[发明专利]用于三维温度梯度的多信道热电偶补偿

说明书

技术领域

本发明总体上涉及温度测量和热电偶设备的技术领域。更具体地讲，本发明涉及一种有效确定多信道端子配置中的热电偶冷端温度的新型技术。

背景技术

热电偶是用于测量温度的设备并且是多种可用的通用温度传感器之一。这些温度传感器或转换器通常粗糙且较为廉价，并且可以由各种金属构造成。热电偶可以用于在各种应用和环境下测量较宽的温度范围（例如，-200℃至2600℃)。一般而言，热电偶依据的原理是当沿着导体的长度存在温度梯度时就存在电势。

热电偶是这样形成的：将不同金属的两个导体或线接合起来以形成两条线的结，被称为测量结（或感测结等）。虽然几乎任何两种类型的金属都可以用于制作热电偶线，但是使用了多个标准类型，因为它们具有可预测的输出电压并且可以应对很大的温度梯度。根据美国国家标准协会（ANSI）的规定，几种可用的热电偶可以通过表示它们的成分的大写字母来指定。例如，J型热电偶具有一个铁导体和一个康铜（铜镍合金）导体。

热电偶测量结可以包裹在传感器探针内，例如，将探针定位在温度测量点（即，温度源）处。原理上讲，当测量结的温度随着温度源的变化而变化时，在测量结与两条线的相反自由端之间（沿着线）形成温度梯度。有利地，产生的可预测的热电电压为这个温度梯度的函数。通过考虑两种不同金属线的成分，这样产生的热电电压（有时候称为“塞贝克”电压）可以与沿着线的温度梯度关联上。这个温度梯度与参考结或“冷”端温度相加以获得待测源的温度。热电偶测量通常需要感测或确定热电偶线连接到电压测量系统的参考温度（冷端温度）。

在构造上，热电偶线的两个自由端可以连接到电压测量仪器（例如，模拟到数字式仪表、电压表、控制仪器、温度控制模块等）来测量热电电压。通过使用电连接器来完成这两条线到电压测量仪器的连接。电连接器是使用机械组件作为接口来连接电路的机电式器件。使用电连接器形成的连接可以是临时的，就便携式设备而言，需要组装和拆除的工具，或者充当两条线或设备之间的永久式电气接头。有成百上千中电连接器，包括以下器件，例如，接线块、接线柱、压接式连接器、绝缘刺破式连接器、插头和插座连接器、刀形连接器以及圆形和叉形端子。有时候电连接器分成两个部分，每个部分与有待彼此连接的两条线或器件之一连接上。有时候电连接器的两个部分形成凸/凹配置。

当热电偶线的两个自由端连接到电压测量仪器（例如，模拟到数字式仪表、电压计、控制仪器、温度控制模块等）以测量热电电压时，热电偶线的两个自由端通过使用例如接线块的连接器连接到电压测量仪器，并且形成热电偶线的第二结，被称为参考结（或冷端）。这两条线在连接器的连接形成线的第二结，被称为参考结（或冷端）。术语“冷端”来自使这个冷端在冰浴中保持零摄氏度的传统实践。然而，维持冰浴对大部分测量应用而言并不实际。因此，测量并记录热电偶线到测量仪器的连接点的实际温度。如上所述，冷端形成在将热电偶线的两个自由端连接到电压测量仪器的电连接器上。有时候，电连接器，并且因此冷端是单件，比如像接线块，并且其他时候，电连接器和冷端可以分成两件或更多件或者两个部分或更多部分，每个部分与有待彼此连接的两条线或器件之一连接上。

通常，冷端温度可以通过热敏电阻器或例如半导体温度传感器之类的其他温度传感器或器件来感测，这些器件与测量仪器的输入连接器处于较好的热接触状态。再者，这个第二温度读数（冷端温度）被测量仪器用于计算热电偶尖端（测量结）的真实温度。

总而言之，为了确定两条线的测量结处的源（即，组件、过程、系统、设备等）的测量温度，基于测得的电压计算的温度梯度与电压测量仪器或接线块的冷端温度（例如，使用热敏电阻器测得的）相加。因此，在操作中，热电偶通过产生与测量点和两种不同金属的冷端之间的温度差成正比的电压（例如，毫伏）来测量温度。对于温度的较小变化，电压基本上与温度差成线性正比。对于较大的温度变化，这种关系可能变成非线性的。

在精确温度测量的不断增加的要求苛刻的应用中，并且降低成本的要求同样苛刻，冷端温度测量可能存在问题。在各种配置中，冷端温度的测量误差给出源温度的测量误差。通常精确但昂贵的技术是使用附接到每个端子上或者包括两个端子的信道上的高精度热敏电阻器。较为廉价但也不太精确的方案是单个集成电路传感器。具有多个部分的电连接器存在特定的问题。例如，电连接器可以具有：第一部分，连接到包装在壳体内的电路板，并且第一部分的一部分可以甚至从电路板延伸并且到达壳体的外部；以及第二部分，其与第一部分分隔开，并且可以连接到壳体外部的第一部分并且离开电路板。