[发明专利]检测热电偶开路状态的测试方法和设备

说明书

本发明涉及用于检测热电偶状态的方法和设备。

用于电测温度的热电偶是一种双金属结器件。热电偶的双金属结根据热电偶的温度在结两端产生电压，在此可用电压表来阅读和记录电压，以监视温度。在正常工作状态下，热电偶的电阻是相当低的。然而，与双金属结相联结的两种金属一旦彼此脱开时，则会导致开路故障状态和热电偶将不再产生所需电压。

在应用于测量时，可将热电偶插入一个为监测某一元件温度的系统中，以有助于对该系统的温度进行调节。当该元件的温度超过予定阈值时，由一台检测仪读出由热电偶产生的电压，并可接着采取校正动作。但是，若热电偶发生故障时，该系统也就可能坏了。因此，人们希望能周期性地检查热电偶是否处于开路状态，以确认该器件是否起作用。

图1示出了一种用于检测热电偶故障开路的已知方法。在输入端1接收到的方波信号，经由耦合电容器2加到热电偶5。该方波信号源有一个源阻抗Zs。该源阻抗和热电偶5的电阻形成一个电阻网络，用以对输入信号的有效幅度进行分配并在输入端1产生一个信号。当热电偶5在正常工作时，其电阻相应是低的，相关的分压网络对分流信号产生一个低幅度。反之，当热电偶损坏并变成开路时，分流信号的幅度便增大。二极管3串联地设置在输入端1和比较器6之间，其阳极连接到输入端1而其阴极连到比较器6的正输入端。并联电容器4也被连接到比较器6的正输入端并形成一个并联滤波电容器用以对经由二极管3整流后的信号进行滤波。比较器6的负输入端被连接到参考电压Vr。当热电偶以低电阻正常工作时，包含整流二极管3和电容器4的峰值检测电路产生通常对应于可在输入端1获得的方波幅度的低输出电压。

参考电压Vr的值设为大于当热电偶在正常工作时滤波后的整流电压，但小于热电偶损坏至开路状态时的滤波后整流电压。一旦出现这类故障，分路信号的幅度增大，同时滤波后整流电压变成大于参考电压Vr，从而使比较器6通过将Vout从低电压转为高电压而通告该开路状态。这种先有技术电路的缺点之一是其对噪声的敏感度。在热电偶5处于噪声环境下时，它借助电将噪声从环境耦合到峰值检测电路，该电路可能出错并使比较器6去记录一个错误的故障状态。

图2示出另一先有技术的电路，其中一个小电流脉冲通过电阻11加到热电偶5，热电偶5响应该脉冲产生一个电压脉冲。A/D电路12将该电压脉冲数字化而产生数字信号Dout。通过处理数字信号去确定脉冲幅度变化，可确定热电偶存在开路。使用时，控制信号周期地闭合开关10，以向热电偶提供电流。当热电偶在正常工作时，其电阻为低电阻并导致所产生的电压脉冲的幅度低。反之，当热电偶处于开路状态时，电压脉冲的幅度大，故能探测并报告脉冲幅度的这种变化。对于这种先有技术电路而言，其问题在于当热电偶两端连上诸如脱扣曲线记录仪14之类的外部仪器时，该仪器可接收和记录与所加脉冲相应的不希望有的人为的短时脉冲波形干扰(artifact glitches)。

图3示出另一先有技术电路，其中输入端1施加有小电压脉冲Vin，用以产生输出电压Vout，其中Vout的平均值取决于热电偶的状态。在一条通路中，Vin通过电容器20，二极管26和电阻27串联耦合到热电偶5。在第二条通路中，该输入通过二极管21加到Vh限幅二极管22，以及通过并联电容器24和电阻28加到热电偶5。连结二极管21之阴极，二极管22的阳极，并联电容器24和电阻28的检测结点25带有根据并联电容器24两端电荷累积的检测电压。在第三条通路中，输入电压经定时块23加到积分/取样FET29的栅极，用以周期地对检测器电压进行取样。

在图3电路的操作中，分路电容器24充当积分电容器，在输入脉冲Vin的每个前沿累积电荷。紧接每个前沿，该电容器根据与电容器24，电阻28和热电偶的电阻相关的RC时间常数(忽略FET断路时FET29的电阻及忽略FET导通时电压测量装置的电阻)使所累积的电荷放电。当热电偶5处于正常工作时，积分电容器通过包含电阻28和热电偶5的低电阻的低电阻放电回路在前沿之间快速放电，这样在取样时形成一个低的检测电压。另一方面，若热电偶5发生开路情况下的故障，则放电回路电阻变大而积分电容器对每个脉冲前沿累积电荷而不在其间放电，直到检测电压限定在Vh。一旦结点25处的电压电平超过予定阈值时，就检测出开路状态。这种电路的一个问题在于：为将检测电压提升至阈值电压，它需要若干个输入脉冲才能使积分电容器累积足够电荷，也就是说，这一过程缓慢。