基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)

何 巍

（中北大學(xué)，山西太原 030051）

0 引言

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，測溫時，熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，因此測量精度高。常用的熱電偶從-50℃～+1 600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2 800℃（如鎢-錸）。另外，熱電偶通常由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。所有這些優(yōu)點使得熱電偶成為工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。

虛擬儀器是計算機技術(shù)和儀器測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用計算機強大的運算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制［1］。本文利用虛擬儀器平臺，通過編寫Labview軟件對溫度進行測量，可以減少硬件的重復(fù)開發(fā)，有利于系統(tǒng)的維護，也便于系統(tǒng)軟件升級。

1 熱電偶測溫原理

熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。如圖1所示。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同，當兩個導(dǎo)體的兩個連接點之間存在溫差時，就會發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象，因而在回路中形成電流，溫度差越大，電流越大，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。如果兩個接點的溫度相同，則不會產(chǎn)生電流。

圖1 熱電偶原理圖

圖1中，由兩根不同導(dǎo)線A和B組成電路，連接成的接點溫度分別為t和t0，則電路中產(chǎn)生的熱電勢等于接點的電動勢之差，如下式:

熱電偶用于探測溫度的一端稱為“熱端”，處于標準溫度的一端稱為“冷端”，國際公認的標準冷端溫度為0℃，但是在工業(yè)現(xiàn)場，要將冷端溫度處理成0℃不太現(xiàn)實，因此必須對冷端進行補償。對于冷端溫度為t1的情況，可按下式進行處理:

式（2）中，E（t，0）表示熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0時的熱電勢;E（t，t1）表示熱端溫度為t，冷端溫度為t1時的熱電勢，E（t1，0）表示熱端溫度為t1，冷端溫度為0時的熱電勢，根據(jù)實際測試得到的冷端溫度，查分度表可求得E（t1，0），E（t，t1）可直接測得，這樣就可以求出E（t，0），再查分度表即可得到熱端的溫度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由熱電偶、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、PXI機箱組成，如圖2所示。本設(shè)計采用K型熱電偶，使用溫度范圍為-200℃ ～1 200℃，其輸出電壓信號為mV級，因此，信號調(diào)理模塊包括信號放大電路、濾波電路以及冷端補償電路。熱電偶測試的冷端補償通常有兩種方式:硬件補償和軟件補償，本設(shè)計采用軟件補償?shù)姆绞健?/p>

圖2 熱電偶測量原理圖

采用差動輸入的方式將熱電偶輸出信號連接到儀表放大器上，熱電偶滿量程輸出信號為100 mV，數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為-10 V～10 V，因此設(shè)計儀表放大器的放大倍數(shù)為100。為了減少噪聲，采用2階有源低通濾波器對放大器的輸出信號進行濾波，濾波器的截止頻率為2 Hz。另外，為了抑制放大器的零點漂移，設(shè)置一個基準調(diào)節(jié)電路，將放大器的基準電壓穩(wěn)定在5 V，減小放大器自身引入的誤差。電路原理圖如圖3所示。

金屬的電阻隨溫度的上升而增加，利用此特性制成的傳感器稱為熱電阻，很多材料可制作熱電阻溫度傳感器，其中最常用的材料為鉑，鉑電阻的電阻率高、電阻與溫度成線性關(guān)系、測溫范圍廣、精度高。目前常用的鉑電阻有兩種:Pt100和Pt10，Pt100鉑電阻在溫度為0℃時電阻為100 Ω，100℃時電阻為138.51 Ω，Pt10在溫度為0℃時電阻為10 Ω，本設(shè)計采用Pt100對冷端溫度進行測量，將測得的冷端溫度送給計算機，通過軟件計算進行補償。冷端溫度測量電路如圖4所示。

圖3 放大、濾波電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用Labview圖形化語言進行編寫，程序流程如圖5所示。

為了消除冷端溫度變化引起的誤差，對每次采集的100個冷端電壓值求平均，再通過公式將電壓值轉(zhuǎn)換為Pt100的電阻值，然后查找Pt100分度表將電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值，通過查找分度表確定溫度的方法存在較大誤差，不能滿足需要精確測量溫度的情況，因此必須尋求更加有效的方法求解冷端溫度。Labview自帶功能強大的運算函數(shù)，包括曲線擬合函數(shù)?？衫煤瘮?shù)（General Polynomial Fit.vit，位于數(shù)學(xué)-擬合面板）對Pt100的分度表進行二次擬合，得到一個二次方程:T=aR2+bR+c（T為溫度，R為電阻值，a，b，c為擬合得到的結(jié)果），將R代入該公式即可自動求得溫度值。計算出冷端溫度后，通過查找熱電偶分度表可得到E（t1，0），進而得到E（t，0）。同樣，對熱電偶分度表，也可以從中均勻地選出一組值進行二次擬合，作為溫度查詢程序。

得到熱端溫度后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度上限和下限自動判斷是否在正常的范圍內(nèi)，如果超過溫度上下限，系統(tǒng)會發(fā)出警報，若在正常范圍內(nèi)，則進行顯示。另外，程序可以對采集得到的數(shù)據(jù)進行保存，數(shù)據(jù)格式為.tdms格式，并且可以對保存的數(shù)據(jù)進行查詢和波形回放。

試驗的結(jié)果表明，該軟件通過簡潔友好的界面，可以很好地對溫度進行實時檢測，用戶可直接觀察溫度變化過程，并且可以對測試結(jié)果進行保存和查詢。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語

本文基于虛擬儀器技術(shù)進行溫度測量系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，并且有很強的通用性，系統(tǒng)硬件可以設(shè)計成標準模塊，搭建新系統(tǒng)時可直接利用，軟件可根據(jù)用戶需求進行適當修改，整個系統(tǒng)可用于某些惡劣環(huán)境下的溫度測量，具有一定的推廣價值。

［1］靖蘇銅，趙福堂.基于Labview的熱電偶溫度測量系統(tǒng)［J］.儀表與計量技術(shù)，2005（6）:37-39.

［2］鄧甜甜，路娜，楊瑞.基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國儀器儀表，2006（12）:88-90.