一种多通道多热工量采集终端、系统及方法与流程

本发明属于温度测量，涉及一种多通道多热工量(温度、热流)采集终端、系统及方法。

背景技术：

1、在工业生产、智能加工及可穿戴电子设备等领域，对热工量(温度、热流)同时检测的需求日益增加，热流密度具有时间和空间信息，通过对热流信息的捕捉可以为控制系统预测环境温度变化提供信息，为自动控制系统智能操作提供时间优势。传统温度传感器(热电偶、热电阻)、热流传感器(戈登计)能分别实现温度和热流的检测，但尺寸较大，较难实现狭小空间的集成测量，也会影响原热场无法实现原位检测。目前微纳薄膜热学传感器基于先进mems工艺制造技术，能够依靠更小的体积，更快的响应速度，提供多参数(温度、热流)高精度原位检测。

2、热电偶的测温原理为，在其热端(测量端)与冷端(基准端)之间产生温度差时，热电偶在热端与冷端之间会产生热电动势，通过对热电动势的处理即可获取热端所测量温度。故必须知道参考接合点(即冷端)处的温度才可以获得较为精确的绝对温度读数，这一过程也被称为冷端补偿。热流计则是测量传感器两侧的温差及差分信号，结合传感器自身热阻，计算得到传感器的导热热流，再根据热平衡原理，以该热流代替通过被测物体的导热强度，根据测量原理不需要冷端补偿。

3、但是，现有的热学传感器采集方式具有以下缺陷：

4、(1)目前常见的热电偶测量方式为前端模拟电路、模数转换以及数字处理电路相结合的方式，可有效的提高测量精度，但数字接口芯片不能输出模拟信号，必须在mcu的配合下才能工作，并嵌入软件算法拟合纠正，同时程序可靠性不高，而在重要的温控场合特别是温度保护场合以模拟方式更为合适；另外无法满足工业常用控制器如plc只能接受模拟信号的要求。

5、(2)微纳薄膜热学传感器根据制程工艺的不同，具有大内阻小信号特性。热电偶信号为微伏到毫伏级，传输过程中非常容易受到外界的干扰；内阻可在几kω～几百kω范围内变化，相比传统热电偶、戈登计具有更高的阻抗。对于高阻抗信号测量，易受到测量系统输入阻抗的分压与系统输入偏置电流的影响。

6、(3)薄膜热学传感器根据设计可制作成二、三、四线或更多引线形式；根据制造材料和应用领域的不同分为s/r/b/n/k/e/j/t等多种类型。由于温度传感器种类和型号众多，传统的温度监测节点一般是针对热电偶开发，受制于电路结构更是无法实现仅热流和温度信号的单独和同时采集，即现场适应性、灵活性、复用性较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多通道多热工量采集终端、系统及方法，用于微纳薄膜热学传感器的温度、热流监测，并可兼容传统热电偶和戈登计，实现多通道多热工量(温度、热流)信号的自适应信号采集并输出模拟信号便于进一步处理。

2、为达到上述目的，本发明一方面提供一种多通道多热工量采集终端，其包括至少两个采集通道，每个所述采集通道具有相同的结构，该采集终端还包括零点电压电路、冷端补偿电路、冷端补偿选择电路、输入信号接线端子和输出信号接线端子。

3、其中，所述的采集通道包括滤波电路、断线检测电路、跟随电路和差分放大电路；所述滤波电路的输入端与输入信号接线端子连接，滤波电路的输出端分别与所述断线检测电路和跟随电路的输入端连接；所述差分放大电路的输入端与所述跟随电路的输出端连接，所述差分放大电路的输出端作为采集通道的采集信号输出端，与所述输出信号接线端子连接。

4、所述冷端补偿选择电路的输出端与各采集通道的差分放大电路的输入端连接，所述冷端补偿电路的补偿信号通过所述冷端补偿选择电路输出至所述差分放大电路；所述零点电压电路的输入端与电源连接，输出端与所述输出信号接线端子连接。

5、进一步的，所述跟随电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻和第三电阻。其中，所述第一运算放大器和第二运算放大器的正向输入端均与所述滤波电路的输出端连接；所述第二运算放大器的正向输入端同时与所述断线检测电路的输出端连接；所述第一运算放大器的输出端和反向输入端通过所述第一电阻连接；所述第二运算放大器的输出端和反向输入端通过所述第三电阻连接；所述第一运算放大器和第二运算放大器的反向输入端之间连接有所述第二电阻。

6、进一步的，所述差分放大电路包括第三运算放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻。其中，所述第三运算放大器的反向输入端通过所述第四电阻与所述跟随电路的输出端连接，所述第三运算放大器的正向输入端通过所述第五电阻与所述跟随电路的输出端连接；所述第六电阻和第七电阻串联在所述第三运算放大器的输出端和反向输入端之间；所述第七电阻的未与所述第三运算放大器连接的一端作为该差分放大电路的输出端。

7、进一步的，所述冷端补偿电路包括补偿器、第一电容、第八电阻和第九电阻。其中，所述第一电容的一端连接电源，另一端接地；所述第八电阻的第一端与所述第一补偿器的输出端连接，第二端输出冷端补偿信号，第二端同时与所述第九电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端接地；所述第一补偿器的输入端连接电源。

8、其中，补偿器可采用处理器芯片，以计算出电压补偿值。

9、进一步的，所述冷端补偿选择电路包括拨码开关，以及至少两个场效应管、至少两个电阻和至少两个电容。其中，所述电阻和电容一一配对地组成至少两个串联支路，串联支路并联在电源和地之间；每个所述电阻的未与电源连接的一端与所述拨码开关连接；每个所述场效应管的漏极均与所述冷端补偿电路的输出端连接，每个所述场效应管的栅极一一对应地与每个所述电阻的未与电源连接的一端相连接，每个所述场效应管的源极一一对应地与每个所述采集通道连接。

10、其中，冷端补偿选择电路还可以由接线端子，以及至少两个场效应管组成。每个所述场效应管的漏极均与所述冷端补偿电路的输出端连接，每个所述场效应管的栅极均与所述接线端子的输出端相连接，每个所述场效应管的源极一一对应地与每个所述采集通道连接。

11、另一方面，本发明提出了一种多通道多热工量采集系统，该系统包括多路复用器件、处理模块、上位机以及至少两个采集终端。其中，多路复用器件的输入端分别与各采集终端的输出端连接，多路复用器件的输出端与处理模块的输入端连接，处理模块的输出端与上位机连接。

12、其中，所述的处理模块可选用plc、单片机等器件。

13、此外，本发明还提出了基于所述采集系统的多热工量采集及计算方法，该方法包括：

14、1)将热学传感器连接至各采集终端的输入信号连接端子；

15、2)根据信号类型(热流或温度)选择是否加入冷端补偿；其中，对于温度信号需要进行冷端补偿；

16、3)电压信号经过跟随电路后，在预设的电压增益下由差分放大电路进行放大，得到放大电压值；

17、4)测量差分放大电路的输出信号对地或对零点电压端子的电压，根据不同类型热电偶的塞贝克系数、放大电路(零点补偿电路)增益和零点偏置电压计算出热学传感器的实际温度、热流信号。

18、本发明的有益效果在于：本发明通过冷端补偿选择电路实现是否增加冷端补偿电路，将冷端补偿电路并联入差分放大电路，从而可在同一个采集电路中实现温度、热流信号的采集，实现了温度、热流信号的多通道多热工量检测。且在采集终端中，无需采用模数转换电路和数字采集电路，从而降低了整个终端的成本。

19、本发明适用于微纳薄膜热学传感器的温度、热流监测，并可兼容传统热电偶和戈登计，实现热工量(温度、热流)信号的自适应信号采集并输出模拟信号便于进一步处理。

20、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。