一種高精度的熱電偶輸入模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種高精度的熱電偶輸入模塊，包括隔離器、放大器、模數轉換單元、控制器、數模轉換單元及電子開關，隔離器與熱電偶相連，放大器的輸出端模數轉換單元，模數轉換單元的輸出端連接控制器，其特征在于：隔離器的接地端在接地的同時向外引出接地接口，隔離器的電壓輸出端同時向外引出兩個接口，控制器根據由模數轉換單元獲得的信號向數模轉換單元輸出反饋信號，數模轉換單元的輸出端向外引出輸出接口。本實用新型的優點是：保證熱電偶信號整體絕對精度在0.1～0.2℃，相對精度能達到0.005～0.01％，能夠滿足工業控制過程的真正需要。
【專利說明】一種高精度的熱電偶輸入模塊
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種高精度的熱電偶輸入模塊，用于提高熱電偶或毫伏等小信號的測量精度，屬于自動控制儀表【技術領域】。
【背景技術】
[0002]熱電偶是由兩種不同成份的金屬線在其端部連接以形成閉合回路，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端)，另一端叫做冷端(也稱為補償端)，當工作端與冷端之間存在溫度差時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢(塞貝克效應)，根據情況選擇不同的金屬材質便會得出大約與溫度差成比例的電壓輸出。但是這個電壓都很非常小，例如比較最常見的鎳鉻-鎳硅K分度熱電偶-270°c?1372°C對應的熱電勢為-6.458mV?54.886mV，鎳鉻-銅鎳合金E分度熱電偶_270°C?1000°C對應的熱電勢為-9.835mV ?76.373mV。
[0003]分散控制系統(DCS)或可編程控制系統(PLC)等控制系統的熱電偶輸入模塊的信號處理方法是獲得由熱電偶產生的熱電動勢(毫伏電壓信號)，將其作為模擬電信號經過放大器放大到伏電壓信號，再經由模數轉換器(ADC)輸入到控制芯片的數字數據中，由控制芯片或交由上位機根據分度號查表或采用溫度估算模型公式處理來轉換成實際溫度。
[0004]早期由于半導體技術相對落后，為了克服控制芯片處理速度慢且存儲器容量小的問題，采用各種各樣的溫度估算模型公式來處理。隨著控制芯片處理速度和存儲容量的技術指標大幅度的提升，采用最原始的查表來克服溫度估算模型公式與實際溫度的微小的誤差。
[0005]從表面上來看，熱電偶信號測量精度會集中到模數轉換器(ADC)上，一般模數轉換器采用12位，雖然模數轉換器理論分辨率為1/4096(即萬分之二)，但是由于放大器和模數轉換器等元器件的參考電壓和電阻等元器件的溫飄等等原因，實際上整個熱電偶信號的測量精度一般為0.1?0.2%之間，即使有些廠家將模數轉換器提高到13位或14位、甚至15位，但整體測量精度并不能提高多少。
[0006]在工業過程控制中，這種相對精度對于執行機構的閥位開度、壓力、流量、液位、電壓電流等等過程變量問題并不大，但是對于溫度信號，由于它沒有具體的量程范圍，一般情況下熱電偶輸入模塊為兼容各種分度號的熱電偶信號，采用的熱電勢信號會有足夠的上限裕度，折算成溫度量程上限會達到2000°C，這時相對精度折算成絕對值會到2°C?4°C。而實際上，低溫度一般會發生在設備啟動過程，當工業過程正常運行時，主要的溫度過程參數會在一個較高的溫度下進行小幅度的變化。例如600MW超超臨界火力發電機組鍋爐過熱器出口溫度在50%額定工況以上時溫度基本在560±10°C之間運行，溫度變化范圍在20°C，而如果作為鍋爐安全保護信號使用，跳爐值也僅為597°C，溫度變化為+37°C這時2V?4V的絕對誤差就顯得非常嚴重。
【發明內容】
[0007]本實用新型要解決的技術問題是保證熱電偶信號的精度。
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是提供了一種高精度的熱電偶輸入模塊，包括隔離器、放大器、模數轉換單元、控制器、數模轉換單元及電子開關，隔離器與熱電偶相連，放大器的輸出端模數轉換單元，模數轉換單元的輸出端連接控制器，其特征在于:隔離器的接地端在接地的同時向外引出接地接口，隔離器的電壓輸出端同時向外引出兩個接口，分別為第一電壓輸出接口及第二電壓輸出接口，控制器根據由模數轉換單元獲得的信號向數模轉換單元輸出反饋信號，數模轉換單元的輸出端向外引出輸出接口，通過電子開關的動作使得放大器的同相輸入端與第一電壓輸出接口連接，同時放大器的反相輸入端與接地接口連接，或者使得放大器的同相輸入端與輸出接口連接，同時放大器的反相輸入端與接地接口連接，或者使得放大器的同相輸入端與輸出接口連接，同時放大器的反相輸入端與第二電壓輸出接口連接。
[0009]優選地，所述放大器為可編程運算放大器。
[0010]優選地，所述電子開關共有兩個，均為單刀雙擲電子開關。
[0011]優選地，所述模數轉換單元和所述數模轉換單元選用12位精度的轉換器。
[0012]本實用新型的優點是:保證熱電偶信號整體絕對精度在0.1?0.2°C，相對精度能達到0.005?0.01%，能夠滿足工業控制過程的真正需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型提供的一種高精度的熱電偶輸入模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0014]為使本實用新型更明顯易懂，茲以優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0015]如圖1所示，本實用新型提供的一種高精度的熱電偶輸入模塊，包括隔離器、放大器、模數轉換單元ADC、控制器、數模轉換單元DAC及電子開關，隔離器與熱電偶相連，放大器的輸出端模數轉換單元ADC，模數轉換單元ADC的輸出端連接控制器，其特征在于:隔離器的接地端在接地的同時向外引出接地接口 4，隔離器的電壓輸出端同時向外引出兩個接口，分別為第一電壓輸出接口 I及第二電壓輸出接口 3，控制器根據由模數轉換單元ADC獲得的信號向數模轉換單元DAC輸出反饋信號，數模轉換單元DAC的輸出端向外引出輸出接口 2，通過電子開關的動作使得放大器的同相輸入端SA與第一電壓輸出接口 I連接，同時放大器的反相輸入端SB與接地接口 4連接，或者使得放大器的同相輸入端SA與輸出接口2連接，同時放大器的反相輸入端SB與接地接口 4連接，或者使得放大器的同相輸入端SA與輸出接口 2連接，同時放大器的反相輸入端SB與第二電壓輸出接口 3連接。
[0016]放大器為可編程運算放大器。
[0017]電子開關共有兩個，均為單刀雙擲電子開關。
[0018]模數轉換單元ADC和所述數模轉換單元DAC選用12位精度的轉換器，本領域技術人員也可以根據需要選用其他精度的轉換器。
[0019]利用上述模塊的熱電偶輸入測量方法，其步驟為:
[0020]第一步、操作電子開關，使得放大器的同相輸入端SA與第一電壓輸出接口 I連接，同時放大器的反相輸入端SB與接地接口 4連接，將放大器的放大倍數設置為A，控制器獲得由模數轉換單元ADC的輸出電壓Vp的初始值，根據輸出電壓Vp的初始值及其對應的溫度Tp，將熱電偶輸入模塊的上限量程值定義為Tp+A°C，下限量程值定義為Tp-A°C，根據分度號查表找到與Tp+A°C相對應的熱電動勢VO ；
[0021]第二步、操作電子開關，使得放大器的同相輸入端SA與輸出接口 2連接，同時放大器的反相輸入端SB與接地接口 4連接，調整控制器的反饋電壓Vf，使得輸出接口 2上的參考電壓Vref=VO+ Λ I，Λ I為放大器及模數轉換單元ADC的輸入綜合誤差；
[0022]上述第二步的推導過程為:
[0023]若調整控制器的反饋電壓Vf為熱電動勢V0，則Vref參考電壓=VO- Δ 2，Λ2為反饋綜合誤差，則輸出電壓Vp=Vref-A I=VO-Λ 2-Λ I。若要使得輸出電壓Vp=VO,則通過反向計算，需要將控制器的輸出反饋電壓Vf調整為VO+Λ 2+Al，此時，Vref=Vf- Δ 2=V0+ Δ2+Δ 1-Δ 2=V0+ Δ I。
[0024]第三步、操作電子開關，使得放大器的同相輸入端SA與輸出接口 2連接，同時放大器的反相輸入端SB與第二電壓輸出接口 3連接，將放大器的放大倍數設置為B，B遠大于Α，此時，放大器的同相輸入端SA上的參考電壓Vref=VO+Λ 1，放大器的反相輸入端SB上的電壓為隔離器的輸出電壓Vi，端差值為VO+ Λ 1-Vi，減去放大器及模數轉換單元ADC的輸入綜合誤差Λ I后，最終模數轉換單元ADC的輸出電壓Vp=VO+Λ 1-V1-Λ I=VO-Vi,該熱電動勢對應的溫度Ti，則最終的溫度值為Tp+A-Ti。
[0025]以下結合數據來進一步說明本實用新型。
[0026]利用高精度的信號發生器對熱電偶輸入模塊的第一通道輸出27.025mV(此熱電動勢在K分度號對應650°C )，熱電偶輸入模塊的工作過程如下(為便于理解，計算測量值時放大倍數被忽略):
[0027]第一步、操作電子開關，使得放大器的同相輸入端SA與第一電壓輸出接口 I連接，同時放大器的反相輸入端SB與接地接口 4連接，設置放大器的放大倍數為50，得到Vp的初始值26.856mV,根據Vp的初始值26.878mV及對應的溫度Tp (646.53°C )，將它的上限量程值定義為 28.984mV(696.53°C )，下限量程值定義為 24.758mV(596.53°C )。
[0028]第二步、操作電子開關，使得放大器的同相輸入端SA與輸出接口 2連接，同時放大器的反相輸入端SB與接地接口 4連接，控制器的反饋電壓Vf為28.984mV,通過輸入端得到的Vp為28.704mV,通過反向計算，若要使得Vp為28.984mV,則將控制器的反饋電壓Vf設定為 29.264mV。
[0029]第三步、操作電子開關，使得放大器的同相輸入端SA與輸出接口 2連接，同時放大器的反相輸入端SB與第二電壓輸出接口 3連接，設置放大器的放大倍數為500，此時，Vref為29.131mV, Vi為信號發生器的實際輸入27.025mV，端差值為2.106，最終得到Vp為1.959mV，折算最終被測量信號的熱電動勢為27.025，對應的溫度為650°C，測量誤差為0%。
【權利要求】
1.一種高精度的熱電偶輸入模塊，包括隔離器、放大器、模數轉換單元(ADC)、控制器、數模轉換單元(DAC)及電子開關，隔離器與熱電偶相連，放大器的輸出端模數轉換單元(ADC)，模數轉換單元(ADC)的輸出端連接控制器，其特征在于:隔離器的接地端在接地的同時向外引出接地接口(4)，隔離器的電壓輸出端同時向外引出兩個接口，分別為第一電壓輸出接口(I)及第二電壓輸出接口(3)，控制器根據由模數轉換單元(ADC)獲得的信號向數模轉換單元(DAC)輸出反饋信號，數模轉換單元(DAC)的輸出端向外引出輸出接口(2)，通過電子開關的動作使得放大器的同相輸入端(SA)與第一電壓輸出接口(I)連接，同時放大器的反相輸入端(SB)與接地接口(4)連接，或者使得放大器的同相輸入端(SA)與輸出接口(2)連接，同時放大器的反相輸入端(SB)與接地接口(4)連接，或者使得放大器的同相輸入端(SA)與輸出接口(2)連接，同時放大器的反相輸入端(SB)與第二電壓輸出接口(3)連接。
2.如權利要求1所述的一種高精度的熱電偶輸入模塊，其特征在于:所述放大器為可編程運算放大器。
3.如權利要求1所述的一種高精度的熱電偶輸入模塊，其特征在于:所述電子開關共有兩個，均為單刀雙擲電子開關。
4.如權利要求1所述的一種高精度的熱電偶輸入模塊，其特征在于:所述模數轉換單元(ADC)和所述數模轉換單元(DAC)選用12位精度的轉換器。
【文檔編號】G01K7/02GK203672507SQ201320623835
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】章偉杰, 朱武亭, 張文 申請人:上海發電設備成套設計研究院