量方法，用于提高热电偶或毫伏等小信号的测量精度，属于自动控制仪表技术领域。

背景技术

热电偶是由两种不同成份的金属线在其端部连接以形成闭合回路，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端)，当工作端与冷端之间存在温度差时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势(塞贝克效应)，根据情况选择不同的金属材质便会得出大约与温度差成比例的电压输出。但是这个电压都很非常小，例如比较最常见的镍铬-镍硅K分度热电偶-270℃～1372℃对应的热电势为-6.458mV～54.886mV，镍铬-铜镍合金E分度热电偶-270℃～1000℃对应的热电势为-9.835mV～76.373mV。

分散控制系统(DCS)或可编程控制系统(PLC)等控制系统的热电偶输入模块的信号处理方法是获得由热电偶产生的热电动势(毫伏电压信号)，将其作为模拟电信号经过放大器放大到伏电压信号，再经由模数转换器(ADC)输入到控制芯片的数字数据中，由控制芯片或交由上位机根据分度号查表或采用温度估算模型公式处理来转换成实际温度。

早期由于半导体技术相对落后，为了克服控制芯片处理速度慢且存储器容量小的问题，采用各种各样的温度估算模型公式来处理。随着控制芯片处理速度和存储容量的技术指标大幅度的提升，采用最原始的查表来克服温度估算模型公式与实际温度的微小的误差。

从表面上来看，热电偶信号测量精度会集中到模数转换器(ADC)上，一般模数转换器采用12位，虽然模数转换器理论分辨率为1/4096(即万分之二)，但是由于放大器和模数转换器等元器件的参考电压和电阻等元器件的温飘等等原因，实际上整个热电偶信号的测量精度一般为0.1～0.2％之间，即使有些厂家将模数转换器提高到13位或14位、甚至15位，但整体测量精度并不能提高多少。

在工业过程控制中，这种相对精度对于执行机构的阀位开度、压力、流量、液位、电压电流等等过程变量问题并不大，但是对于温度信号，由于它没有具体的量程范围，一般情况下热电偶输入模块为兼容各种分度号的热电偶信号，采用的热电势信号会有足够的上限裕度，折算成温度量程上限会达到2000℃，这时相对精度折算成绝对值会到2℃～4℃。而实际上，低温度一般会发生在设备启动过程，当工业过程正常运行时，主要的温度过程参数会在一个较高的温度下进行小幅度的变化。例如600MW超超临界火力发电机组锅炉过热器出口温度在50％额定工况以上时温度基本在560±10℃之间运行，温度变化范围在20℃，而如果作为锅炉安全保护信号使用，跳炉值也仅为597℃，温度变化为+37℃这时2℃～4℃的绝对误差就显得非常严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是保证热电偶信号的精度。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种高精度的热电偶输入模块，包括隔离器、放大器、模数转换单元、控制器、数模转换单元及电子开关，隔离器与热电偶相连，放大器的输出端模数转换单元，模数转换单元的输出端连接控制器，其特征在于：隔离器的接地端在接地的同时向外引出接地接口，隔离器的电压输出端同时向外引出两个接口，分别为第一电压输出接口及第二电压输出接口，控制器根据由模数转换单元获得的信号向数模转换单元输出反馈信号，数模转换单元的输出端向外引出输出接口，通过电子开关的动作使得放大器的同相输入端与第一电压输出接口连接，同时放大器的反相输入端与接地接口连接，或者使得放大器的同相输入端与输出接口连接，同时放大器的反相输入端与接地接口连接，或者使得放大器的同相输入端与输出接口连接，同时放大器的反相输入端与第二电压输出接口连接。

优选地，所述放大器为可编程运算放大器。

优选地，所述电子开关共有两个，均为单刀双掷电子开关。

优选地，所述模数转换单元和所述数模转换单元选用12位精度的转换器。

本发明的另一技术方案是提供了一种高精度的热电偶输入测量方法，采用上述的热电偶输入模块，其基本思路是：

降低放大器的放大倍数，预测实际测量温度值后将温度的上下限量程基准点从超大量程范围切片分割成小量程范围。控制器利用数模转换器作为反馈端与输入端形成一个闭环回路，调整放大器的参考基准值以克服输入端和反馈端的综合误差。大幅度提高放大器的放大倍数，结合修正过的放大器的参考基准值，经过控制器的计算得出高精度的热电偶信号对应的温度值特征在于，具体步骤为：

第一步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端与第一电压输出接口连接，同时放大器的反相输入端与接地接口连接，将放大器的放大倍数设置为A，控制器获得由模数转换单元的输出电压Vp的初始值，根据输出电压Vp的初始值及其对应的温度Tp，将热电偶输入模块的上限量程值定义为Tp+A℃，下限量程值定义为Tp-A℃，根据分度号查表找到与Tp+A℃相对应的热电动势V0；

第二步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端与输出接口连接，同时放大器的反相输入端与接地接口连接，调整控制器的反馈电压Vf，使得输出接口上的参考电压Vref＝V0+Δ1，Δ1为放大器及模数转换单元的输入综合误差；

第三步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端与输出接口连接，同时放大器的反相输入端与第二电压输出接口连接，将放大器的放大倍数设置为B，B远大于A，此时，放大器的同相输入端上的参考电压Vref＝V0+Δ1，放大器的反相输入端上的电压为隔离器的输出电压Vi，端差值为V0+Δ1-Vi，减去放大器及模数转换单元的输入综合误差Δ1后，最终模数转换单元的输出电压Vp＝V0+Δ1-Vi-Δ1＝V0-Vi，该热电动势对应的温度Ti，则最终的温度值为Tp+A-Ti。

本发明的优点是：保证热电偶信号整体绝对精度在0.1～0.2℃，相对精度能达到0.005～0.01％，能够满足工业控制过程的真正需要。

附图说明

图1为本发明提供的一种高精度的热电偶输入模块示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明提供的一种高精度的热电偶输入模块，包括隔离器、放大器、模数转换单元ADC、控制器、数模转换单元DAC及电子开关，隔离器与热电偶相连，放大器的输出端模数转换单元ADC，模数转换单元ADC的输出端连接控制器，其特征在于：隔离器的接地端在接地的同时向外引出接地接口4，隔离器的电压输出端同时向外引出两个接口，分别为第一电压输出接口1及第二电压输出接口3，控制器根据由模数转换单元ADC获得的信号向数模转换单元DAC输出反馈信号，数模转换单元DAC的输出端向外引出输出接口2，通过电子开关的动作使得放大器的同相输入端SA与第一电压输出接口1连接，同时放大器的反相输入端SB与接地接口4连接，或者使得放大器的同相输入端SA与输出接口2连接，同时放大器的反相输入端SB与接地接口4连接，或者使得放大器的同相输入端SA与输出接口2连接，同时放大器的反相输入端SB与第二电压输出接口3连接。

放大器为可编程运算放大器。

电子开关共有两个，均为单刀双掷电子开关。

模数转换单元ADC和所述数模转换单元DAC选用12位精度的转换器，本领域技术人员也可以根据需要选用其他精度的转换器。

利用上述模块的热电偶输入测量方法，其步骤为：

第一步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端SA与第一电压输出接口1连接，同时放大器的反相输入端SB与接地接口4连接，将放大器的放大倍数设置为A，控制器获得由模数转换单元ADC的输出电压Vp的初始值，根据输出电压Vp的初始值及其对应的温度Tp，将热电偶输入模块的上限量程值定义为Tp+A℃，下限量程值定义为Tp-A℃，根据分度号查表找到与Tp+A℃相对应的热电动势V0；

第二步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端SA与输出接口2连接，同时放大器的反相输入端SB与接地接口4连接，调整控制器的反馈电压Vf，使得输出接口2上的参考电压Vref＝V0+Δ1，Δ1为放大器及模数转换单元ADC的输入综合误差；

上述第二步的推导过程为：

若调整控制器的反馈电压Vf为热电动势V0，则Vref参考电压＝V0-Δ2，Δ2为反馈综合误差，则输出电压Vp＝Vref-Δ1＝V0-Δ2-Δ1。若要使得输出电压Vp＝V0，则通过反向计算，需要将控制器的输出反馈电压Vf调整为V0+Δ2+Δ1，此时，Vref＝Vf-Δ2＝V0+Δ2+Δ1-Δ2＝V0+Δ1。

第三步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端SA与输出接口2连接，同时放大器的反相输入端SB与第二电压输出接口3连接，将放大器的放大倍数设置为B，B远大于A，此时，放大器的同相输入端SA上的参考电压Vref＝V0+Δ1，放大器的反相输入端SB上的电压为隔离器的输出电压Vi，端差值为V0+Δ1-Vi，减去放大器及模数转换单元ADC的输入综合误差Δ1后，最终模数转换单元ADC的输出电压Vp＝V0+Δ1-Vi-Δ1＝V0-Vi，该热电动势对应的温度Ti，则最终的温度值为Tp+A-Ti。

以下结合数据来进一步说明本发明。

利用高精度的信号发生器对热电偶输入模块的第一通道输出27.025mV(此热电动势在K分度号对应650℃)，热电偶输入模块的工作过程如下(为便于理解，计算测量值时放大倍数被忽略)：

第一步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端SA与第一电压输出接口1连接，同时放大器的反相输入端SB与接地接口4连接，设置放大器的放大倍数为50，得到Vp的初始值26.856mV，根据Vp的初始值26.878mV及对应的温度Tp(646.53℃)，将它的上限量程值定义为28.984mV(696.53℃)，下限量程值定义为24.758mV(596.53℃)。

第二步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端SA与输出接口2连接，同时放大器的反相输入端SB与接地接口4连接，控制器的反馈电压Vf为28.984mV，通过输入端得到的Vp为28.704mV，通过反向计算，若要使得Vp为28.984mV，则将控制器的反馈电压Vf设定为29.264mV。

第三步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端SA与输出接口2连接，同时放大器的反相输入端SB与第二电压输出接口3连接，设置放大器的放大倍数为500，此时，Vref为29.131mV，Vi为信号发生器的实际输入27.025mV，端差值为2.106，最终得到Vp为1.959mV，折算最终被测量信号的热电动势为27.025，对应的温度为650℃，测量误差为0％。

Claims (3)

1.一种高精度的热电偶输入模块，包括隔离器、放大器、模数转换单元（ADC）、控制器、数模转换单元（DAC）及电子开关，隔离器与热电偶相连，放大器的输出端连接模数转换单元（ADC），模数转换单元（ADC）的输出端连接控制器，其特征在于：隔离器的接地端在接地的同时向外引出接地接口（4），隔离器的电压输出端同时向外引出两个接口，分别为第一电压输出接口（1）及第二电压输出接口（3），控制器根据由模数转换单元（ADC）获得的信号向数模转换单元（DAC）输出反馈信号，数模转换单元（DAC）的输出端向外引出输出接口（2），通过电子开关的动作使得放大器的同相输入端（SA）与第一电压输出接口（1）连接，同时放大器的反相输入端（SB）与接地接口（4）连接，或者使得放大器的同相输入端（SA）与输出接口（2）连接，同时放大器的反相输入端（SB）与接地接口（4）连接，或者使得放大器的同相输入端（SA）与输出接口（2）连接，同时放大器的反相输入端（SB）与第二电压输出接口（3）连接；

所述放大器为可编程运算放大器；

所述电子开关共有两个，均为单刀双掷电子开关。

2.如权利要求1所述的一种高精度的热电偶输入模块，其特征在于：所述模数转换单元（ADC）和所述数模转换单元（DAC）选用12位精度的转换器。

3.一种高精度的热电偶输入测量方法，采用如权利要求1所述的热电偶输入模块，其特征在于，步骤为：

第一步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端（SA）与第一电压输出接口（1）连接，同时放大器的反相输入端（SB）与接地接口（4）连接，将放大器的放大倍数设置为A，控制器获得模数转换单元（ADC）的输出电压Vp的初始值，根据输出电压Vp的初始值及其对应的温度Tp，将热电偶输入模块的上限量程值定义为Tp+A℃，下限量程值定义为Tp-A℃，根据分度号查表找到与Tp+A℃相对应的热电动势V0；

第二步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端（SA）与输出接口（2）连接，同时放大器的反相输入端（SB）与接地接口（4）连接，调整控制器的反馈电压Vf，使得输出接口（2）上的参考电压Vref=V0+Δ1，Δ1为放大器及模数转换单元（ADC）的输入综合误差；

第三步、操作电子开关，使得放大器的同相输入端（SA）与输出接口（2）连接，同时放大器的反相输入端（SB）与第二电压输出接口（3）连接，将放大器的放大倍数设置为B，B远大于A，此时，放大器的同相输入端（SA）上的参考电压Vref=V0+Δ1，放大器的反相输入端（SB）上的电压为隔离器的输出电压Vi，端差值为V0+Δ1-Vi，减去放大器及模数转换单元（ADC）的输入综合误差Δ1后，最终模数转换单元（ADC）的输出电压Vp=V0+Δ1-Vi-Δ1=V0-Vi，该热电动势对应的温度Ti，则最终的温度值为Tp+A-Ti。