基于LabVIEW的熱電偶溫控系統(tǒng)

孟 亮 郭秀媛 崔新強 路 斌

(新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

熱電偶作為測溫元件，其結構簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，用于測量－200～1600℃范圍內的溫度，可就地測量和遠傳。工作時，熱電偶只要與顯示儀表配合即可測量各種介質的溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一［1］。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術工作人員在實際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗。

隨著現(xiàn)代測控技術的不斷發(fā)展，以LabVIEW為軟件平臺的虛擬儀器測量技術在現(xiàn)代測控領域占據(jù)越來越重要的位置。因此，將熱電偶溫度測量技術與LabVIEW虛擬儀器相結合，形成虛擬儀器技術構造測控平臺，可以節(jié)省大量硬件投資;利用軟件實現(xiàn)硬件的功能，把多臺不同的儀器統(tǒng)一組態(tài)，可實現(xiàn)實時測量和控制，既節(jié)省資源，又便于操作，具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)越性。

1 溫控系統(tǒng)總體構成

溫控系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of the temperature control system

為了實現(xiàn)自動控溫系統(tǒng)，在分析溫控系統(tǒng)結構的基礎上，采用了傳感器技術，主要實現(xiàn)兩個基本功能:一是對熱電偶和LM35兩通道的數(shù)據(jù)信號進行實時采集，并對采集到的信號進行實時處理，完成溫度測量;二是將最終得到的加熱器的實際溫度和預設溫度進行比較，通過繼電器完成溫度控制。

溫度數(shù)據(jù)采集模塊主要用于實現(xiàn)第一個功能。該模塊需要一個精確的溫度傳感器，以滿足系統(tǒng)的準確性。這里要求選用E型熱電偶作為加熱器的測溫元件，并且采用電壓輸出型集成溫度傳感器LM35對熱電偶進行冷端補償;最后將傳感器前端采集到的信號放大后，通過數(shù)據(jù)采集卡送入PC機上的LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)的處理。

在實現(xiàn)第二個功能時，兩個模擬通道采集到的都是毫伏級電壓值，因此，需要經(jīng)過濾波放大等信號調理后，通過NI公司的數(shù)據(jù)采集設備和接口裝置將電壓信號錄入LabVIEW軟件平臺;通過軟件處理后，LabVIEW顯示溫度傳感器采集到的實時溫度值。此溫度值和預設的溫度值比較后，通過控制加熱器的繼電器開關動作，實現(xiàn)對溫度的自動控制。

1.1 溫控系統(tǒng)硬件結構設計

系統(tǒng)硬件結構主要包括溫度測量、信號調理、數(shù)據(jù)采集和溫度控制幾部分電路。其中，溫度測量主要選用E型熱電偶來完成，數(shù)據(jù)采集主要借助PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和BNC-2120接口裝置。硬件系統(tǒng)主要完成對測溫傳感器熱電偶的選擇和熱電偶冷端補償電路的設計，以及測溫和補償兩部分的信號調理電路設計。加熱器的控制主要是選用固態(tài)繼電器的開關動作來實現(xiàn)對溫度的控制。

溫控系統(tǒng)硬件示意圖如圖2所示。

圖2 溫控系統(tǒng)硬件圖Fig.2 Hardware of the temperature control system

1.1.1 溫度傳感器的選擇

熱電偶作為測溫元件，其結構簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，可就地測量和遠傳測量，已廣泛應用于工業(yè)溫度測量檢測與控制系統(tǒng)，因此，本設計選用E型熱電偶傳感器作為測溫元件。同時選用電壓輸出式集成溫度傳感器LM35來完成對熱電偶的冷端補償。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參量通過各種傳感元件作適當轉換后，再經(jīng)信號調理、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到計算機進行數(shù)據(jù)處理、顯示或存儲記錄的過程。

溫控系統(tǒng)選用NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E，將其直接插入到PC機的總線擴展槽中，符合ISA總線接口規(guī)范。PCI-6024E的性能參數(shù)為:12位模擬輸入、16路單端/8路差分模擬輸入、12位精度、采樣率200 kS/s、±10 V和±5 V的輸入范圍、2路12位模擬輸出、32條數(shù)字I/O線、2路24位計數(shù)器/定時器，帶校準認證書，支持Windows2000/NT/Me/9x/XP的 NI-DAQ 驅動軟件［2］。

1.1.3 溫度控制模塊設計

溫度控制模塊的溫度控制部分為一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，對控制精度要求高，因此溫度控制部分采用最簡單的通、斷控制方式來實現(xiàn)恒溫保持。其中，固態(tài)繼電器具有體積小、開關速度快等優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用，因此本設計選用10 A固態(tài)繼電器(SSR)作為控制模塊開關器件，通過控制其打開與關斷的時序來控制加熱器件的工作時長。由BNC 2120接口裝置的數(shù)字I/O口產(chǎn)生的高低電平控制固態(tài)繼電器的接通與斷開，固態(tài)直流輸入端的一端接BNC 2120的數(shù)字I/O口，另一端接GND。而交流輸出端與加熱器的電源線兩端相連。同時，并聯(lián)一個壓敏電阻R7，用來防止過載電流，以保證系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)溫度控制功能［3］。

溫控控制模塊電路圖如圖3所示。

圖3 溫控控制模塊電路圖Fig.3 Circuitry of the temperature control module

1.2 溫控系統(tǒng)軟件設計

溫控系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 溫控系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program of temperature control system

本設計使用了PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和BNC2120接口裝置，使得數(shù)據(jù)采集和顯示變得簡單，只要將熱電偶熱端和電壓型集成溫度傳感器LM35兩路數(shù)據(jù)濾波放大后，接至BNC2120的兩個模擬輸入通道輸入到PC機，就可以在LabVIEW軟件平臺上顯示電壓值。隨后進行相應計算，即 E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)，其中，E(t，t0)為熱端電動勢，E(t0，0)為冷端電動勢。最后查詢熱電偶分度表，得到最終測量的溫度值，將其與預設溫度進行比較，確定是否接通固態(tài)繼電器，從而實現(xiàn)溫度控制［4］。

系統(tǒng)整體程序包括整個程序的運行控制、事件結構的設置和各種子程序命令的調用。通過各個模塊整合，將兩通道采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過平均算法后，除以各自的放大倍數(shù)得到原始數(shù)據(jù);再根據(jù)熱電偶電動勢的公式計算得到其電動勢，調用熱電偶電動勢溫度轉換模塊(SubVI)，得到熱電偶所測的實際溫度;然后與預設溫度比較，調用控制模塊控制數(shù)字I/O的高低電平，以確定是否閉合固態(tài)繼電器，完成開關量動作，實現(xiàn)對溫度的控制［5］。

2 系統(tǒng)調試

在進行系統(tǒng)調試時，先不進行繼電器控制，而主要核查溫度測量是否準確。按照硬件調試的方法接線，電熱器接通電源進行加熱，預設溫度設為70℃，運行程序并查看前面板界面，發(fā)現(xiàn)冷端溫度正確，熱電偶電動勢與所測實際溫度保持一致。加接固態(tài)繼電器后，通過周期性檢測可知，溫度控制也得到了實現(xiàn)，被測溫度始終保持在70℃范圍內［6］。至此本設計達到預期效果，取得了成功。

3 結束語

采用LabVIEW軟件平臺構建系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器構建系統(tǒng)相比，虛擬儀器技術充分利用計算機的軟硬件資源，以軟件技術為核心，使計算機具有數(shù)據(jù)信號采集、控制和分析的功能。此外，采用軟儀器取代傳統(tǒng)的電子儀器，具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、集成功能完美等優(yōu)點，同時LabVIEW在圖形界面的設計上具有很大的優(yōu)勢，可以設計出方便、易用的程序界面［7］。因此，該方法具有傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)越性。

［1］鄧甜甜.基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)設計［J］.中國儀器儀表，2006(9):68－71.

［2］江偉.LabVIEW環(huán)境下溫度控制系統(tǒng)的設計［J］.國外電子測量技術，2004(4):35－39.

［3］鄧焱.LabVIEW7.1測試技術與儀器應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:52 －59.

［4］王磊，陶梅.精通 LabVIEW8.0［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:26－39.

［5］雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術教程［M］.北京:中國鐵道出版社，2004:12 －15.

［6］周求湛.虛擬儀器與LabVIEW 7 Express程序設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004:7－68.

［7］劉君華.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:1－65.