基于LabView的T型热电偶128通道测温系统现场校正

1、基于labview的t型热电偶128通道测温系统现场校正摘要:由t型热电偶组成以及其他电子仪表仪器组成的测温系统因其低成木，易装配、管理、 维护，温度带宽应用广等特点广泛应用于各行各业。本文介绍了由t型热电偶，温度变送 器、采集数据卡、labveiw平台温度采集软件等组成的t型热电偶多通道测温系统在现场 应用中发现的功能性误差分析及系统误差解决办法。关键词：t型热电偶；labview平台128通道测温系统；现场校正；scene calibration ofl28-channel t type thermocouple temperature measurement system base on

2、 labview platformabstract：temperature sensors consist of t type thermocouple and other electronic circuitries are popular in various areas due to their low cost, ease to assem ble, man age, maintain and their wide range of functioning temperature this article analyses the errors of such system obser

3、ved in real life applications and their respective remedial methods. the data collected in this article are from a t type thermocouple 128-channel temperature measurement system via the labview platform.keywords：t type thermocouple； 128-channel temperature measurement system via the labviewplatform；

4、 scenecalibration1. 刖吕t型热电偶是常用的温度传感器，由铜和铜银合金两种金属组成凹路在热点效应 下形成毫伏级的电势差。特点是不受大小、长度的限制，精度高，中间介质影响少， 稳定性高。labview多通道温度测塑系统由t型热电偶、温度变送器、数据釆集卡、 温度采集软件和控制计算机组成，核心是基于labview开发的温度-数字转换程序。 系统便于实验人员操作，交互性强，有利于后继开发。在正常情况下测温系统装配完 成即町投入使川。根据长期的使用结果发现有必要在使用之前，装配完成之后对测温 系统进行现场校准。2. 系统介绍2. 1 t型热电偶基于铜铜银合金之间的热点效应将温度信号转

5、化为屯压信号进行传递, 具有结构简单、测量方便的特点，在温度测量屮应用广泛。2.2热电偶温度变送器，采用江苏恒边自动化仪表有限公词的iim9075t05型热电偶变 送器。主要技术参数如下： 工作电源：2030vdc 输入：t 10150°c 输出：05vdc 精度：±0.3%fs（冷端补偿误差±1°c）2. 3数据收集卡，采用两张研华工控的pct 1747u型模拟量输入数据采集卡。主耍技术参数如下： 64路单端或32路差分模拟量输入，或组合输入方式 16位高分辨率250ks/s采样速率 1'1动校准功能单极/双极输入范围 用于al的1024采样f

6、ifo总线主控dma数据传输通用pci总线 boardid 开关2.4软件平台：基于labview编程语言（由美国国家仪器公司所开发的图形化程式编 译平台），也被称为g语言，杲一种数据流编程语言。g语言具有并行执行能力。内置 的调度算法门动使用多处理器和多线程硬件，可以跨平台地在可运行屮复用线程。软件主要的结构128通道温度采集系统mselect-card.vi |read-date,viselect-card.vi read-date.vi图（1）2. 5测温系统总体构成共64个热电俚3. 该测温系统在长期的实验项口使用中发现测温系统在测量被测样本温度的时候存在测 量误差在对测温系统进行误差

7、分析与对比验证中发现测温系统存在着功能性误差, 系统平均误差值为5°c3.1测温系统对比验证实验3. 1. 1.实验条件采用恒温水浴实验箱作为对比验证实验温度模拟量源。釆用精度为0. 1°c的 标准水银温度计作为参考対比温度计量器。采用丿ij实验过程摄像记录模块対实验 过程进行过程记录以及进行对比计量器模拟量到数字量的转化便于监控实验过程 以及进行数据分析。3.1.2实验过程将恒温温水浴实验箱装满水，加热到90摄氏度。装配好热电偶束，并将实验 热电偶连接到测温系统。启动采集系统并进行温度采集,启动实验过程摄像记录 模块记录。热电偶束浸入到恒温水浴实验箱屮，在水浴屮实验水90

8、摄氏度保温过 程让系统采集恒温过程，每一分钟记录一次，持续180分钟收集180个测量数据。 将标准水银温度计浸入到恒温水浴实验箱中，与实验热电偶束位置接近而不接触。川动实验过程摄像模块记录标准水银温度计的示值并转化为计算机町读记录，与 测温系统温度记录同步的每分钟记录一次，持续180分钟，采集180个对比数据。 逐级降温每级1 °c,每级重复采样。o下图只含3.1.3实验结果如下图。在测量温度与参照温度之间存在着5c的谋差 部分数据。釆集时间2011/9/262011/9/262011/9/2610:2513:3016:35888277通逼0 误差89.96094 1.9609483

9、.59375 1.5937578.964841.96484通道1误差91.20117 3.2011785.89844 3 8984481.064454.064452011/9/26 19:4075.23438 2.2343876.76758 3 767582011/9/26 22:457072.30469 2.3046973.49609 3 496092011/9/27 1:506769.37500 2.3750070.85938 3.859382011/9/27 4:556467.285163.2851668. 437504.437502011/9/27 8:006265.16602 3.1

10、660266.787114.7871133984015633164163.61.593.339843.015632.316412011/9/27 11:052011/9/27 14:102011/9/27 17:1564,51172 4.5117263.007815.0078161.103524.10352通道2误差92.46094 4.4609485.96680 3.9668081.376954.3769577.77344 4.7734474.003914.0039171.503914.5039169.46289 5.4628966.99219 4.9921965.46875 5 46875

11、63.38867 5 3886761.904304. 90430通道3 误差92.56836 4.5683686.45508 4.4550881.689454.6894578.05664 5 0566474.316414.3164171.97266 4.9726669.746095 7460966.99219 4.9921966.06445 6 0644563.56445 5 5644561.718754.71875552011/9/28 5:3550.556642.556642011/9/28 8:4049.218753.218752011/9/28 11:4548.105473.10547

12、2011/9/28 14:5047.695313.695312011/9/28 17:5546.523443 523442011/9/28 21:0045.976562.9765657.919922.9199254.941412.9414152.77344 2.773442011/9/27 20:202011/9/27 23:252011/9/28 2:3059.335944.3359460.136725.1367259.882814.8828156.992194.9921956.865234.8652357.656255.6562554.316414.3164155.156255.15625

13、54.941414.9414151.826173 8261752.958984.9589852.734384.7343850.312504.3125052. 011726 0117251.582035.5820349.589844.5898450.742195.7421950.908205 9082048.574224.5742249.531255.5312550.273446 2734448.007815.0078149.355476.3554749.189456.1894547.275394 2753948.525395.5253948.984385.98438（图4）009§通

14、道平均诱慕表010203040506070809005.691.754.552.255.825.876.156.695.284.4915.101.814.641.535.006.134.398.574.894.6924.614.844.682.456.286.294.125.784.623.2834.625.204.563.206.026.392.186.294.952.9344.954.745.013.676.106.503.315.345.691.7554.216.633.924.274.694.734.004.465.101.8164.495.083.935.475.444.605.38

15、4.844.6174.695.044.615.165.414.154.794.654.6283.284.514.094.247.743.584.814.744.9592.935.703.855.176.765.656.224.324.21备注，前96通道平均温度误差数据.（图5）3.2系统误差分析热电偶测温系统有其优点也有其不稳定因素。热电偶在生产过程中有可能因为淬 火和退火工艺误差导致应力与晶格不均匀产牛误差。热电偶在装配过程中弯曲畸 变也会导致不均匀性引起误差。热电偶在工作过程中直接接触高温源会导致挥发、氧 化、还原、辐射、脆化等引起误差。热电偶安装不当导致热源传递过程总对外散失热 呈到门

16、热对流小引起误差。热电偶长度因莫温度梯度引起的传导误差。热电偶因具热 惰性态导致动态响应滞后引起的响应误差。热屯偶工作环境温度是实时变化的，其冷 端温度与分度表冷端温度o°c不同引起误差。结合实际使用过程中对误差产生的分析，测温系统中误差确定在冷端（参考端） 温度影响，导热误差影响，和不均匀性影响三个方面。在温度变送器工作原理与技术 参数屮存在一个重要的指标冷端补偿误差±1°c。这冷端补偿误差再经过变送器 放犬后会产生较大误差。热电偶测温系统是远离热源的，在沿热电极长度存在温度梯度使得测量热电压低 于实际热电压导致误差。3. 3系统误差校正方法3. 3. 1冷端补

17、偿器误差解决办法。由于温度变送器本身具有冷端补偿器。冷端补偿器主要使用t不平衡电桥电 路，当不平衡电桥环境温度变化时，就有不平衡电压输出对热电偶冷端偏离产牛 的热电势的补偿。但是对电桥使用的热敏电路其有滞后性和动态响应误差。对于 这种功能性误差源解决办法对以采用更加高精度的变送器。比较简单的办法是减 少冷端温度变化，使冷端处于一个相对稳定的温度坏境中。木文中采取的方案是 加装空气温度调节装置(变频式空调)，使温度变送器的处于温控环境下，提高内 部冷端补偿电路的补偿精度，减少冷端补偿误差。3. 3. 2热电偶导致不均匀性和热电偶长度导致温度梯度过长产牛-误差的解决办法 由丁此种误差的产生是不可避

18、免且是因热电偶木身特性引起的，所以采取分 段重置仪表初始值的办法解决。4. 分段重置仪表初始值校准4.1校准原理热电偶校准是在现场装配完成z后，开始使用z前进行。采用稳定的温度源，温 度变化少于o.5°c。依循主要工作温度带宽，从高温到低温逐级对测量温度和参照温度 进行采样。采样频率越高,采样时间越长，温度源越稳定，其采样结果越可靠。4丄1分段温度误差的计算°丁 = 丁测_丁参(1)t测温度测量系统测量值t参标准水银温度计参照值其中取t参相同的所有at进行算术平均计算得出at参vt参=灯参小参=丽对所有不同的t参由公式(2)求出不同参照温度下各自的灯参，可得集合卩参 fm

19、=(x g |at |x = z)(3)z工作温度带宽内的整数4.1.2误差分段根据实际工作需要w(x)ffl行分段归类。要求是参照温度偏差少于a的eu7； 偏差少于b的归类为一段。其屮a,b侑根据实际工作需要和实验数据确定，并可根据 工作实际需要确定a值的上下限。木文中a值取5,上限为90°c,下限为70°c, b 值取1。由公式_fn =克x g n) n=(70,75,80.85,90)(4)至此分段误差血计算完成。4.2仪表初始值重置因为系统使用的是labview虚拟仪表（vi）,所以在重置仪表初始值的部分需要修 改虚拟仪表的源代码（lv）。在图（1）中数据流是从热

20、源经热电偶转化为电压信号流 入温度变送器进行放大再流入扩展卡进行数据流集屮接入到数据采集卡进行模拟信号 到数字信号的转化。4.2.1重置的逻辑判断因而只需要在数字信号转化过程中进行初始值重置即町。但是采川分段重置 即不是全带宽重置，要求对非重置分段进行逻辑判断。4.2.2重置初始值的方法labview平台屮模拟量到数字量转化并输出显示值子vi节点为輸入代码接口节点code interface node新曉入值掾出类型+訂伞亡撬出值(图7)在底层驱动屮热电势到温度转化关系式为t = =0cieie为热电势t为温度值g为多项式系数，i为多项式个数重置之后热电势到温度转化关系式为nt二cjg （不需

21、要重置）i=0nt+价（需要重置）i=0鬥为凡屮最接近t的分段对应的凡值5. 校正验证实验与结果分析5. 1校正效果验证实验5. 1. 1.实验过程将恒温温水浴实验箱装满水，加热到90摄氏度。装配好热电偶束，并将实验 热电偶连接到测温系统。启动采集系统并进行温度采集，启动实验过程摄像记录 模块记录。热电偶束浸入到恒温水浴实验箱小，在水浴屮实验水9（）摄氏度保温过 程让系统采集恒温过程，每一分钟记录一次，持续30分钟收集30个测量数据。 将标准水银温度计浸入到恒温水浴实验箱屮，与实验热电偶束位置接近而不接触。 启动实验过程摄像模块记录标准水银温度计的示值并转化为计算机可读记录，与 测温系统温度记

22、录同步的每分钟记录一次，持续30分钟，釆集30个对比数据。 逐级降温每级1°c,每级重复采样。5.1.2实验结果如图。采集时间参考温度通道53通道54* 快卷通道55g *2011/9/30 11:298988. 50746-0. 4988. 73926-0. 2688. 76609-0. 232011/9/30 11:598786. 89125-0.1186.10254-0. 9086. 98875-0. 012011/9/30 12:298584. 80141-0 2084. 80859-0.1984. 61082-0. 392011/9/30 12:598483.90688-0

23、. 0983.19238-0. 8183. 73191-0. 272011/9/30 13:298281.94984-0. 0582.113280.1182.354960. 352011/9/30 13:598180.50453-0. 5080. 83398-0.1780. 95359-0. 052011/9/30 14:298079. 5768-0. 4279. 54004-0. 4679.69383-0. 312011/9/30 14:597978. 30238-0. 7078. 36328-0. 6478. 81981-0.182011/9/30 15:2977 177.486950.

24、4977. 596680. 6077.481910.482011/9/30 15:597675.80727-0 1976. 332030. 3376. 451640. 452011/9/30 16:297575.079730. 0875. 038090. 0475. 416480. 422011/9/30 16:597474.108050. 1174.339840. 3474. 30320. 302011/9/30 17:297372. 73109-0. 2773. 680660. 6873. 521950. 522011/9/30 17:597272.311170. 3172. 601560

25、. 6072. 413560. 412011/9/30 18:297271.55141-0. 4571.48828-0. 5172. 052230. 052011/9/30 18:597170. 64613-0. 3570. 98535-0. 0171.251450. 252011/9/30 19:2970j69. 72816-0. 2770.165040.1770.245590. 252011/9/30 19:596969. 40590. 4169.144530.1469. 703590.702011/9/30 20:296868. 678360. 6868. 744140. 746& 624490. 622011/9/30 20