LabVIEW平臺(tái)上的溫度自動(dòng)檢測(cè)裝置研究

張光華，栗 健，趙 玲

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

LabVIEW平臺(tái)上的溫度自動(dòng)檢測(cè)裝置研究

張光華1，栗 健1，趙 玲2

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

針對(duì)油田開(kāi)發(fā)的技術(shù)需求，分析了溫度檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)，探討了溫度檢測(cè)裝置系統(tǒng)的編寫(xiě)程序及功能原理，構(gòu)建了基于虛擬儀器LabVIEW的溫度自動(dòng)檢測(cè)裝置系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)信號(hào)參數(shù)，對(duì)比了現(xiàn)有的溫度檢測(cè)裝置的特點(diǎn)。在油田開(kāi)發(fā)作業(yè)中，溫度檢測(cè)技術(shù)的提高不僅關(guān)系到油田生產(chǎn)活動(dòng)，更是推動(dòng)其生產(chǎn)效率提升的重要基石。研究表明，當(dāng)油田的周邊環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)，晶體參數(shù)就會(huì)發(fā)生改變，使得靜態(tài)工作點(diǎn)變得不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電路停止正常的工作。結(jié)合LabVIEW技術(shù)，對(duì)溫度檢測(cè)裝置進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試后，證明了該新型溫度檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)溫度儀表的同時(shí)檢測(cè)、多檢測(cè)點(diǎn)不間斷檢測(cè)，以及溫度儀表檢測(cè)的自動(dòng)化和對(duì)電信號(hào)的采集。

LabVIEW； 溫度檢測(cè)； 虛擬儀器； 自動(dòng)化； 信號(hào)采集； 檢測(cè)裝置； 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 人機(jī)界面

0 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究試驗(yàn)中的一項(xiàng)重要參數(shù)[1]，其不僅廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)，也同樣應(yīng)用于醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域。在各種工程項(xiàng)目中，溫度是不可或缺的參數(shù)[2]。溫度檢測(cè)技術(shù)是目前各種檢測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)之一，其在檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)業(yè)安全等方面發(fā)揮了重要作用[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，溫度檢測(cè)技術(shù)更是具備了對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)等新功能[4]。在溫度檢測(cè)的領(lǐng)域中，與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，所研制的基于虛擬儀器的溫度檢測(cè)系統(tǒng)已成為重要的組成部分[5]。

本文通過(guò)LabVIEW平臺(tái)，完成對(duì)溫度信號(hào)的數(shù)據(jù)采集處理以及圖形顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器儀表的數(shù)據(jù)檢測(cè)[6]。

1 溫度檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程及組成

1.1 溫度檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程

首先通過(guò)控制器收集實(shí)時(shí)溫度參數(shù)，對(duì)收集到的參數(shù)進(jìn)行一系列處理后傳輸給上位機(jī)。使用虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行控件讀取，通過(guò)串口讀出溫度參數(shù)，并在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換的同時(shí)在前面板上顯示，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換成華氏溫度等操作；通過(guò)對(duì)采集卡接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形顯示，并將采集處理后的數(shù)據(jù)與檢驗(yàn)檢測(cè)綜合信息系統(tǒng)共享，實(shí)現(xiàn)了儀表檢驗(yàn)檢測(cè)的自動(dòng)出證。

1.2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)組成

基于LabVIEW，以PC為上位機(jī)、控制器為下位機(jī)構(gòu)建試驗(yàn)裝置。

試驗(yàn)裝置總體方案如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置總體方案示意圖

由圖1可知，溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要是由待測(cè)儀表、標(biāo)準(zhǔn)器、機(jī)電輔助、供電系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的。首先，將待測(cè)儀表安放到卡盤(pán)上，通過(guò)信號(hào)線快速連接頭完成儀表與接線背板的連接。然后，在機(jī)電輔助系統(tǒng)的控制下，待測(cè)儀表依次進(jìn)入恒溫箱中進(jìn)行溫度測(cè)定。在測(cè)定時(shí)，需注意對(duì)待測(cè)儀表的溫度、電流、電阻以及標(biāo)準(zhǔn)器的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。通過(guò)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換后，使之成為數(shù)據(jù)采集卡需要收集的信號(hào)，并交給軟件系統(tǒng)進(jìn)行最終處理。

溫度檢測(cè)系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖

2 虛擬儀器及LabVIEW

2.1 虛擬儀器

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代測(cè)控以及信號(hào)處理等諸多技術(shù)的基礎(chǔ)上，由電子測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深度聯(lián)系、結(jié)合之后產(chǎn)生。其代表了測(cè)控技術(shù)的發(fā)展方向[7]，也是最具發(fā)展前景的電子儀器之一[8]。其基于通用PC建立的可編程儀器及系統(tǒng)[9]，不再依托復(fù)雜的編程過(guò)程，而是采用新型的圖形化的編程形式，根據(jù)工程的實(shí)際需求構(gòu)建虛擬的測(cè)量?jī)x器與信號(hào)分析處理軟件[10]。虛擬儀器的產(chǎn)生帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，使其能夠通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)一部分硬件的功能[11]。

虛擬儀器是一種以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)[12]，是由硬件和應(yīng)用軟件相互結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的，硬件是其構(gòu)成的基礎(chǔ)。它的硬件主要是由硬件接口電路以及計(jì)算機(jī)兩部分組成，其中硬件接口電路主要負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)量到的輸入信號(hào)進(jìn)行處理；而計(jì)算機(jī)則主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理。

應(yīng)用軟件是虛擬儀器中必不可少的組成部分，要組成完整的基于虛擬儀器的軟件系統(tǒng)，則必須包括I/O接口軟件、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件三個(gè)部分，缺一不可。其中，I/O接口軟件不但是I/O接口設(shè)備與驅(qū)動(dòng)程序之間的必要溝通橋梁，而且是未來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的開(kāi)放和統(tǒng)一的基礎(chǔ)和核心；應(yīng)用軟件可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)虛擬儀器的操控；驅(qū)動(dòng)程序的本質(zhì)為運(yùn)用，其通過(guò)調(diào)用I/O軟件提供的函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)VISA來(lái)完成對(duì)虛擬儀器的日常管理以及操控，所以，驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序與I/O軟件的紐帶[13]。

2.2 LabVIEW

虛擬儀器中的應(yīng)用軟件配套開(kāi)發(fā)環(huán)境大致分為兩種類型：一種是適合具有豐富編程經(jīng)驗(yàn)人員的文本語(yǔ)言式平臺(tái)；另一種則是目前主流的、由NI公司創(chuàng)造的圖形化編程平臺(tái)——LabVIEW。

虛擬儀器LabVIEW屬于程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，其總體上類似于C語(yǔ)言以及BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境[14]，但其本質(zhì)是圖形化的編程軟件。目前來(lái)看，LabVIEW是國(guó)際上使用較為廣泛、集數(shù)據(jù)采集以及控制開(kāi)發(fā)于一體的開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，是具有代表性的圖形化編程語(yǔ)言[15]。它對(duì)各種函數(shù)進(jìn)行采集、分析和存儲(chǔ)[16]，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)生成、信號(hào)處理以及輸入輸出控制等多種功能。相比于傳統(tǒng)文本，它的界面更加直觀和友好[17]。在LabVIEW程序中，有前面板以及程序框圖兩個(gè)基本部分，其中前面板用來(lái)直觀顯示數(shù)據(jù)、時(shí)間等用戶所需的信息，而所編寫(xiě)的程序則是位于程序框圖內(nèi)[18]。

虛擬儀器LabVIEW最初是為了方便測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在LabVIEW廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。目前，大多數(shù)的主流測(cè)試儀器及數(shù)據(jù)側(cè)及設(shè)備都具備專用的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，廣大用戶也應(yīng)用著測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域中各種不同類型的LabVIEW程序工具包，這使得程序開(kāi)發(fā)更加方便快捷。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)儀表溫度、電流和電阻以及標(biāo)準(zhǔn)器電阻、溫度等信號(hào)的采集。對(duì)于溫度變送器來(lái)說(shuō)，溫度的測(cè)量過(guò)程就是對(duì)電流信號(hào)的測(cè)量。首先，將測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，并送入放大濾波電路進(jìn)行處理；然后，把處理后的信號(hào)送入采集卡中的模擬輸入端，由A/D采集卡選擇通道，把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)能夠分辨的數(shù)字信號(hào)；最后，將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出通道傳入計(jì)算機(jī)作后續(xù)處理。溫度檢測(cè)的硬件設(shè)備主要包含了控制器、串口等。

3.2 軟件功能

溫度檢測(cè)裝置通過(guò)對(duì)溫度儀表進(jìn)行參數(shù)采集，并與標(biāo)準(zhǔn)的鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行溫度對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢的溫度儀表的檢測(cè)。

軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)軟件系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的具體功能如下。

①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的錄入、維護(hù)，如試驗(yàn)參數(shù)、文檔路徑、待測(cè)儀表的參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)器電阻參數(shù)等；

②被檢儀表與標(biāo)準(zhǔn)器參數(shù)曲線的實(shí)時(shí)顯示；

③采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取；

④被檢儀表與標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)據(jù)對(duì)比和實(shí)時(shí)顯示；

⑤數(shù)據(jù)的處理、共享使用以及數(shù)據(jù)的打印和輸出功能。

其中，數(shù)據(jù)的采集、顯示及處理是系統(tǒng)軟件功能的重要構(gòu)成部分。

首先，數(shù)據(jù)采集是該裝置實(shí)施的關(guān)鍵和保證。若要正確地完成溫度儀表的檢測(cè)，就必須準(zhǔn)確地采集被檢儀表的電阻、電流、溫度以及標(biāo)準(zhǔn)器的溫度值，并對(duì)其作詳細(xì)的對(duì)比。收集溫度參數(shù)時(shí)還需要對(duì)收集的溫度參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存，在儲(chǔ)存時(shí)可以改變它的儲(chǔ)存路徑[19]。

然后，將系統(tǒng)收集到的溫度參數(shù)傳入溫度顯示系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)處理[20]。數(shù)據(jù)顯示模塊主要完成被檢儀表和標(biāo)準(zhǔn)器參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示以及曲線對(duì)比顯示等功能。它將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并且繪制出每個(gè)被檢溫度儀表和標(biāo)準(zhǔn)器之間的實(shí)時(shí)曲線對(duì)比圖，從而直觀地顯示每個(gè)被檢溫度儀表的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

最后，數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊主要完成處理后的被檢溫度儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、曲線打印和數(shù)據(jù)共享功能，并與檢驗(yàn)檢測(cè)綜合信息管理系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)溫度儀表檢測(cè)的自動(dòng)出證。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

在所設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)裝置中，用五塊測(cè)溫表對(duì)設(shè)定好溫度的恒溫箱進(jìn)行溫度測(cè)量，隨后收集測(cè)量所得溫度并與恒溫箱的設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比。

溫度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了取得更準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，本文在測(cè)量時(shí)采用了多路測(cè)量的方法。表1為恒溫箱的設(shè)定溫度以及五塊測(cè)量表的檢測(cè)溫度值的對(duì)比情況。

表1 溫度數(shù)值對(duì)比

4.2 結(jié)果分析

由表1可以看出在一段時(shí)間內(nèi)溫度的變化情況，通過(guò)分析表中數(shù)據(jù)可知基于LabVIEW的溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)程序的準(zhǔn)確性。通過(guò)觀察恒溫箱與測(cè)溫表的溫度數(shù)值對(duì)比，可以準(zhǔn)確得知在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)溫度的數(shù)值，證明構(gòu)建的溫度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)等預(yù)期的功能。該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、采集時(shí)間設(shè)定靈活，可以應(yīng)用于不同領(lǐng)域的溫度檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套溫度儀表自動(dòng)化檢測(cè)裝置，通過(guò)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形顯示，同時(shí)采集處理后的數(shù)據(jù)與檢驗(yàn)檢測(cè)綜合信息系統(tǒng)進(jìn)行共享，實(shí)現(xiàn)了儀表檢驗(yàn)檢測(cè)的自動(dòng)出證。該溫度檢測(cè)裝置不但能科學(xué)、合理地檢測(cè)溫度，而且可以通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)避免油田開(kāi)發(fā)中由于溫度漂移所造成的不必要的資源浪費(fèi)，提高了參數(shù)準(zhǔn)確率，提升了產(chǎn)業(yè)效率。

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Study on the Automatic Temperature Detection Device Based on LabVIEW

ZHANG Guanghua1，LI Jian1，ZHAO Ling2

(1.School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.School of Computer and Information Science and Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Aiming at the technical requirements of oil field development,the overall structure of temperature detection device is analyzed,the programming procedures and functional principle of temperature detecting system are discussed,and the temperature detecting device based on the virtual instrument LabVIEW is constructed.According to the relevant signal parameters,the features of existing temperature detecting devices are compared.In the development operations of oil field，the improvement of temperature detection technology is not only related to the significance of oil production activities,but also is an important cornerstone to promote the production efficiency.Researches show that the parameters of crystal may be changed when ambient temperature of oil field changes,thus the static operating point becomes unstable,and in severe cases,it may lead the circuits to stop working.Combining with LabVIEW,the systematic test of temperature detecting device is conducted,the results show that the multiple sets of temperature instruments can be detected by this new type of temperature detection device at the same time; and the uninterrupted detection of multiple detection points,and the automatic detection of temperature instruments and the collection of electrical signals can be realized.

LabVIEW；Temperature detection；Virtual instrument；Automation; Signal acquisition；Detection device; Data conversion; Human-machine interface

大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目(zd-2016-061)

張光華(1979—)，男，博士，副教授，主要從事自動(dòng)控制、信號(hào)處理以及無(wú)線通信方向的研究。E-mail：dqwzh@126.com。 栗健(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事電子通信工程方向的研究。E-mail：lidaolijian@163.com。

TH-39;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706017

修改稿收到日期:2017-03-27