一种热电偶采集模件冷端温度补偿系统及方法与流程

1.本发明涉及一种热电偶采集模件冷端温度补偿系统及方法，属于热电偶测温技术领域。


背景技术：

2.热电偶测温的工作原理：当有两种不同的导体或半导体a和b组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为t，称为工作端或热端，另一端温度为t0，称为自由端(也称参考端)或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。
3.根据其测温原理可知热电偶电势的大小与其两端的温度有关，其温度-热电势关系曲线是在冷端温度为0℃时分度的。在实际应用中，由于热电偶冷端暴露在空间受到周围环境温度的影响，所以测温中的冷端温度不可能保持在0℃不变，也不可能固定在某个温度不变，而热电偶电势既决定于热端温度，也决定于冷端温度。所以如果冷端温度自由变化，必然会引起测量误差。为了消除这种误差，必然进行冷端温度补偿。故而需要找到一种更可靠准确的冷端温度补偿方法。
4.热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过采集系统转换成被测介质的温度。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。
5.热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变(为0℃)时，热电势才是热端温度的单值函数。若测量时，冷端的(环境)温度变化，将严重影响测量的准确性。因此需要在冷端采取一定措施补偿去消除由于冷端温度变化造成的影响。目前常用的冷端温度补偿方法如下：
6.1、冷端恒温法
7.将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此法也称冰浴法，它消除了冷端温度不等于0℃而引入的误差，由于冰熔化较快，所以一般只适用于实验室中。
8.2、仪表机械零点调整法
9.当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的冷端温度比较恒定，对测量精度要求又不太高时，可将动圈仪表的机械零点调整至热电偶冷端所处的温度t0处，这相当于在输入热电偶的热电势前就给仪表输入一个热电势e(t0,0℃)。这样，仪表在使用时所指示的值约为e(t0,0℃)+e(t,t0)。
10.3、冷端温度测量计算修正法
11.冷端温度测量计算修正法是采用补偿导线将热电偶冷端温度移到测量仪表t0处，t0通常为环境温度，不是0℃，热电偶采集模件当前测出的热电势为e(t，t0)，它其实是冷端为t0时的热电势，而最终进行了冷端补偿的实际温度的热电势：e(t，0)＝e(t，t0)+e(t0，
0)。原理就是测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的当前测量的毫伏值相加，最终将相加后的毫伏值换算出温度，而冷端温度通常是通过在模件端子上安装1-2个热电阻测得。
12.仪表机械零点调整法有一定的误差，并且是需要冷端温度比较恒定，所以该方法具有一定的局限性。
13.冷端温度测量计算修正法则是目前工程上应用最广泛的一种方法，因为测量仪表一般距离热电偶较远，例如在dcs项目现场热电偶测量模件一般位于集控室电子间，而热电偶一般位于锅炉现场侧，热电偶冷端通过补偿导线连接到热电偶采集模件的端子上。此方法的核心就是需要准确的测量热电偶的冷端温度即热电偶采集模件端子上的环境温度。目前比较常见的环境温度测量方式是在模件端子上安装1-2个热电阻测量环境温度，再将环境温度的测量值传入模件内进行冷端温度修正。该方法需要在端子上安装外置的热电阻，由于现场环境复杂，热电阻容易被人员接线或者其他因素故障甚至损坏，从而导致环境温度不能正确测量，造成热电偶采集模件的温度测量异常，最终不利于整个控制系统的可靠性以及稳定性。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种热电偶采集模件冷端温度补偿系统及方法，在其保证测量精度的同时，尽可能的不受现场环境因素的影响，能够提高整个热电偶采集模件的可靠性以及稳定性。
15.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
16.第一方面，本发明提供了一种热电偶采集模件冷端温度补偿方法，包括：
17.控制处理单元，所述控制处理单元用于根据热电偶采集模件输入的数据和从历史数据库获取的历史数据进行计算，计算出实际的冷端补偿温度；
18.热电偶采集模件，所述热电偶采集模件的接线端子上接有外部测温热电阻，并且在模件内部的电路上集成了内部环境温度测量模块，所述热电偶采集模件与控制处理单元之间通过通讯总线相连；
19.历史数据库，所述历史数据库与控制处理单元相连，用于记录所述控制处理单元的历史数据；
20.现场侧热电偶，所述现场测热电偶的冷端通过补偿导线与热电偶采集模件的接线端子相连。
21.进一步的，所述外部测温热电阻设有报警模块，用于在发生故障时，发送报警信号至控制处理单元。
22.进一步的，所述热电偶采集模块还包括adc采集模块，用于采集现场侧热电偶的热电势。
23.进一步的，所述热电偶采集模块还包括实际冷端温度测量模块，用于测量外部测温热电阻测出的端子上的环境温度，并当外部热电阻发生故障时，采集其报警信号，并将测量的环境温度和报警信号发送给控制处理单元。
24.进一步的，所述控制处理单元包括冷端温度趋势拟合模块，用于通过历史数据库的数据，实时将模件内外温度进行趋势拟合，计算出冷端温度补偿的经验系数，同时将该系
数实时传输给冷端温度冗余切换模块。
25.进一步的，所述控制处理单元包括冷端温度冗余切换模块，用于在外部测温热电阻发生故障时，对冷端补偿温度进行无扰切换，此时实际的冷端补偿温度为内部环境温度乘以冷端温度补偿的经验系数。
26.进一步的，所述控制处理单元包括温度计算模块，用于计算最终热电偶测量的测点温度值，具体如下：实际的热电势e(t，0)＝e(t，t0)+e(t0，0)，其中，e(t，t0)通过热电偶模件采集，e(t0，0)通过冷端温度冗余切换模块选出的t0换算得出，最终在控制器内部通过查表将e(t，0)换算成实际分度下的温度值。
27.第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的热电偶采集模件冷端温度补偿系统的补偿方法，适用于控制处理单元，所述方法包括：
28.接收热电偶模件在预先设定的间隔时间内，采集的模件外环境温度和模件内环境温度，其中，热电偶模件实时采集热电势，并将采集的模件外环境温度和模件内环境温度保存至历史数据库；
29.对设定时间内的模件外环境温度和模件内环境温度进行趋势拟合，获取冷端温度补偿的经验系数；
30.基于所述模件外环境温度、模件内环境温度以及冷端温度补偿的经验系数，计算出实际冷端补偿温度，并转成热电势；
31.计算得出热电偶实际的热电势，并通过查表将热电势转换成实际温度，进行补偿。
32.进一步的，所述对设定时间内的模件外环境温度和模件内环境温度进行趋势拟合，获取冷端温度补偿的经验系数，包括：
33.将设定时间采集的模件外环境温度依次除以模件内环境温度，获取多个经验系数，计算多个经验系数在设定时间内的系数平均值a，每分钟实时刷新一次系数a，使得a*t0内≈t0外，其中，t0内为模件内环境温度，t0外模件外环境温度。
34.进一步的，所述基于所述模件外环境温度、模件内环境温度以及冷端温度补偿的经验系数，计算出实际冷端补偿温度，包括：
35.判断是否存在热电阻温度报警信号，若没有报警信号，则实际冷端补偿温度等于模件外环境温度，若存在报警信号，则实际冷端补偿温度等于模件内环境温度乘以冷端温度补偿的经验系数。
36.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
37.本发明提供一种热电偶采集模件冷端温度补偿系统及方法，在模件内部集成了相应的测温模块，该测温模块集成在模件的电路上并且受模件外壳保护不易损坏。当外部测量环境温度的热电阻故障时，可以进行冷端温度补偿的冗余无扰切换，并且切换后的冷端温度是通过算法实时拟合出来的，不是简单的补偿一个常数(例如25℃)，它不受季节气候环境因素的影响，切换后的冷端温度在一定时间内依然具有很高的精度，现场人员可以在此期间有充足的时间对外部热电阻进行检修更换，保证了整个控制系统的安全性。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的一种热电偶采集模件冷端温度补偿系统结构图；
39.图2是本发明实施例提供的热电偶模件系统图；
40.图3是本发明实施例提供的冷端温度补偿的经验系数的计算流程图。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
42.实施例1
43.本实施例介绍一种热电偶采集模件冷端温度补偿系统，包括：
44.控制处理单元，所述控制处理单元用于根据热电偶采集模件输入的数据和从历史数据库获取的历史数据进行计算，计算出实际的冷端补偿温度；
45.热电偶采集模件，所述热电偶采集模件的接线端子上接有外部测温热电阻，并且在模件内部的电路上集成了内部环境温度测量模块，所述热电偶采集模件与控制处理单元之间通过通讯总线相连；
46.历史数据库，所述历史数据库与控制处理单元相连，用于记录所述控制处理单元的历史数据；
47.现场侧热电偶，所述现场测热电偶的冷端通过补偿导线与热电偶采集模件的接线端子相连。
48.下面结合附图，对上述实施例中设计到的内容进行说明。
49.如图1所示，本发明涉及到的热电偶采集模件通常存在于一个控制系统内，其功能是将采集到的温度信号传输给上位进行逻辑计算。本方法可以利用控制系统内的资源如：控制处理单元(control processing unit-cpu)、历史数据库等搭建一个新的热电偶温度采集系统，以提高冷端温度补偿的可靠性以及稳定性；其中：
50.控制处理单元：根据输入数据进行逻辑计算，cpu内集成了软件算法模块：冷端温度冗余切换模块、冷端温度趋势拟合模块、温度计算模块。
51.热电偶采集模件：端子上接有外部测温热电阻，并且在模件内部集成了环境温度测量模块，该内部的测温模是集成在模件内部的电路上，并且因为有模件外壳的保护在现场很难损坏，热电偶采集模件与cpu之间有通讯总线相连。
52.热电偶冷端通过补偿导线将冷端温度移到热电偶采集模件的接线端子t0处。
53.外部测温热电阻：负责测量端子上的环境温度即热电偶冷端温度。
54.历史数据库：负责记录控制器内的历史数据(例如冷端温度、实际热电偶测量的温度等)，与控制器cpu进行数据交换。
55.该方法的工作原理如下：
56.热电偶采集模件如图2，内部adc模块采集模块负责采集现场的热电偶的热电势即e(t,t0)该数值是冷端温度基于端子上的环境温度t0时的热电势；实际冷端温度测量模块测量外部测温热电阻测出的端子上的环境温度(t0外)，并当外部热电阻发生故障时，该模块采集其报警信号；集成在模件内部的环境温度测量模块测出模件内的环境温度(t0内)。热电偶模件通过通讯模块与控制器进行通讯，将采集的信号e(t,t0)，t0外，报警信号，t0内传入cpu。
57.cpu的冷端温度冗余切换模块的功能是对冷端补偿温度t0进行无扰切换。正常情况下，端子上的环境温度(t0外)就是实际的冷端补偿温度t0，但当外部热电阻发生故障时
即报警信号为ture时，冷端补偿温度切换成(t0内)乘以一个经验系数，该经验系数可以通过cpu的趋势拟合模块计算出。
58.cpu的冷端温度趋势拟合模块的功能是计算冷端温度补偿的经验系数，具体如下：因为模件和接线端子距离很近，其内部的环境温度(t0内)在较短的时间内是与端子上的环境温度(t0外)成线性关系，所以可以通过历史数据库的数据，实时将最近一段时间内的(t0内)和(t0外)进行趋势拟合，使得(t0内)乘以一个系数可以近似等于(t0外)，同时将该系数实时传输给冷端温度冗余切换模块进行相关计算。
59.cpu的温度计算模块的功能是计算最终热电偶测量的测点温度值，具体如下：实际的热电势e(t，0)＝e(t，t0)+e(t0，0)，e(t，t0)通过热电偶模件采集，e(t0，0)通过冷端温度冗余切换模块选出的t0换算得出，最终在控制器内部通过查表将e(t，0)换算成实际分度下的温度值。
60.现有技术由于现场环境复杂，外接的测温热电阻容易被人员接线或者其他因素故障甚至损坏，导致环境温度不能正确测量，最终导致温度的测量误差较大。
61.本方法在模件内部集成了相应的测温模块，该测温模块集成在模件的电路上并且受模件外壳保护不易损坏。当外部测量环境温度的热电阻故障时，可以进行冷端温度补偿的冗余无扰切换，并且切换后的冷端温度是通过算法实时拟合出来的，不是简单的补偿一个常数(例如25℃)，它不受季节气候环境因素的影响，切换后的冷端温度在一定时间内依然具有很高的精度，现场人员可以在此期间有充足的时间对外部热电阻进行检修更换，保证了整个控制系统的安全性。
62.实施例2
63.本实施例提供一种根据实施例1中任一项所述的热电偶采集模件冷端温度补偿系统的补偿方法，适用于控制处理单元，所述方法包括：
64.接收热电偶模件在预先设定的间隔时间内，采集的模件外环境温度和模件内环境温度，其中，热电偶模件实时采集热电势，并将采集的模件外环境温度和模件内环境温度保存至历史数据库；
65.对设定时间内的模件外环境温度和模件内环境温度进行趋势拟合，获取冷端温度补偿的经验系数；包括：
66.将设定时间采集的模件外环境温度依次除以模件内环境温度，获取多个经验系数，计算多个经验系数在设定时间内的系数平均值a，每分钟实时刷新一次系数a，使得a*t0内≈t0外，其中，t0内为模件内环境温度，t0外模件外环境温度；
67.基于所述模件外环境温度、模件内环境温度以及冷端温度补偿的经验系数，计算出实际冷端补偿温度，并转成热电势；包括：
68.判断是否存在热电阻温度报警信号，若没有报警信号，则实际冷端补偿温度等于模件外环境温度，若存在报警信号，则实际冷端补偿温度等于模件内环境温度乘以冷端温度补偿的经验系数；
69.计算得出热电偶实际的热电势，并通过查表将热电势转换成实际温度，进行补偿。
70.本实施例提供的热电偶采集模件冷端温度补偿方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
71.步骤1：热电偶模件实时采集热电势e(t,t0)，由于环境温度短时间内不会剧烈变
化，假设热电偶模件一分钟采集一次t0外，t0内。
72.步骤2：设计和计算冷端温度补偿系数a。
73.步骤2.1：t0外，t0内通过控制器实时将数据存入历史数据库。
74.步骤2.2：cpu对最近30分钟内的t0外、t0内进行趋势拟合，具体算法如图3所示；
75.步骤2.3：每分钟实时刷新一次系数a，使得a*t0内≈t0外。
76.步骤3：设计和计算选出冷端补偿温度t0并转成热电势。
77.步骤3.1：判断是否存在热电阻温度报警信号k。
78.步骤3.2：若k＝0，t0＝(t0外)；若k＝1，t0＝a*(t0内)，同时停止刷新系数a。
79.步骤3.3：通过查表将t0转换成热电势e(t0，0)。
80.步骤4：计算得出热电偶实际的热电势，即e(t，0)＝e(t，t0)+e(t0，0)。
81.步骤5：通过查表将热电势e(t，0)转换成实际温度t。
82.本发明着重解决当外部测温热电阻发生故障时如何进行温度的准确测量的问题。该方法的核心就是在模件内部集成相应的测温模块(该模块受模件外壳保护，不易损坏)，当外部测量环境温度的热电阻故障时通过算法可以进行冷端温度补偿的冗余切换，并且切换后的冷端温度在一定时间内也具有较高的精度。
83.本发明的冷端温度补偿方法更为合理准确，受外部环境影响较小，该方法提高了热电偶模件测量的精度和可靠性，保证了整个控制系统的安全运行。
84.其中，dcs：一般指分散控制系统。分散控制系统是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。
85.adc:模拟数字转换器即a/d转换器，或简称adc，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
86.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。