基于热传导结合信号重建的多通道温度采集系统的冷端温度估计方法与流程

1.本发明涉及温度数据采集技术领域，更具体地说涉及一种基于热传导结合信号重建的多通道温度采集系统的冷端温度估计方法。


背景技术：

2.随着经济的发展和技术的不断进步,工业装置如飞机发动机、大型工业设备等在工作时需要实时对其进行状态监控，其中温度的实时检测就是其中一项重要的测量参数。在很多工业场景中，可用于测量的空间有限，需要多通道的小型嵌入式温度采集设备对相关设备或环境进行温度采集。此外，冷端补偿一直是温度采集中重要的组成部分，但在多通道小型嵌入式温度采集设备中，受限于设备尺寸无法为每一个温度采集通道都提供一路冷端补偿电路。
3.为每一个温度采集都提供一个冷端补偿不仅需要提供更大的设备尺寸，还需要占用大量的连接器管脚资源。为了解决这一问题，传统做法是在传感器导线与铜线交汇处提供少量的冷端补偿，然后使用线性插值法为每一个温度采集通道计算出相应冷端补偿值，或者多路传感器共用一路冷端补偿。这种方法虽然可以达到温度补偿的目的，但是在环境温度变化剧烈的场合，会导致冷端补偿误差较大的问题，这将进一步影响到测量的精度。
4.为了获得测量点精确的温度值，需要为每一路的温度采集提供冷端温度补偿，传统方法往往采用均值或线性插值的方法来获取各个通道的冷端温度补偿值。但在小型化多通道产品中连接器针脚、结构狭小等因素会限制冷端温度补偿电路的数量。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于热传导结合信号重建的多通道温度采集系统的冷端温度估计方法。本发明的发明目的在于解决现有技术中小型化多通道产品中连接器针脚结构狭小等因素限制冷端温度补偿电路的数量，无法为每一路的温度采集提供冷端温度补偿，而影响到测量精度的问题。本发明提供一种改进的曲面样条估计方法，本发明通过有限个点的冷端温度值，对各个温度采集通道的冷端温度值进行估计，以解决现有小型化多通道产品因连接器针脚结构狭小等因素限制冷端温度补偿电路的数量，无法为每一路的温度采集提供冷端温度补偿，而影响到测量精度的问题。
6.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。
7.基于热传导结合信号重建的多通道温度采集系统的冷端温度估计方法，该方法包括以下步骤：s1、通过冷端rtd采集电路获取待测面上多个冷端热敏电阻的温度值；所述冷端热敏电阻的数量至少为五个，多个冷端热敏电阻中有一个位于待测面中心，其余冷端热敏电阻围绕待测面中心均匀分布在待测面四周；热电偶在待测面上的装配位置位于所述多个冷端热敏电阻围成的区域内；
s2、依据s1步骤得到的多个冷端热敏电阻的温度值，以热传导方程结合信号重建的方式，推导计算待测面上各热电偶对应的冷端温度值；所述热传导方法结合信号重建的方式具体是指：以热传导方程为基础，在进行热传导计算时，加强传导方向的分量，使下一时刻的温度更为突出；所述加强传导方向的分量是指，在热传导方向上针对法向方向进行增强，切向方向进行平滑处理。
8.s2步骤中，以热传导方程结合信号重建的方式，推导计算待测面上各热电偶对应的冷端温度值，具体步骤如下：在待测面上以位于待测面中心的冷端热敏电阻为圆点建立平面直角坐标系；取各点在t时刻的温度u=u(x,y,t)为热运动的表征量；其中在热传导时加强传导方向的分量，使下一时刻的温度更为突出，可得到温度计算公式：；所述加强传导方向的分量是指，在热传导方向上针对法向方向上进行增强，切向方向上进行平滑，最终优化为：，；其中q为热度衰减因子，k为扩散系数；u
t
表示当前时刻温度，u
t-1
表示前一时刻温度，n为法向分量，s为切向分量，t为时间，d为待测电到a、b、c、d、e点的直线距离；a、b、c、d、e分别表示五个冷端热敏电阻的位置，e点位为坐标系原点。
9.所述多通道温度采集系统包括置于待测工业环境的多个热电偶传感器和置于冷端环境的嵌入式多通道采集装置，多个热电偶传感器分别与所述嵌入式多通道采集装置通过导线连接。
10.所述嵌入式多通道采集装置包括热电偶采集电路、冷端rtd采集电路和异构处理
器。
11.所述热电偶采集电路包括调理电路和采集电路；所述调理电路用于对热电偶传感器产生的微小电压进行放大、滤波和定标模拟信号，经过调理后的信号可以适配采集电路中模数转换器的输入范围；所述采集电路为模数转换器，用于将经过调理的模拟信号转换为处理器可以处理的数字信号。
12.所述冷端rtd采集电路包括所述多个置于冷端环境的冷端热敏电阻、信号切换电路、激励电路和rtd采集电路；所述信号切换电路用于将不同的冷端热敏电阻连通到激励电路和rtd采集电路，以获取不同冷端热敏电阻上的电阻值；所述激励电路用于为冷端热敏电阻提供微小电流；rtd采集电路用于获取受到微小电流激励后冷端热敏电阻上的电压值，根据该电压值与提供的微小电流可以计算出当前冷端热敏电阻的电阻值。
13.进一步的，所述冷端rtd采集电路获取待测面上多个冷端热敏电阻的温度值，是通过查热敏电阻温度与电阻值对照表确定的。
14.所述异构处理器包括fpga逻辑电路和微控制器，fpga逻辑电路包括采集电路控制器和rtd采集电路控制器，微控制器包括各热电偶对应冷端温度估计模块、数据处理模块和接口模块。
15.所述采集电路控制器用于对热电偶采集电路中的器件进行逻辑控制，并实时接收来自其中采集电路输出的数字信号；所述rtd采集电路控制器用于对冷端rtd采集电路中的器件进行逻辑控制，并实时接收来自其中rtd采集电路输出的数字信号。
16.所述各热电偶对应冷端温度估计模块用于根据rtd采集电路中获得的多个冷端热敏电阻的电阻值计算热电偶采集电路中需要的rtd的电阻值。
17.所述数据处理模块用于根据采集到的热电偶的电压值，计算得到的热电偶采集电路中需要的rtd的电阻值计算各个热电偶所处位置的温度值。
18.所述接口模块用于将上位机的指令和参数配置传递给当前系统，以及将当前系统获得的温度值上传给上位机。
19.更进一步的，所述热电偶采集电路采集的电压输出码为其中，a
in
为模拟输入的差分电压v
p-vn，gain为增益倍数，v
ref
在单极性工作模式下为线性参考电源电路的输出电压，在双极性工作模型下为线性参考电源电路的正负压压差；k为采集电路中模数转换器的位数。
20.与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：本发明采用热传导结合信号重建的方法，通过有限个点的冷端温度值，对各个温度采集通道的冷端温度值进行估计，以解决现有小型化多通道产品因连接器针脚结构狭小等因素限制冷端温度补偿电路的数量，无法为每一路的温度采集提供冷端温度补偿，而影响到测量精度的问题。本发明的热传导结合信号重建的方法中相应函数为符合泊松过程的热传导函数，避免了区间干扰，使得最终推导计算得到的各个温度采集通道的冷端温度值更为精确，确保了多通道温度采集系统的测量精度。
附图说明
21.图1为本发明基于热传导结合信号重建的多通道温度采集系统的冷端温度估计流程图；图2为本发明多通道温度采集系统的结构图；图3为本发明冷端热敏电阻在设备连接器上装配的位置关系图。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例和说明书附图，对本发明的技术方案做出进一步详细地阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.作为本实施例的一种实施方式，参照说明书附图1所示，本实施方式公开了一种基于热传导结合信号重建的多通道温度采集系统的冷端温度估计方法，该估计方法包括以下步骤：s1、通过冷端rtd采集电路获取待测面上多个冷端热敏电阻的温度值；所述冷端热敏电阻的数量至少为五个，多个冷端热敏电阻中有一个位于待测面中心，其余冷端热敏电阻围绕待测面中心均匀分布在待测面四周；热电偶在待测面上的装配位置位于所述多个冷端热敏电阻围成的区域内；s2、依据s1步骤得到的多个冷端热敏电阻的温度值，以热传导方程结合信号重建的方式，推导计算待测面上各热电偶对应的冷端温度值；所述热传导方法结合信号重建的方式具体是指：以热传导方程为基础，在进行热传导计算时，加强传导方向的分量，使下一时刻的温度更为突出；所述加强传导方向的分量是指，在热传导方向上针对法向方向进行增强，切向方向进行平滑处理。
24.作为本实施例的又一种实施方式，参照说明书附图3所示，图3示出了各个热电偶与所述温度采集系统的连线关系以及冷端热敏电阻在设备连接器上装配的位置关系，其中虚线方框中的为冷端热敏电阻a、冷端热敏电阻b、冷端热敏电阻c、冷端热敏电阻d和冷端热敏电阻e；虚线椭圆为热电偶连接点，虚线椭圆的中心点位置的温度值就是需要估计的各个热电偶的冷端温度值（rtd1~rtdn的温度值）。
25.s2步骤中，以热传导方程结合信号重建的方式，推导计算待测面上各热电偶对应的冷端温度值，具体步骤如下：在待测面上以位于待测面中心的冷端热敏电阻为圆点建立平面直角坐标系；取各点在t时刻的温度u=u(x,y,t)为热运动的表征量；其中在热传导时加强传导方向的分量，使下一时刻的温度更为突出，可得到温度计算公式：；所述加强传导方向的分量是指，在热传导方向上针对法向方向上进行增强，切向方向上进行平滑，最终优化为：
，；其中q为热度衰减因子，k为扩散系数；u
t
表示当前时刻温度，u
t-1
表示前一时刻温度，n为法向分量，s为切向分量，t为时间，d为待测电到a、b、c、d、e点的直线距离；a、b、c、d、e分别表示五个冷端热敏电阻的位置，e点位为坐标系原点。
26.更进一步的，传统热传导方程为（1）；针对其传导看成是信号重建过程，t代表时间；将t看作常数，即求解线性移不便系统的传递函数，每个时间t对应一个温度采集系统，采取傅里叶变换如下：（2）求解上式（2）得到（3）；对上式（3）进行傅里叶变换得到：（4）；
构建高斯核与待测电温度卷积：（5）；其中：（6）；具有半群性质的算子t，有一个无穷小生成元：（7）；求解a，使用热传导方程：（8）；（9）；g的二阶导数热传导形式：（10）；将热传导形式代入求解无穷小生成元的求极限中：（11）；针对任意的存在：（12）；引入超分辨率重建中偏微分方程：（13）；引入人工参数k：（14）；得到：（15）；
即（16）；令，常见热传导形式：，所以说明我们将信号重建思想同热传导公式可以进行结合。
27.我们按照信号重建思想同热传导的方向进行计算rtd采集温度，即在传导时加强传导方向的分量，使下一时刻的温度更为突出，可得到温度计算公式：（17）；需要注意上式中的laplace算子是各同向性的，沿着指定方向增强，这里指的即温度传导方向，同时原件旋转，平移不影响相关的计算，可证明如下：（18）；我们将公式17，从各异性增强角度出发，避免计算温度时产生的区间干扰，我们在热传导方向上针对法向方向上进行增强，切向方向上进行了平滑，最终优化为：（19）；其中q热度衰减因子,k为热扩散系数：
（20）；其中q为热度衰减因子，k为扩散系数；u
t
表示当前时刻温度，u
t-1
表示前一时刻温度，n为法向分量，s为切向分量，t为时间，d为待测电到a、b、c、d、e点的直线距离；a、b、c、d、e分别表示五个冷端热敏电阻的位置，e点位为坐标系原点。
28.作为本实施例的又一种实施方式，所述多通道温度采集系统包括置于待测工业环境的多个热电偶传感器和置于冷端环境的嵌入式多通道采集装置，多个热电偶传感器分别与所述嵌入式多通道采集装置通过导线连接。
29.更进一步的，如图2所示，所述嵌入式多通道采集装置包括热电偶采集电路、冷端rtd采集电路和异构处理器。
30.所述热电偶采集电路包括调理电路和采集电路；所述调理电路用于对热电偶传感器产生的微小电压进行放大、滤波和定标模拟信号，经过调理后的信号可以适配采集电路中模数转换器的输入范围；所述采集电路为模数转换器，用于将经过调理的模拟信号转换为处理器可以处理的数字信号。
31.所述冷端rtd采集电路包括所述多个置于冷端环境的冷端热敏电阻、信号切换电路、激励电路和rtd采集电路；所述信号切换电路用于将不同的冷端热敏电阻连通到激励电路和rtd采集电路，以获取不同冷端热敏电阻上的电阻值；所述激励电路用于为冷端热敏电阻提供微小电流；rtd采集电路用于获取受到微小电流激励后冷端热敏电阻上的电压值，根据该电压值与提供的微小电流可以计算出当前冷端热敏电阻的电阻值。
32.进一步的，所述冷端rtd采集电路获取待测面上多个冷端热敏电阻的温度值，是通过查热敏电阻温度与电阻值对照表确定的。所述异构处理器包括fpga逻辑电路和微控制器，fpga逻辑电路包括采集电路控制器和rtd采集电路控制器，微控制器包括各热电偶对应冷端温度估计模块、数据处理模块和接口模块。
33.所述采集电路控制器用于对热电偶采集电路中的器件进行逻辑控制，并实时接收来自其中采集电路输出的数字信号；所述rtd采集电路控制器用于对冷端rtd采集电路中的器件进行逻辑控制，并实时接收来自其中rtd采集电路输出的数字信号。
34.所述各热电偶对应冷端温度估计模块用于根据rtd采集电路中获得的多个冷端热敏电阻的电阻值计算热电偶采集电路中需要的rtd的电阻值。
35.所述数据处理模块用于根据采集到的热电偶的电压值，计算得到的热电偶采集电
路中需要的rtd的电阻值计算各个热电偶所处位置的温度值。
36.所述接口模块用于将上位机的指令和参数配置传递给当前系统，以及将当前系统获得的温度值上传给上位机。
37.更进一步的，所述热电偶采集电路采集的电压输出码为，其中，a
in
为模拟输入的差分电压v
p-vn，gain为增益倍数，v
ref
在单极性工作模式下为线性参考电源电路的输出电压，在双极性工作模型下为线性参考电源电路的正负压压差；k为采集电路中模数转换器的位数。