检测热电偶开路状态的测试方法 和设备 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地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。
在如图4a所示先有技术电路中，当热电偶5正常工作时，Vcomp为DC电压而当热电偶故障至开路状态时，Vcomp为方波。方波信号Vin在输入端1被接收并加到电阻31和35。电阻31的相对侧被耦合到比较器39的负输入端还耦合到与电阻33及热电偶5串联设置的电容器32。电阻35与输入端1相对的那端连到比较器39的正输入端和并联电容器36。一个小偏压Vbias通过电阻38加到比较器39的正输入端。
参考图4b，当热电偶电阻低时，即正常工作时，加在比较器39的负输入端的反馈电压Vfb总是低于加在比较器正输入端的参考电压Vr。比较器39的负输入端上的Vfb是一个幅度可与正输入端上的Vr相比的方波，但偏置仍低于Vr，Vr是作为Vbias的结果所提供的微小DC偏压。因此，比较器的输出Vcomp是由曲线54表示的DC输出。
当热电偶出故障时，Vcomp变成一个方波。图4b表示故障时间Tf时，反馈电压Vfb，53，在幅度上增大以给比较器负端提供一个大于在正输入端上的电压，以将Vcomp变成方波。低通滤波器34对Vcomp滤波并以其平均DC电压驱动电压比较器37。然后比较器37判定滤波后电压何时降至已给定的阈值Vth以下，并发出一开路状态的信号。
图4a电路由于要兼顾幅度/噪声而出现一个问题。当输入电压幅度小时，热电偶有可能接收到外来噪声而引起比较器37发出错误的开路检测信号。另一方面，当输入幅度过大时(为克服噪声问题)，诸如附装到热电偶的条形图等外连仪器可观测所加的输入方波和记录各自的人为假信号脉冲。
图4a的先有技术派生电路采用同步检测法，其中图4a的低通滤波器由同步检测器所替代。当平均电压偏移时不是对DC和检测的方波进行低通滤波，而是由一个同步检测器来测定一旦热电偶发生故障时出现的方波。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于检测热电偶开路故障状态的改进型无干扰设备和方法。
本发明的另一目的是提供一种具有较大抗噪声干扰和提供对开路状态近乎瞬时检测的热电偶开路故障检测电路，从而防止了将假信号人为施加到外部附装的仪器等等装置。
根据本发明用于测试热电偶的开路检测电路包括耦连到一个结点的发生器和监测电路。该结点在一定源阻抗的发生器给热电偶提供已知频率和幅度的音调信号时电气地接合热电偶。监测电路监测包含已知频率的合成音调信号的频谱部分的幅度并根据该幅度产生一输出。
按照本发明一个实施例，监测电路包括一转换装置，一换算(t-ransform)装置和一检测器。转换装置以数字方式对音调信号取样以便将合成音调信号转换为数字格式。换算装置对该数字信号提供离散的富里叶变换，以提供一频谱。检测装置分析该频谱并确定在给定频带范围内功率何时超过予定阈值。
根据本发明的一个特定实施例，该发生器包括一分频器，用以接收时钟信号并将其分频直到具有对应于已知值的基频的信号。一个处理装置接收，滤波和放大该分频信号，以选择该基频和确立其给定幅度。一个输出网络提供一个已知源阻抗，发生器通过该阻抗将音调信号送至结点。
根据本发明另一实施例，上述发生器产生频率随时间而变的音调信号，而上述监视电路因而跟踪该频率变化。
在本说明书结论部分特别提出了本发明的主题以及清楚的权利要求。然而，本发明的组成和操作方法连同其进一步优点和目的可结合附图参考以下说明而得到更好了解。附图中相同标号参考相同元件。
图1是先有技术用于通过对热电偶接收的方波进行整流检测热电偶开路故障状态的电路简图；
图2是先有技术通过测量由热电偶响应电流脉冲产生的电压而检测热电偶开路故障状态的电路简图；
图3是用于检测热电偶开路故障状态的先有技术电路简图，其方法是将脉冲加到在放电回路中包含热电偶的整流RC网络，检测对应于在RC网络内积累的电荷的积分电压和当RC放电回路由于开路故障状态和积分电压上升到给定阈值而被中断时，发出热电偶故障的信号；
图4a是先有技术中用于通过电压Vcomp变成方波时的检测来测定热电偶出现开路状态的电路原理图；
图4b是一用于说明图4a先有技术电路操作的波形图；
图5是说明本发明电路的一个方块图；
图6是表示产生具有已知频率和幅度的音频信号的发生器电路的方块图；
图7是表示图5监测装置的一个处理器电路的方块图；
图8是表示借助图7的数字信号处理器起动电源和开路检测测量程序的操作流程图；
图9是表示图8中方块105的开路检测测量步骤的流程图；
图10是另一可选处理器的方块
图11是监测装置62的模拟电路的方块图；和
图12是表示可编程发生器的编程流程图。
参考诸附图，特别参考图5，该图示出根据本发明用于检测热电偶开路故障的电路。已知源阻抗Zs的发生器60给开关64提供一个已知频率和幅度的音频信号。该开关接收来自输入端65的控制信号，该信号能周期地使开关闭合以经由检测结点66将音频信号加到热电偶5。监测装置62接收来自检测结点66的信号并在给定时间分析该信号的给定频率的幅度以确定热电偶已故障的时间。
当热电偶正常工作时，其电阻低而在检测结点产生的合成音频信号具有对应于经一分压器网络分压后的已知音频信号的幅度，该网络包括热电偶电阻Rth和发生器源阻抗Zs。监测装置分离和检查出合成音频信号的特定频率分量的幅度，该频率分量对应于由发生器60所产生的音频信号已知频率。若在此频率时幅度小于予定阈值，则监测装置62产生指示热电偶正良好工作的数据Dout。另一方面，当热电偶损坏和出现开路时，监测装置输出便指示该频率分量的幅度已增大到已知阈值之外，该热电偶不能再用。
当将热电偶用于温度测量时，监测装置先断开开关再读出热电偶的电压。由于发生器被断接，在检测结点便形成高阻抗，以增强检测结点处可供测量用的电压。反之，当开关闭合用以在开路检测测量期间将音频信号耦合到热电偶时，发生器降低了在检测结点66处的阻抗，同样降低了由(起作用的)热电偶在检测结点所产生的DC电压分量。
在本发明的另一实施例中，没有开关64是时发生器总是连到热电偶。
在本发明的另一实施例中，控制信号65还控制发生器去产生音频信号的时间和判定监测装置何时去分析由此产生的音频信号。
在如图5所特定描绘的本发明一个最佳实施例中，监测装置62包括A/D转换器70和处理器71。转换器70接收来自检测点66的模拟音频信号并对其取样，以将其转换成数字格式。该转换器可以是一个标准A/D转换器或最好为诸如在S，N(F-238)申请(在此引入供参考)中所揭示的跟随一抽取器的Delta Sigma调制过取样器(over-sampler)。处理器71接收数字信号，变换数字信号(例如，借助离散的富里叶变换)，并选择拥有原始音频频率的变换后信号的一种特定频谱。处理的内部寄存器将一予定幅度的阈值送到比较器，以将幅度阈值同所选频率分量的幅度作比较。当变换后信号的特定频谱的幅度，即音频信号频率的功率电平超过阈值时，处理器通告热电偶开路。若幅度小于阈值，处理器通告工作正常。
最好，监测装置利用已装在同一设备的另一测量系统中的电路。诸如转换器70和处理器71的公共电路是在诸如测定温度(图8的园点A)任务和热电偶开路状态(图8中105)的测试任务之间分时的。对分时电路的要求是有足够的时钟速度和处理速度，以用于对音频信号的基频取样，选择和检查。
参见图7，处理器71适于包括数字信号处理器86(诸如ADSP-2105kp-40)和适当的启动操作存储器80(诸如TMS27PC512)，接口82(诸如双端口RAM MC68HC35FN)和控制器84(诸如编程的PAL′S PALC22V1035JC)电路系统。参考图8和9的流程图，当测量系统初次通电时，处理器进入上电100并执行位于存贮器图(map)85的程序存贮器空间85a的永久ROM中的上电程序。在此上电期间，程序控制器81被指令去访问启动操作ROM80并给控制块84发信号以产生为将数据从启动ROM转移至存储器图85各自的程序85a和数据85b存储器空间所必需的控制信号，为将命令编译程序101装入数字信号处理器86所必需的控制信号。然后程序控制器81将执行转移至等待方式102，一个在上电期间检索到的程序。在等待方式102下数字信号处理器通过数据接口82接收外部命令。数据接口82获得总线87来的命令而产生中断，使数字信号处理器去恢复该命令，确认该中断，并提示控制块去产生为将命令数据从接口转移至数字信号处理器所必需的信号。处理器的程序控制器接收和编译命令和执行各自程序，即，A，B，C……等。当接收到开路检测命令时，控制器输入开路检测程序105。
一旦开始开路检测测量(图9中的110)，在112的处理器恢复来自启动ROM的开路检测程序，同时控制块产生控制信号，用于将开路检测程序数据从启动ROM转移到数字信号处理器。在为此测量配置处理器过程中，令程序控制器去恢复一个予定阈值幅值，以存入一内部寄存器。该阈值不是从在114处的外部接口总线获得，就是从如115处所示作为一个缺陷阈值幅值的启动操作ROM得到。当通过总线施加该值时，不是将该值连同初始化命令一起就是在接着初始化命令之后转移。
在步骤116，处理器接收来自诸如A/D转换器70等外部源的数据取样，同时指令控制块84去提供为连续接收取样并将其存入存储器图85的数据空间85b的适宜信号。按该最佳实施例所接收的取样数目受限于数字信号处理器的内部数据空间。在另一可选实施例中，数据空间是利用外部存储器来扩充的。
在接收取样值后，处理器利用离散的富里叶变换(DFT)对数据进行变换，以形成一个频谱。与数据取样相关的取样率和DFT中所用数据点数决定了所形成频谱的分辨率。例如，若在DFT中所用点数为512，而且外部源是以1MHz速率取样的，例由此产生的分辨率/bin将是
分辨率＝1,953(Hz/bin)
尼奎斯特截止频率表示可根据某已知取样记录重建的最大频率并对应于取样频率除以2。例如，若取样值在1MHz取样率下产生，则截止频率为500KHz。若转换器是一个过取样器(oversa mpler)，则尼奎斯特截止频率大于取样信号的较高频率，同时附加的抽取步骤118(图9)可由处理器来执行，以便在执行富里叶变换以前降低所接收数据的有效取样率。因此，抽取增强了可用频谱的分辨率。
由于降低了有效取样率，抽取还降低了尼奎斯特截止频率。若抽取以前的信号包括高于新尼奎斯特截止频率的频率分量，则在抽取期间，较高频率分量将折叠(fold-over)该截止频率并被调制成较低频带以致混淆由此产生的抽取信号。为避免抽取信号的混淆，抽取一般包括为衰减高于截止频率的频率分量而进行的滤波，显然：数据可被抽取的抽取系数受限于原始截止频率除以音频信号的最大频率值。例如，若已知音频信号为100KHz，输入取样率为1MHz；则原始截止频率为500KHz而原始数据可按500KHz/100KHz＝5的系数抽取。利用以上实例，也可表明：增强的频谱分辨率等于(100KHz×2)/512＝391(Hz/bin)。
在获得正常或增强的分辨率的频谱之后，处理器恢复对应于原始音频频率的bin位置的幅值并将恢复值与早先存储的阈值(在ALU中)相比较以判定是否要报告开路状态。若该bin位置幅度大于阈值，则处理器在124报告作为热电偶测量的开路状态。否则，处理器在125报告热电偶有效。
为提供该报告，指令程序控制器将各自数据转移至数据接口电路并给控制块发出信号以提供为传送该数据报告所必需的信号。一旦接口电路82接收到该数据报告，接口电路便为数据总线87提供数据报告并产生一次外部中断以发出该报告有效的信号。在形成该报告之后，测量程序在图9中的126结束而程序的执行回到等待方式102，等待此后的命令指令。
根据本发明的一个实施例，如由Oppenheim和Schafer在离散时间信号处理(1989)新译西州：Englewood Cliffs，Prentice Hall)中所教导的DFT方法进行DFT变换。
图10是说明一可供选择处理器71′的方块图。该处理器包括数字式带通滤波器90，数字峰值检波器92，比较器94和数据寄存器96，数字式带通滤波器90接收来自诸如A/D转换器等的外部源的数字数据并数字地处理所接收的数字式取样，以选择接收到的输入信号中的给定频率分量。该峰值检波器92确定给定频率分量的幅度偏差并将代表峰一峰偏差的数据发至比较器94。数据寄存器96包含作为予先装入其内的予定阈值。此时，比较器接收阈值并将其与检测到的幅值比较，以判定是否存在开路状态。若检测幅值大于阈值，则比较器报告开路状态。否则比较器报告热电偶有效。
图11是说明可用作监测装置62的一个可供选择的模拟式电路的方块图，该电路包括带通滤波器97，峰值检波器98和比较器99，带通滤波器选择该合成音频信号的予定频率分量。峰值检波器98提供一个对应于所选频率分量的峰一峰幅度偏差的DC检测输出。比较器99将测得的输出同阈值电压作比较，以确定是否要报告开路状态。
图6是发生器60一个电路实施例的方块图，该电路适宜包括分频网络75，滤波和增益装置76和阻抗电路77。分频网络75接收频率为fclk的时钟信号并对其分频以提供频率的fclk/N的分频后信号。然后滤波和增益块76接收分频后信号，对该信号进行滤波以提取其基频并加以放大。阻抗电路77提供一已知的源阻抗Zs，而将具有该阻抗Zs的滤波和放大后信号作为模拟音频信号送到检测结点66。
在本发明的另一实施例中，发生器包括一个可编程发生器。参考图12，图9流程图中上述标为116的步骤包括一个步骤130，以便对用于分别产生和监测音频F1的发生器和监测装置进行编程。该发生器经由数据接口82编程。在该最佳实施例中，监测装置通过将频谱的bin变为待检查而被编程。
在本发明的又一实施例中，发生器被提供以输出频率随时间而变的音频信号而被编程。在该实施例中控制信号将附加信息供至发生器，以便指定频率变化。将类似信息加到监测装置62，以使其跟踪发生器的频率变化。通过相对于时间改变音频信号的频率，极大地减小了环境噪音干扰开路检测的或然率。通常干扰噪音占据一定的，有限频谱(例如电源，无线电台等)。若检测器电路利用各种不同频率，则在任一固定频率上所化费的时间与引起错误报告的干扰信号的概率一起被减少了。参考图9和12，步骤130，132，120，122，124和125在各种不同音频F1，F2……下被多次执行。然后，分别对若干报告进行统计处理，以产生一个有代表性的总结报告。
在本发明的另一实施例中，发生器60根据一控制输入而被调制。监测装置为检测该调制而编程。若可辨别该调制是在一个已知阈值以上，则发生器和监测装置将为提供和监测当前音频而仍按程序工作。若调制(例如)由于噪声而不可察觉，则监测装置和发生器对一不同频率被重新编程。
当与本发明合并的系统已包括监测装置和/或信号发生器，其内这类器件可被分时时，本发明就特别具有吸引力。测试状态下的热电偶一般应用于诸如温度测量系统之类的系统中。若数字信号处理器已经与这类用于协助/执行温度测量任务，(即，图8的园圈A)的系统结合，则根据本发明的开路检测借助于对现有的处理器进行时分以最小附加成本得以理想地体现。同样，若系统已包括时钟，则可如上已述通过对时钟信号分频和滤波再放大分频后信号的方法产生音频信号。
本发明的检测器通过分析有限频率间隔上的合成信号改善了噪声抗扰度同时避免了先有技术的幅度/噪声限制。而且，根据本发明的检测器还提供了近乎即刻的开路检测。
虽然现已对本发明的若干实施例作了图示和描述，但显然，本领域的技术人员可能作出许多未脱离本发明较宽特征方面的变动和改型。因此所附权利要求书意在覆盖落入本发明真正精神和范围内的一切这类变化和改型。