[發明專利]一種熱電偶信號處理系統及其信號處理方法

有效

• 申請號: 202010781344.6
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111982329B
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 倪立;周洋;厲愛鳳;李明亞;陳霞;張羽;張祖力
• 申請（專利權）人: 首凱汽車零部件（江蘇）有限公司
• 主分類號: G01K7/10
• 分類號: G01K7/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 顏盈靜

1.一種熱電偶信號處理系統，其特征在于：包括：

電源模塊，用于向系統中各模塊供電；

多個熱電偶，其熱端探入待測溫度環境中，多個熱電偶的冷端緊鄰布置；

多個完全相同的冷端采樣模塊，多個冷端采樣模塊緊鄰布置在多個熱電偶的冷端附近，用于對熱電偶的冷端電壓進行采樣，并將得到的冷端采樣電壓發送給中央處理模塊；所述冷端采樣模塊包括熱敏電阻；熱電偶采樣模塊，用于對熱電偶兩端電勢差進行采集并將采集電勢差發送給中央處理模塊；

熱電偶通道切換模塊，在熱電偶和熱電偶采樣模塊之間設置，熱電偶通道切換模塊連接全部熱電偶，根據中央處理模塊的控制信號決定某時刻哪個通道的熱電偶信號可以通過，被允許通過的熱電偶信號進入熱電偶采樣模塊中，熱電偶采樣模塊將進入的熱電偶信號進行采集并發送給中央處理器；

中央處理模塊，用于根據來自冷端采樣模塊的冷端采樣電壓，反算得到熱敏電阻阻值，并基于熱敏電阻的阻值-溫度表格，得到當前的冷端溫度；以及基于熱電偶的溫度-電勢差表格，根據得到的當前冷端溫度、來自熱電偶采樣模塊的采集電勢差，計算得到待測環境溫度；所有冷端采樣模塊的冷端采樣電壓進入中央處理模塊；所述中央處理模塊采用所有冷端采樣電壓的平均值作為冷端采樣電壓，參與待測環境溫度的計算；若經中央處理模塊判斷，有一個冷端采樣模塊異常，剩余冷端采樣模塊正常，則采用正常的冷端采樣模塊的冷端采樣電壓參與熱敏電阻阻值的計算；若經中央處理模塊判斷，所有的冷端采樣模塊異常，則采用最鄰近一個正常的計算循環的冷端采樣電壓參與熱敏電阻阻值的計算，本次采樣作廢；

其中，所述的熱敏電阻的阻值-溫度表格由以下步驟得到：

在典型環境溫度下對熱電偶的冷端電壓進行實測；

基于實測的冷端電壓與典型環境溫度，對熱敏電阻阻值與溫度的標準表的進行更新，得到熱敏電阻的阻值-溫度表格；

數據收發模塊，用于根據中央處理模塊的命令，進行通信報文收發；

冷端采樣模塊的數量少于熱電偶的數量。

2.根據權利要求1所述的一種熱電偶信號處理系統，其特征在于：還包括：

電源采樣模塊，用于對電源模塊的供電電壓進行采樣，采樣電壓發送給中央處理模塊；

所述中央處理模塊根據來自電源采樣模塊的采樣電壓判斷電源模塊是否存在故障、根據來自冷端采樣模塊的冷端采樣電壓判斷冷端采樣模塊是否存在故障、根據來自熱電偶采樣模塊的采集電勢差判斷熱電偶采樣模塊是否存在故障以及根據發生的故障采用相應的處理措施。

3.根據權利要求2所述的一種熱電偶信號處理系統，其特征在于：所述電源模塊包括負責供電的電源和電源轉換電路；所述電源轉換電路將電源的電壓轉換為各模塊的額定工作電壓，恒壓輸出給中央處理模塊、熱電偶采樣模塊、冷端采樣模塊和數據收發模塊。

4.基于權利要求3所述的一種熱電偶信號處理系統的信號處理方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：上電后，進行熱電偶采樣模塊自檢，若存在故障，則中止熱電偶信號處理系統運行，記錄并處理故障信息；否則，進入步驟2；

步驟2：獲取電源采樣電壓V，根據公式V＝Vs*R₃/(R₃+R₂)計算電源電壓Vs，其中，R₂為標準電阻2阻值，R₃為標準電阻3阻值，標準電阻2和標準電阻3串聯構成電源采樣模塊；判斷電源電壓Vs是否存在異常，若存在異常，則記錄并處理故障信息，熱電偶信號處理系統功能正常運行，進入步驟3，否則不做任何處理，進入步驟3；

獲取冷端采樣電壓，并判斷冷端采樣電壓是否在正常范圍內，若超過該正常范圍內，則記錄并處理故障信息得到冷端采樣電壓，進入步驟3，否則不做任何處理，進入步驟3；

步驟3：根據步驟2得到的冷端采樣電壓U和公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，其中，R₁為標準電阻1阻值，反算得到熱敏電阻阻值R_NTC，根據熱敏電阻的阻值-溫度表格，得到當前熱電偶冷端溫度t0，進入步驟4；

步驟4：根據當前的熱電偶冷端溫度t0，判斷熱電偶信號處理系統的工作溫度是否超過設定溫度上限，若超過，則此時熱電偶信號處理系統過溫，記錄并處理故障信息，熱電偶信號處理系統功能正常運轉，進入步驟5，否則不做處理，進入步驟5；

步驟5：根據步驟3得到的當前熱電偶冷端溫度，查閱熱電偶的溫度-電勢差表格，得到當熱電偶熱端溫度為t0，冷端溫度為0時，其熱端與冷端的電勢差E(t0，0)；進入步驟6；

步驟6：確定本次循環需要采樣的熱電偶通道，并獲取對應的熱電偶采集電勢差E(t，t0)，判斷E(t，t0)是否超過設定范圍，若超出此范圍，則認為此時從熱電偶到中央處理模塊的某處存在故障，記錄故障信息并采用最鄰近一次正常循環的熱端溫度值作為最終的待測環境溫度，進入步驟2；否則，進入步驟7；

步驟7：根據公式E(t，0)＝E(t，t0)+E(t0，0)，計算得到當熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0℃時，其熱端與冷端產生的電勢差E(t，0)；進入步驟8；

步驟8：通過查閱熱電偶的溫度-電勢差表格，得到當前接入的熱電偶的熱端溫度，即得到待測環境溫度；進入步驟2；

若產生故障時，則將產生的故障信息向CAN總線上傳送數據，若沒有任何故障，則將測得的熱端溫度、冷端溫度按照預設的通信協議發送至總線收發器，由總線收發器將報文發送到CAN總線上；

其中，所述的熱敏電阻的阻值-溫度表格由以下步驟得到：

在典型環境溫度下對熱電偶的冷端電壓進行實測；

基于實測的冷端電壓與典型環境溫度，對熱敏電阻阻值與溫度的標準表的進行更新，得到熱敏電阻的阻值-溫度表格；

在步驟2中，所述的獲取冷端采樣電壓，并判斷冷端采樣電壓是否在正常范圍內，若超過該正常范圍內，則記錄并處理故障信息，所述處理故障信息包括：

若僅有一個冷端采樣模塊異常，剩余冷端采樣模塊正常，則采用正常的冷端采樣模塊的冷端采樣電壓參與步驟3的計算；

若所有的冷端采樣模塊異常，則采用最鄰近一個正常的計算循環的冷端采樣電壓參與步驟3的計算，本次采樣作廢；

所述步驟3包括：

根據步驟2得到的冷端采樣電壓U和公式U＝5*R_NTC/(R_NTC+R₁)，反算得到熱敏電阻阻值R_NTC，根據熱敏電阻的阻值-溫度表格，得到每個冷端采樣電壓對應的熱電偶冷端溫度；

判斷是否存在任意兩個熱電偶冷端溫度的差值大于等于設定溫度，若存在，則認為此時冷端采樣模塊存在不可信故障，舍棄此次采樣得到的熱電偶冷端溫度，采用最鄰近的一個正常計算循環的冷端溫度值作為當前的熱電偶冷端溫度進入步驟4；否則，取各熱電偶冷端溫度的平均值作為當前的熱電偶冷端溫度進入步驟4。