2017毕业论文-基于LabVIEW的热电偶温度记录仪.doc

本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：基于 LabVIEW 的热电偶 温度记录仪 学生姓名： 学 号： 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控 06-3 班 指导教师： 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） I 摘摘 要要 温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试 及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。 本设计采用基于LabVIEW的热电偶温度记录仪来实现热电偶温度记录。设计分为硬件 设计与软件设计两部分。硬件主要是由热电偶温度传感器、数据采集卡、PC机组成，主要 实现温度信号的采集、转换、处理等功能。采用LabVIEW8.5 进行图形化编程设计了前面板。 可以通过用户登录界面进入系统，前面板设计包括温度采集、温度记录、温度查询三部分。 在程序框图设计中，编写了用户管理、DAQ采集、通道选择、数据库访问、数据库写入、 数据库查询等子VI，实现了对于四个不同通道的数据采集、记录、实时显示、报警及查询等 功能。 关键词：关键词：Lab VIEW；虚拟仪器；温度；采集；记录 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） II Abstract Temperature not only is an important characterization of physical equipment, but also is the heat transfer analysis in an important parameter .The test and record the temperature industrial applications are often experiment with teaching problems. This set of virtual instrument which is based on the thermocouple temperature recorder, is record the temperature of thermocouple. Design is divided into hardware design and software design .Hardware was designed by the thermocouple temperature sensor, data acquisition cards, PC systems, etc. It is mainly temperature signal acquisition, transformation, processing and other functions .Software design used LabVIEW8.5 graphical programming software. The interface can be displayed Temperature acquisition, temperature records and temperature query through user-side. In program design, I prepared a sub-VI (user management, DAQ acquisition, channel selection, database access, database write database query). And they achieved the four different channels for data collection, recording, real-time display, alarm and inquiry functions. Key words: Lab VIEW; Virtual instrument; temperature; collection; Records 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） III 目录目录 摘 要.I AbstractII 第一章 绪论1 1.1 温度记录仪的发展历史及现状1 1.2 温度记录仪分类与应用2 1.3 研究背景及意义2 1.3.1 研究背景.2 1.3.2 研究意义.3 1.4 虚拟仪器技术3 1.4.1 虚拟仪器的概念.4 1.4.2 虚拟仪器的结构.4 1.4.3 虚拟仪器的技术优势.5 1.5 本章小结6 第二章 温度记录仪方案比较与选择8 2.1 有纸温度记录仪8 2.2 无纸温度记录仪8 2.3 方案比较与选择8 2.4 总体方案设计9 2.5 本章小结10 第三章 热电偶温度记录仪硬件设计11 3.1 热电偶型号的选择11 3.1.1 热电偶的发展现状.11 3.1.2 热电偶的发展趋势12 3.2 热电偶冷端温度补偿与线性化处理方法13 3.2.1 热电偶冷端温度补偿原理.13 3.2.2 LT1025 的结构和工作原理.13 3.2.3 LT1025 在 K 型热电偶测温中的应用14 3.2.4 LT1025 在 S 型热电偶测温中的应用.15 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） IV 3.3 数据采集卡的选择15 3.4 本章小结16 第四章 热电偶温度记录仪软件设计17 4.1 热电偶温度记录仪的软件设计结构图17 4.2 软件前面板设计.17 4.2.1 用户登录前面板.17 4.2.2 温度采集前面板设计.18 4.2.3 温度记录前面板设计.19 4.2.4 温度查询前面板设计.20 4.3 程序框图设计21 4.3.1 用户登录模块程序设计.22 4.3.2 通道选择模块程序设计.24 4.3.3 温度采集模块程序设计.24 4.3.4 温度报警模块程序设计.25 4.3.5 数据库访问模块程序设计.25 4.3.6 数据库写入模块程序设计.26 4.3.7 数据库查询模块程序设计.27 4.4 系统程序调试.28 4.5 本章小结30 第五章 总结32 参考文献33 附录 主程序图35 致谢36 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 温度记录仪的发展历史及现状温度记录仪的发展历史及现状 温度记录仪是测量物体冷热程度的工业自动化仪表，一般的温度测量仪表都有检测和显 示两个部分。 最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于 1592 年创造的。它是一个带细长颈的大玻 璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。当 外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就 可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。 1709 年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到 1714 年制成了以水的冰点为 32 度、沸点为 212 度、中间分为 180 度的水银温度记录仪，即 至今仍沿用的华氏温度计。 1742 年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，温湿度记录仪以水的冰点为 100 度、沸点作为 0 度。到 1745 年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至 今仍沿用的摄氏温度计。 早在 1735 年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到 18 世纪末，出 现了双金属温度计；1802 年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展， 其精确度和测温范围都超过了水银温度计。 1821 年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的 规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。1876 年，德国的西门子制造出第一 支铂电阻温度计。 国际现代通用的温标是 1967 年第 13 次国际权度大会通过的 ，1968 年国际实用温标。 它以 13 个纯物质的相变点，如氢三相点，即氢的固、液、气三态共存点(-25934)；水三 相点(0.01)和金凝固点(1064.43)等，作为定义固定点来复现热力学温度的1。 温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理 量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，温度的微观概念是大量分子运动平均强的表示。分 子运动愈激烈其温度表现越高。在工业过程控制中，温度也是一个重要的测量参数。 随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和 控制理论的智能检测是当今温度检测的趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、 检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 2 根据上述要求，国内外温度仪表将向以下几方面发展: （1）继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如:热电偶、热敏电阻等。 （2）加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度 检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。 （3）向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令 等多功能，采用微机向智能化方向发展2。 1.2 温度记录仪分类与应用温度记录仪分类与应用 温度记录仪分类： 按记录媒介分：有纸温度记录仪、无纸温度记录仪；其中有纸温度记录仪又分为：长图 温度记录仪、圆图温度记录仪。 按通道分：单通道温度记录仪、双通道温度记录仪、多通道温度记录仪。 早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产 生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份 额逐年猛增；近几年推出的带 USB 接口的无纸记录仪更是极大地方便了数据的下载和保存。 但是由于在某些场合目前有关规定必须使用有纸温度记录仪，比如：医疗上用的高温杀 菌锅、低温冷藏、用于出口的食品生产等；以及有纸温度记录仪无需电脑知识而适应于一些 低知识水准员工操作的管理和控制，有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代3。 1.3 研究背景及意义研究背景及意义 随着现代测试技术的不断发展，以 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ) 为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。在热 电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。因此 如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与 LabVIEW 虚拟仪器相结合就成了温度测试 领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。 1.3.1 研究背景研究背景 温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试 及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。 早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产 生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份 额逐年猛增；近两年推出的带 USB 接口的无 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 3 纸记录仪更是极大的方便了数据的下载和保存4。然而由于在某些场合目前有关规定必须使 用有纸温度记录仪，比如：医疗上用的高温杀菌锅、低温冷藏、用于出口的食品生产等；以 及有纸温度记录仪无须电脑知识而适用于一些低知识水准员工操作场合的管理和控制，因此 有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代。 进入 21 世纪以来， 作为测试技术的一个分支， 虚拟仪器的开发和研制在国内得到了飞 速的发展。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板， 以多种 形式表达输出检测结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理， 并利用 I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的计算机仪器系 统。 1.3.2 研究意义研究意义 随着现代控制技术的发展，在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集，例如在发电 厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集，而温度采集又是其中极为 重要的部分。目前，温度测量主要采用玻璃液体温度计，人工观测。这种测量方式，一方面 给偏远地区的观测人员带来诸多不便；另一方面，测量精度受人为因素影响，测量误差大。 因此，有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。在农业方面，温度的变化影响作 物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟，等等。对于不同的作物，其适宜的生长 温度总是在一个范围。超过这个范围，作物或许会成活，但是其生长的规律将发生明显的变 化，这对于作物能够优质、高产的目标相距甚远，因此， 实时获取作物生长的环境温度， 对超过作物生长适宜范围的温度能够报警非常重要。同时，作物的适宜温度范围可以由检测 人员根据实际情况加以改变。 以 LabVIEW 为代表的图形化语言，又称为 G 语言。使用这种语言编程的时候，基本上 不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。利用 LabVIEW，可以产生独立运行的可 执行文件。它遵循“软件即仪器”的概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、 过程通信及图形用户界面的软件进行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按 照用户的需要定义仪器功能和结构，设计用户自己的仪器5。所以，在热电偶温度记录工作 中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。因此如何能将热电偶温 度测量记录及其技术有效的与 LabVIEW 虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题， 对测控技术的发展具有相当积极的意义。 1.4 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 4 随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向 计算机化方向迈进。20 世纪 80 年代中期，美国国家仪器公司（National Instrument 简称 NI）首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器简称概念，并随之推出第一批实用成果。这 一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。 虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。 1.4.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操 作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算 机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术 强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控 系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常 规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处 理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通 过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理6。 1.4.2 虚拟仪器的结构虚拟仪器的结构 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。 虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。 为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟/数字转换器(ADC)、 数字/模拟转换器(DAC)、数据采集卡(DAQ)等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模 块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块， 组成更为完善的硬件平台。 按照测控功能硬件的不同，VI 可分为 GPIB、VXI、PXI 和 DAQ 四种标准体系结构。 （1）GPIB（General purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通 讯协议。GPIB 的硬件规格和软件协议己纳入国际工业标准 IEEE488.1 和 IEEE 488.2。它是 最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循 IEEE 488 的 GPIB 接口。典型的 GPIB 测试系 统包括一台计算机、一块 GPIB 接口卡和若干台 GPIB 仪器。GPIB 仪器覆盖了从比较便宜的 到非常昂贵的仪器。但是 GPIB 的数据传输速度一般低于 500kb/s，不大适合于对系统速度 要求较高的应用。 （2）VXI（VME bus Extension for instrumentation）即 VME 总线在仪器领域的扩展，是 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 5 1987 年在 VME 总线、Euro card 标准(机械结构标准)和 IEEE 488 等标准的基础上，由主要 仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI 系统最多可包含 256 个装置，主要由主机 箱、 “0 槽”控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中 各功能模块可随意更换，即插即用，可随意组成新系统。VXI 的价格相对较高，适合于尖端 的测试领域。 （3）PXI （PCI extension for Instrumentation）PCI 在仪器领域的扩展，是 NI 公司于 1997 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是 Compact PCI 结构和 Microsoft Windows 软件。 （4）DAQ （Data Acquisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如 ISA、PCI、PC/104 等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测 试系统的灵活性和扩展性。利用 DAQ 可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer- Based Instruments） ，实现“一机多型”和“一机多用” 6。 1.4.3 虚拟仪器的技术优势虚拟仪器的技术优势 虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是 GPIBVXIPXI 总线方式,二是 PC 插卡式 LPT 并行口式串口 USB 方式IEEE 标准的 1394 口方式。 美国 NI 公司开发的 LabVIEW 和中国 COINV 开发的 DASP 虚拟仪器平台是国内外具有 代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。LabVIEW 平台是一个在 国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器的开发商、学校仪器 制造专业的教学以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件， 而非可最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户即只想用虚拟仪器马上直接测试分析 试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。DASP 平台它是直接面向最终用户的虚拟 仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常的快捷方便，精度又很高，用 户拿起来就可直接使用，但对于专业仪器开发商或者仪器行业自己需开发虚拟仪器的用户， 有一定的局限性。 和常规仪器技术相比，NI 虚拟仪器技术有四大优势7： （1）性能高 虚拟仪器技术是在 PC 技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的 PC 技 术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 I/O，使您在数据高速导入 磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 6 外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 （2）扩展性强 NI 的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制。这些都得益于 NI 软件 的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至 无需软件上的升级即可改进自己的系统。在利用最新科技的时候，还可以把它们集成到现有 的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。 （3）开发时间少 在驱动和应用两个层面上，NI 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最 新技术结合在一起。NI 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了 灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量 和控制解决方案。 （4）无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂， 工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总 是要耗费大量的时间。NI 的虚拟仪器软件平台为所有的 IO 设备提供了标准的接口，帮助用 户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 1.5 本章小结本章小结 温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度采集 及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。 为了解决上述这些问题，早期仪器仪表的开发者采用了有纸记录仪，随着计算机的普及 和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便 捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。进入 21 世纪以来，随着计算机技术、通信技 术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。 和常规仪器技术相比，虚拟仪器技术有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、无 缝集成。例如利用 LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。它遵循“软件即仪器”的 概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件进 行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按照用户的需要定义仪器功能、结构， 设计用户自己的仪器。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 7 器那样受到厂商的限制。 虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。因此在热电偶 温度记录工作中，如何能将热电偶温度采集记录技术有效的与 LabVIEW 虚拟仪器相结合就 成了温度采集及记录领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 8 第二章第二章 温度记录仪方案比较与选择温度记录仪方案比较与选择 2.1 有纸温度记录仪有纸温度记录仪 有纸记录仪以独特的热打印记录方式和先进的微处理器控制技术，实现了无与伦比 的高记录清晰度、高精度、高可靠性、多功能且便于操作。可连续记录和数字打印。 该仪表的每个通道均可直接选择接收多种热电偶、 热电阻、电压和电流信号，并可 对被测信号进行数字显示及进行趋势记录和数字记录，能在本身打印的100mm 宽的纸 格上同时记录刻度值、时间及每一个信号的曲线，并将通道号印在各通道的轨迹旁。可 通过键盘设定测量信号种类、小数点位置、显示范围、记录边界、报警值、回差、系统 误差的校正、记录标尺、数据打印间隔、走纸速度、打印深度及时间等参数，并对所设 参数加以保护。广泛应用于医药、石油、化工、冶金、电力等行业及科研单位。 STR1000 有纸记录仪具有以下显著特点 ：高可靠性 、支持网络功能 、强大的运算 功能、多样的显示功能 、友好的人机界面，操作更简便 、丰富的报警功能 、丰富的记 录和打印功能 、高可靠性、采用完全隔离技术 8。 2.2 无纸温度记录仪无纸温度记录仪 热电偶测温仪的硬件由热电偶传感器、集成温度传感器 AD590、信号调理模块、数据采 集卡及 PC 四部分组成，系统结构如图 2.1。 前置放大滤波 AD590 PCI 6221 数据采 集卡 PC机 前置放大 图 2.1 热电偶测温系统结构框图 热电偶采集被测温度信号并将其转化为电压信号，经仪表放大器放大，滤波电路滤波后 输入到数据采集卡，转换为数字信号传给 PC。 集成温度传感器 AD590 测量实时环境温度实现冷端温度补偿。AD590 是由美国模拟器 件公司（AD）生产的恒流源式模拟集成温度传感器的特点，测量误差小、采用二次查表法 加线性插值实现温度的测量与显示9。 2.3 方案比较与选择方案比较与选择 早期的温度记录仪都是有纸类型的，随 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 9 着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的 数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。虚拟仪器的设计中，硬件要求 很低，成本低廉，程序为图形化语言，编程容易。这样，在仪器仪表的设计中，就可以省不 少开发时间和不必要的浪费。除此之外，基于虚拟仪器的温度记录仪的设计中，用户还可以 根据自己的需要定义仪器的功能，设计出符合自己要求的仪器仪表来。这样的虚拟仪器开发 周期短，效率高。 综上所述，本设计采用 LabVIEW 来实现热电偶温度的记录。 2.4 总体方案设计总体方案设计 在工业过程控制中，温度是一个重要的测量参数，而热电偶具有准确度高、测温范围广 和成本低廉等优点，使其成为工业应用中温度测量的首选。本设计针对传统热电偶非线性和 冷端温度补偿方法的不足，为准确测量温度，将传统的热电偶测温技术与 LabVIEW 相结合 起来，通过计算机运行 LabVIEW 程序来分析处理输入数据，最终由计算机显示结果。利用 LabVIEW 实现了非线性和冷端温度的高精度实时补偿。 热电偶对现场温度的测量、信号的调理到数据采集、数据分析，数据处理，最后到执行 机构构成了一个完整的温度测量与控制系统。应用了软件的特点直接进行温度的测量。硬件 中只需要把热电偶的两个接线端口接到数据采集卡上就行。运行程序，就可以得出实际的温 度。系统基本原理图如图 2.2 所示。 基于LT1025的K型热 电偶信号调理电路 PCI 6221 数据 采集卡 基于LT1025的K型热 电偶信号调理电路 基于LT1025的S型热 电偶信号调理电路 基于LT1025的S型热 电偶信号调理电路 PC ( 基于 LabVIEW 的热电偶温度 记录仪) ai0 ai1 ai2 ai3 K K S S 图 2.2 热电偶温度记录仪系统原理图 温度由热电偶从热端进行采集，经过信号处理后，将数据送入数据采集卡。用基于 LT1025 的信号调理电路实现冷端温度补偿与线性化处理。 LT1025 是美国 LINEAR 公司生产的低功耗热电偶冷端补偿专用集成芯片，它既可用于 E、J、K、R、S 和 T 型热电偶的冷端补偿，又可构成摄氏温度计，还可用于温度补偿网络 中。其温度补偿准确度高达 0.5 。内部自带特殊的非线性校正电路，以确保在整个温度 测量范围内 LT1025 都具有较高的补偿准确度。 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 10 LT1025 是专用的热电偶冷端温度补偿集成电路芯片，内部自带特殊的非线性校正电路， 在 070补偿范围内具有很高的温度补偿准确度，其补偿绝对误差小于 0.5；该芯片的补 偿输出信号为低阻抗，且独立于供电电压；它可和各种热电偶配套使用，所构成的测温系统 结构简单、成本低廉、不需要调节，可广泛应用于电子测量、工业仪表等领域的温度测量。 本系统采用 NI 公司生产的 PCI6221 数据采集卡，即应用虚拟仪器 PC_DAQ 系统。 PC_DAQ 系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪 器系统。采用 PCI 计算机本身的总线，故将数据采集卡(DAQ)插入计算机的空槽中即可。 PCI6221 是一种低廉的 M 系列数据采集卡，在计算机上使用的板卡。它可以采集模拟 信号，数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能，该数据采集卡具有高性 能的数据采集与控制功能。 2.5 本章小结本章小结 温度记录仪分为有纸记录仪和无纸记录仪，早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计 算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据 存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。本设计采用基于 LabVIEW 的热电 偶温度记录仪，在热电偶温度记录仪的设计中运用到了基于 LT1025 的测温电路与 PCI6221 数据采集卡对数据的采集。 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 11 第三章第三章 热电偶温度记录仪硬件设计热电偶温度记录仪硬件设计 3.1 热电偶型号的选择热电偶型号的选择 工艺上比较成熟是标准化热电偶，其能批量生产、性能稳定、应用广泛而且具有统一的 分度表，并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一 定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了 8 种标准化热电偶，标准化热电偶的名称，分 度号，测量范围，精确度等级及允许偏差如表 3.1 所示。 表 3.1 标准化热电偶分度表10 分 度 号 热电偶识别测温范围（）C对分度表允许偏差（）C 热电偶名称 新极 性 识别 E(100,0) （mV） 长期短期 等 级 使用温度允差 正亮白硬 6001.5C 铂铑10-铂S 负亮白软 0.646013001600III 600 0.25%t 正较硬1100 0.25%t 正较硬6009004C 铂铑30-铂B 负稍软 0.33016001800III 800 0.5%t 正不亲磁II-4013002.5C 镍铬-镍硅K 负稍亲磁 4.096012001300 III-200-402.5C 正不亲磁I-4011001.5C镍铬硅-镍 硅 N 负稍亲磁 2.774-20012001300 II-4013002.5C 正暗绿II409002.5C 镍铬-康铜E 负亮黄 6.319-200760850 III-200402.5C 正红色II-403501C 铜-康铜T 负银白色 4.279-200350400 III-200401C 正亲磁 铁-康铜J 负不亲磁 5.269-200600750II-407502.5C 本设计选用比较常用的 S 型热电偶与 K 型热电偶，S 型热电偶具有准确度高，稳定性好 ，测温温区宽，使用寿命长等优点； K 型热电偶的测温范围宽、线性度好、热电动势较大 、灵敏度高、抗氧化能力较强，在氧化和还原气氛中输出热电势都比较稳定。 3.1.1 热电偶的发展现状热电偶的发展现状 热电偶由两种不同金属或合金组成闭合回路。它们的一端通常焊接在一起形成接点，称 为测量端(工作端或热端)。而另一端置于被 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 12 测温场中其参考端恒定在某一温度下(通常为0)，然后通过连接导线与测量仪表相连。由 于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶中就有电动势产生用测量仪表测得电动势的数值后， 便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。 热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量 和远传。在工作时，只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用 来测量-2001600范围内的温度，有些热电偶甚至可测量2000以上温度。所以热电偶是 使用最广泛的测温元件之一。通过热电偶冷端补偿进行温度测量是一种传统、有效的方法， 广大技术工作人员在实际的测量检测中已经积累了较多的经验11。 然而广泛应用于工业和科研中的热电偶传感器。由于受到测量环境、介质气氛、使用温 度以及绝缘材料和保护套管材料玷污等情况的影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变 化。当热电特性变化超过规定的范围时，热电偶指示的温度便会失真，测温误差越来越大12。 除此之外由于热电偶热电势和温度之间的非线性以及冷端温度的不稳定，影响了测温精度。 传统的冷端及非线性补偿方法主要有以下两种:一是基于硬件的补偿，但补偿电路复杂， 成本较高，精度不够；二是基于软件的补偿，通过微机进行拟合或插值实现修正，普通的软 件补偿对工作人员编程能力要求较高，计算量大，实时性不是很好。因此，传统补偿方法在 很多场合已经不能适应现代测温的要求13。 3.1.2 热电偶的发展趋势热电偶的发展趋势 国内外的许多研究机构和制造商,根据工业过程自动化的检测和控制要求,不断设计和制 造出许多新的热电偶、热电阻,目前的发展趋势大致如下。 （1）产品结构铠装化 铠装热电偶与热电阻具有寿命长、可弯曲、热响应时间小、耐震动等的优点,倍受用户 的青睐。它也将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式。 （2）产品结构安装套管化 由于热电偶与热电阻检测元件实现了铠装化,因此可以做到整机与套管分离成两部分,用 户可以预先将套管安装在工业过程设备上,热电偶或热电阻可以在不停机情况下安装或拆卸, 设备中的介质不会泄漏,既可靠又安全。 （3）检测、信号转换和现场显示一体化 随着电子产品小型化,原来作为直流420mA或15V标准信号传输的热电偶或热电阻 系列的温度变送器(实际上应该叫信号转换器)也已小型化,可以安装在现场的热电偶或热电 阻接线盒内与热电偶或热电阻成为一体。对于热电偶来说只需用两根普通导线连接而不必使 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 13 用较为昂贵的补偿导线；对于热电阻来说不必再使用三根导线检测。信号转换和显示成为一 体的带转换器和带显示的热电偶与热电阻则可满足现场显示需要14。 近年来,现场总线已广泛应用于许多自动化控制领域,带智能型转换器的热电偶与热电阻 也已面世。它采用二线制420mA或数字化输出,通过手持终端操作器接在420mA任意位 置,实现数字信号通讯的现场或远距离重调。它还具有PID的控制功能。在这种情况下, 420mA作为控制输出,过程变量是测量的温度值,设置则可由操作者直接或使用一个可组态 的设置操作器来调整,其输出信号可接到执行单元；同时信号的数字部分提供过程变量、输 出、设置和其他转换参数或PID参数。 3.2 热电偶冷端温度补偿与线性化处理方法热电偶冷端温度补偿与线性化处理方法 本设计用 LT1025 来实现冷端温度补偿，由于 LT1025 内部自带特殊的非线性校正电路， 本设计 LT1025 实现线性化处理。LT1025 是美国 LINEAR 公司生产的低功耗热电偶冷端补偿 专用集成芯片，它既可用于 E、J、K、R、S 和 T 型热电偶的冷端补偿，又可构成摄氏温度 计，还可用于温度补偿网络中。其温度补偿准确度高达 0.5 。 3.2.1 热电偶冷端温度补偿原理热电偶冷端温度补偿原理 在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式： (,0)= (,0)+ (0,0) 其中，t 为实测温度； t0为冷端温度； 为冷端温度为 0时，热电偶电势输出； (,0) 为冷端温度为 t0时，热电偶电势输出；为冷端补偿电势。上式中可 (,0)(0,0)(,0) 以直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度 t0，就可以由分度表换算出,进而 (0,0) 求出。完成了冷端电势补偿，并通过分度表可换算出实测温度 t15。 (,0) 3.2.2 LT1025 的结构和工作原理的结构和工作原理 LT1025 的内部结构框图如图 3.1 所示。它主要由温度传感器、非线性校正电路，即弓 形校正电压、缓冲器以及精密电阻分压器组成。LT1025 的供电电压为:436V，典型供电电 流为 80A。当供电电压低于 10V 时，其芯片内部功耗引起的温升小于 0.1缓冲器的作用 是提高输出能力，输出为低阻抗，且独立于供电电压。缓冲器的输出分为两路：一路以 10mV/直接从端口输出;另一路通过精密电阻分压器输出，用于和不同型号的热电偶相配。 LT1025 的工作温度范围为 070。 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 14 图 3.1 LT1025 的内部结构框图16 在宽温度范围内，U 由于热电偶的斜率会变化，从而产生相对于固定斜率的准抛物线式 测温误差。为消除该项影响，在 LT1025 中专门设计了一个非线性校正电路，其原理如下： = + ( 25)2 式中： 系数. 单位为 mV/ 修正系数. 单位为 mV/2 U补偿器输出.单位为 mV T被测对象的温度. 单位为 式中第一项为相对于 0 的线性项，第二项为相对于室温的偏差二次非线性修正项， 其实质为抛物线方程。在 05的温度范围内，各热电偶的最佳修正 系数分为 6.610-4(E)、 4.810-4(J)、4.310-4(K)、1.910-3(R)、1.910-3 (S)、110-3 (T)。当直接输出 10 mV/ 时，最佳修正系数为 5.510-4。在测温要求不高时，各热电偶的修正系数可近似认为 5.510-4。这样的电路结构使得 LT1025 在一个很宽的温度范围内均保持足够高的补偿准 确度，其补偿误差控制面板管理工具数据源（ODBC） ，建立一个新的系统 DSN 并将名称填写到上面系统 DNS 名对话框内：选择 AddMicrosoft Access Driver (*.mdb)， 数据源名称为“math“，数据库选择 math.mdb。点击 OK 完成设置。设置完成之后就可以在温 度查询前面板中查询用户需要的温度数据信息。 4.3 程序框图设计程序框图设计 LabVIEW 的源程序为框图式的，且提供了非常丰富的库函数，从数据采集到仪器控制， 从信号产生到信号处理，从数据分析到图形显示，从文件读写到网络通信，多种多样，大大 提高了用户编程的效率，减轻了编程工作量。 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 22 在本设计中，采用模块化设计，并由用户登录、数据库访问、通道选择、数据采集、线性化、 温度报警、数据库写入和数据库查询模块组成了虚拟热电偶温度记录仪的整个程序。 在程序框图中，各功能实现也都比较简单，在程序开发环境界面上点击鼠标右键在函数 中都可以找到想要的模块。由于设计中体现了四通道的设计思路，有很多程序是重复的，所 以我把部分程序编辑成为了子 VI，在程序中反复调用。具体方法和源程序代码将在下文做 详细介绍。 4.3.1 用户登录模块程序设计用户登录模块程序设计 为了实现对软件程序和数据库数据的有效保护，设计了用户登录模块。模块的作用可以 使软件的前面板在不登录的情况下隐藏在选项卡，在登录的前提下就可以自动跳转到软件的 操作界面。在登录后还可以对对用户进行用户添加，密码修改等管理。用户登录程序设计思 路如图 4.6 所示。 图 4.6 用户登录 图 4.6 中采用了用户登录子 VI 即 user login 图标，当用户名输入的时候程序先通过数据 库访问子 VI 检查数据库里的用户数据是否为空，若为空，将一个真值送入条件结构，在条 件结构中通过数据库访问子 VI 将一个用户名为 Admin，密码为 123456 的数据写入到对应的 数据库，并通过单按钮对话框提示用户相关信息。倘若数据库里的用户数据不为空，就将一 个假值送入条件结构，在条件结构中通过数据库查询子 VI 查询数据库对应用户下的密码， 并与输入的密码进行比对，如果相等用户登录成功，不相等则通过单按钮对话框提示用户密 码出错。 当用户名与密码一致的时候，用户登录子 VI 向条件结构送入一个真，此时将名字为数 据显示 2 的选项板打开，并允许使用用户管理，添加用户和修改密码。倘若用户登录子 VI 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 23 向条件结构送一个假，事件结构停止运行。 为了密码的安全，需要修改用户的密码，此部分的设计思路如图 4.7 所示。 图 4.7 密码修改 如上图，设计使用了 user new pw 子 VI 实现对密码的修改。在这个子 VI 中将第一对话 框里的密码通过数据库访问子 VI 写入到数据库中对应用户的密码字段内，覆盖原密码。这 是在第二对话框里的密码与第一对话框密码一致的情况下写入条件结构真的的时候只执行的。 但是如果两个对话框输入的不一致，则返回一个假，条件结构则通过单按钮对话框提示用户 密码不正确。 为了更多用户对程序的需求，可以在登录的状态下添加新用户。此部分设计思路如图 4.8 所示。 图 4.8 用户管理 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 24 4.3.2 通道选择模块程序设计通道选择模块程序设计 在设计中考虑到，四个通道的数据采集需要对每个同通道的开闭进行操作。于是，在 PCI6221 板卡的 16 个输入通道中选择了前四个，即 ai0ai3，对应的物理通道 current physical Channel(s)分别是：Dev1/ai0、Dev1/ai1、 Dev1/ai2、Dev1/ai3 进行操作。具体程序 如图 4.9 所示。 图 4.9 通道选择模块 通道选择模块的设计为了更好的在编写程序中的使用，同样将程序编辑成为了子 VI。 图 4.9 即为通道选择子 VI 模块的程序，其主要使用了编程当中的条件结构。布尔数组转化 成数值输入条件结构，与条件结构中的选择一一对应，即通道 1 对应 Dev1/ai0，通道 2 对应 Dev1/ai1 通道 3 对应 Dev1/ai2，通道 4 对应 Dev1/ai3，这个时候，通道选择模块完成对通道 物理地址的选择，与通道开关一一对应起来。 4.3.3 温度采集模块程序设计温度采集模块程序设计 虚拟热电偶温度记录仪设计中，要对四个个通道的数据进行记录、报警、查询的前提是 对数据的采集。在前面的通道的选择模块实现其功能之后，再将选择到的对应通道的数据进 行采集，就是目前设计的目的。数据的采集模块使用很普遍，在很多的相关资料中都可以见 到该模块的设计方案，温度采集子 VI (DAQ 采集.VI) 模块的程序如图 4.10 所示。 图 4.10 温度采集模块 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业设计） 25 正如上图所示，将通道选择模块的输出的物理通道地址送进 DAQmx Create Virtual Channel 模块（DAQ 创建虚拟通道模块）的 physical channels 并将单位设置为伏特（Volts） 最大值设置为 10V，最小设置为-10V。将输出送进 DAQmx Timing 模块（DAQmx 定时模块） 再将数据输入 DAQmx Configure Input Buffer 模块（DAQmx 设定输入缓冲器模块）大小设 定为 50000。然后再将数据送入 DAQmx Start Task 模块（DAQmx 开始工作模块）完成数据 的采集。 4.3.4 温度报警模块程序设计温度报警模块程序设计 为了实现系统的温度实时记录及报警设计了以下程序，如图 4.11 所示。 图 4.11 温度报警模块 正如上图所示，将动态数据转换为数组，此时温度波形数据已经数据化，为了对数组中 的每一个数据进行温度上限和下限比较判断是否超出设定值，是否该报警，将转化成的数组 数据采用数组大小记录数组的数据个数来设定 FOR 循环的次数。这样，每次数组输出一个 数据就执行内部程序一次，达到对每个数据进行操作的目的。这样的思路可以做到第 i 次循 环就是取到的数组中的第 i 个数据，因此将数组直接送入到数组索引里的输入端并将循环次 数也送进去，这样第