基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀的設計與實現-資料下載頁

【導讀】導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝。為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個。人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學校規定處理。等），文科類論文正文字數不少于萬字。符合國家技術標準規范。對于溫度測試的結果有著很大影響，因此開發高性能的溫度測試儀是十分必要的。現信號采集、分析、數據處理和結果顯示的系統。其次，對數據采集模塊和LabVIEW軟件模塊設計進行了詳細論述。的軟件模塊的設計，包括前面板和框圖程序的設計。使用以及用Access數據庫實現數據存取的方法。

　　

【正文】 金屬鐵、銅、康銅、鎳鉻合金等。使用熱電偶測量溫度時容易引入誤差，由于熱電勢是因不同金屬材料的結合產生的，故不同材料連接形成的其他結也會在電路中引入電壓變化，這一誤差信號稱為冷端誤差。 熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化而變化的特性測量溫度的，電阻值隨溫度增加而增 加。最常見的熱電阻式溫度傳感器的構成材料是鉑、鎳或銅。鉑的使用溫度范圍寬(200℃ — 850℃ )，重復性極好，可耐受各種化學物質，抗腐蝕性好，是一種多用途金屬，但成本較高。 熱敏電阻由鉆、錳、鎳等金屬的氧化物采用不同的配方高溫燒結而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等形狀，包括三類 :電阻值隨溫度增加而增加的正電阻溫度系數熱敏電阻 (PTC)，電阻值隨溫度增加而減小的負電阻溫度系數熱敏電阻 (NTC)和在某一特定溫度下電阻值會發生突變的臨界溫度電阻器 (CTR)。 CTR 主要用作溫控開關。在溫度測 量中主要采用 NTC 和 PTC，尤其 NTC 應用較多。由于熱敏電阻的阻值隨溫度變化而迅速變化，并且阻值相對于引線電阻來說很大，因而，引線電阻對測量內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 影響小，非常適合測量微弱溫度變化。 NP 結型溫度傳感器利用了在一定的電流模式下， PN 結的正向電壓與溫度之間有很好的線性關系這一特征，與上述溫度傳感器相比，最大優點是輸出特性呈線性，測溫精度高。包括溫敏二極管和溫敏三極管，另外，溫敏晶體管及其輔助電路集成同一芯片上可制成集成化溫度傳感器，其優點是直接給出正比于絕對溫度的線性輸出數字量，體積小，便于高精度、大批量生產，是現代 溫度傳感器的主要發展方向之一，目前常用的有 AD590、DSl8B20 等等。 綜上所述， 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。在工作時，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量 — 200℃ ～ 1600℃ 范圍內的溫度，有些熱電偶甚至可 測 20xx℃以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統、有效的方法，廣大技術工作人員在實際的測量檢測中已經積累了較多的經驗。 此課題采用鎳鉻一鎳硅熱電偶 (K 型 )其使用溫 度范圍為 — 200℃ — 1300℃ 。 熱電偶測溫原理 熱電偶是一種感溫元件 , 它能將溫度信號轉換成熱電勢信號 , 通過電氣測量儀表的配合 , 就能測量出被測的溫度。 熱電偶測溫的基本原理是熱電效應。在由兩種不同材料的導體 A 和 B 所組成的閉合回路中 , 當 A 和 B 的兩個接點處于不同溫度 T 和 To 時 , 在回路中就會產生熱電勢 ， 這就是所謂的塞貝克效應。導體 A 和 B 稱為熱電極 ， 溫度較高的一 端 (T )叫工作端 ( 通常焊接在一起 )；溫度較低的一端 (To )叫自由端 ( 通常處于某個恒定的溫度下 )。 如圖 熱電偶測溫原理圖： 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） T 0TAB 圖 熱電偶測溫原理圖 由熱電效應可知，閉合回路中產生的熱電勢 由兩部分組成，即接觸電勢和溫差電勢，總電勢為 0 0 0 0( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )AB A B B A B AE t t e t e t t e t e t t? ? ? ?。實驗結果表明，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的接觸電勢可表示為 00( , ) ( ) ( )AB A B A BE t t e t e t?? (3— 1) 這就是熱電偶測溫基本公式。 根據熱電勢與溫度函數關系 ， 可制成熱電偶分度表。分度表是在自 由端溫度 To=0℃ 的條件下得到的。不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時 , 只要該材料兩個接點的溫度相同 , 熱電偶所產生的熱電勢將保持不變 ， 即不受第三種金屬接入回路中的影響 。 因此 ,在熱電偶測溫時 ,可接入測量儀表 , 測得熱電勢后 , 即可知道被測介質的溫度。 溫度測試的注意事項 溫度檢測技術是一種精度較高，測溫誤差較小的檢測技術，如果應用不當，將會引起很大的測量誤差，得不到正確的溫度數據。因此在實際應用中，應注意以下兒個方面： (l)避免受到過大的震動和應力作用 ： 當熱敏電阻受到沖擊 、震動或其他形式的加速時，會導致感溫元件變形、彎曲而產生應力，從而改變其溫度一電阻特性。 (2)避免在強磁場中使用 ： 由儀器的測溫原理可知，其導電機理與感溫元件內部電子的狀態有關。當感溫元件周圍存在磁場時，必將改變其內部電子的運動狀態，引起阻值變化，引起磁阻效應。 此外還有自熱效應、壓力影響、引線電阻影響等，這里不再贅述。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 第四章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀 總體方案設計 虛擬溫度巡檢儀簡介 溫度巡檢儀就是 對 多 個 溫度檢測點進行 分時的 巡回檢測 ，即一臺儀表便可實現對多路溫度檢測， 雖說智能溫度巡檢儀能完成對多點溫度的檢測 ，但只能對溫度進行數值顯示，對數據的保存讀取操作困難， 基于虛擬儀器的溫度巡檢儀，不僅能顯示溫度數值，而且能對溫度實時變化趨勢通過曲線顯示 ， 能給用戶 一 個 友 好的監控界面。使用戶能很好的了解現場溫度變化情況，數據的存取操作簡單，只需通過按鈕便可實現操作。 用戶可以根據需要查詢某一時間段數據，以便進行數據分析 ， 還可根據現實需要進行參數修改。 系統實現的功能 本論文設計主要是解決多點溫度的巡回檢測，進行實時的顯示溫度值和溫度曲線。為了改善傳統溫度巡檢儀的功能。此虛擬溫度巡檢儀系統應實現以下功能： (1)密碼設定 :確保系 統安全 ； (2)對熱電偶的型號、通道號 設置 及冷端溫度補償 ， 熱電偶傳感器的類型共有 K， E，S， T， J， R， B， N八種可供選擇 ； 設置溫度信號的輸入 方式 ； 輸入方式有差分輸入 ， 單端輸入和無參考地單端輸入； (3)檢測參數 的顯示 :如 檢測 時間、設定溫度、當溫度超出某個范圍進行報警等 ； (4)溫度 實時曲線 顯示 ； 同時，具有數字顯示和波形圖顯示 ； (5)數據處理與分析 :可以進行在線分析。當采集或讀入數據后，進行 線性化處理 ；選用不同的濾波器進行數字濾波。 (6)溫度 數據保存 :將采集到的數據保存 到 數據庫 中， 在數據庫中有 數據創建 的時間，內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 通道 號等信息，便于數據采集后的讀取 處理 與數據分析 。 系統總體方案設計 整個溫度巡檢儀的原理框圖如圖 所示，系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括熱電偶溫度傳感器， 溫度信號調理模塊 ， PCI6221 數據采集卡（ DAQ）及 PC 機 4部分組成。軟件部分采用美國 NI 公司的 LABVIEW 虛擬儀器軟件平臺，來完成對采集進來的 八 路溫度信號進行數據分析和顯示。本系統結果顯示形象直觀，操作方便，并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能。針對溫度信號進行高精度地測試，整個系統 設計的核心 是溫度信號調理電路 的設計 以及以 LABVIEW 為 基礎的 軟件開發。 系 統基本工作原理： 傳感器 將感受到的 環境溫度 信號 以電壓形式輸出到信號調理電路，信號經過調理后輸入到 數據采集卡進行 A／ D 轉換， A／ D 轉換后的數據直接進入微機，再由虛擬儀器系統對數據進行處理和 顯示。 多 路 溫 度 傳 感 器 信 號 調 理 電 路 P C I 6 2 2 1 數 據 采 集 卡主 機 L A B V I E W 軟 件 數 據分 析 和 顯 示被 測 信 號 圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 第五章 系統的硬件設計 本章主要介紹虛擬溫度巡檢儀的硬件設計，首先介紹了系統的硬件組成，然后是溫度傳感器檢測元件的介紹、調理電路的設計、 PCI— 6221 數據采集卡的介紹。 系統硬件組成 本虛 擬溫度巡檢儀首先通過溫度傳感器（熱電偶）通過多路轉換開關選通 經放大電路轉換到 05v、濾波器剔除噪聲再經反向多路轉換開關單端接入數據采集卡，計算機進行運算處理。 圖 給出了 虛擬溫度巡檢儀硬件原理框圖 ： 8 路 熱 電 偶溫 度傳 感 器主 機L A B V I EW 軟 件數 據 分析 和 顯示P C I 6 2 2 1 數據 采 集 卡A D 5 9 0前 置放 大多 路 轉換 開 關C d 4 0 5 1低 通濾 波器前 置 放 大多 路 轉換 開 關C d 4 0 5 1電 流 u A電 壓 0 5 vVm V被 測 信 號環 境 溫 度 圖 系統 硬件原理框圖 溫度傳感器及調理電路 溫度傳感器 系統選擇 熱電偶作為溫 度傳感器 ，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。在工作時，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量 200℃ ～ 1600℃ 范圍內的溫度，有些熱電偶甚至可 測 20xx℃以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統、有效的方法，廣大技術工作人員在實際的測量檢測中已經積累了較多的經驗。 此課題采用鎳鉻一鎳硅熱電偶 (K 型 )其使用溫度范圍為 200℃ ～ 1300℃ 。 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 調理電路設計 從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集設備，信號調理功能包括放大、濾波、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能，還要根據具體傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調理功能。下面僅介紹信號 調理的通用功能。 冷端 溫度 補償電路設計 由于連接熱電偶與 DAQ 板卡的引線要一起所謂的參考連接或冷端連接，這種連接如同熱電偶一樣也要產生輸出電壓 — 即所謂的參考電壓或冷端電壓。這樣，測量電壓就包括了熱電偶輸出電壓和冷端電壓兩部分。補償冷端電壓的方法就是所謂的冷端補償。 冷端補償是熱電偶測量中 信號調理 的首要 任務。常用的冷端補償方法有硬件補償方法和軟件補償。 硬件補償是用一種特殊電路產生適當的電壓來抵消冷端電壓。因此每種熱電偶必須有可在所有環境溫度下正常工作的專用補償電路。這樣的補償電路是非常昂貴的，所 以通常采用軟件方法進行溫度補償。 軟件補償的原理是用另外一個溫度傳感器 直接測量冷端環境溫度并根據標準的熱電偶表或多項式通過軟件計算出計算出所需的補償電壓，然后將測量電壓和補償電壓相加，在用標準的熱電偶多項式或查表法將補償后的電壓換算成溫度值。 本設計采用軟件冷端溫度補償 ，選擇 AD590 集成溫度傳感器檢測環境溫度。 AD590單片集成溫度傳感器，是電流型集成溫度傳感器。其溫度測量范圍為 55℃～ 150℃，線性電流輸出靈敏度為 1uA/k。 AD590 以熱力學溫標零點作為輸出點， 在 0℃時的輸出電流為 uA。 假設環境溫度范圍為 0℃～ 50℃，按圖 所選定的電路參數，該電路的輸出靈敏度為 100mV/℃ 。因為 AD590 直接測量的是熱力學溫度（溫度單位為 k），因此為為了以攝氏溫度讀出，其輸出必須以 uA 偏置。令 AD590 的輸出電流流過 1kΩ 電阻，這樣內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 就將 1uA/k 的電流靈敏度轉換為 1mV/k 的電壓靈敏度。在將轉換后的輸出電壓連接到AD524 儀表放大器的同相輸入端。基準電壓芯片 AD580 輸出的 基準電壓用電阻分壓到 ，接儀表放大器的反相輸入端，設置 AD524 的放大倍數為 100，這樣，經 AD524對兩輸入差值放大后，就可將 0℃～ 50℃的溫度輸入變換為 0— 5V 的電壓輸出，即該溫度測量電路的輸出電壓靈敏度為 100mV/℃。 A D 5 8 0+ 5 vA D 5 2 47 v1 kG = 1 0 01 k2 5 0 Ω1 0 k2 k采 集 卡a i 8A D 5 9 0+ 圖 冷端 溫度 補償電路 信號調理電路設計 微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲， 使 信號 調理后的電壓范圍和采集卡的電壓范圍相匹配。 信號調理電路 如圖 所示 ： 1 2 3 8 A D 5 2 4二 階濾 波 器A D 5 8 0P C I 6 2 2 1數 據采 集 卡+ 5 vA D 5 2 47 v1 kG = 1 0 01 k2 5 0 Ω1 0 kC D 4 0 5 1C D 4 0 5 1A D 5 9 0G = 1 0 0++a i 8a i 0 : 8 圖 系統 信號調理電路圖 內蒙古科技大學畢業設計 說明書（畢業 論文 ） 信號調理模塊應盡可能靠近信號源或傳感器 ，使得信 號在受到傳輸信號的環境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數信號調理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。某些高性能的數據采集卡