内蒙古大学传感器与检测技术讲义第15章热电偶温度测量系统的设计

1、第15章 热电偶温度测量系统的设计15.1 设计任务本设计用K型热电偶设计量程范围为0100的温度显示器，并在电路设计中加入冷端补偿器对冷端温度进行补偿，最后利用LabVIEW设计虚拟仪器显示测量温度值。通过本设计必须掌握以下几点： 了解K型热电偶测量温度的方法和电桥补偿法 掌握利用热电偶的原理建立仿真模型 会使用LabVIEW进行编程15.2 电路原理与设计1传感器模型的建立热电偶是把温度转化为电势大小的热电式传感器。表15-1为K型热电偶的分度表，这是在冷端温度为0时测定的数值。对大量数据进行分析，可得热电偶的数学模型为 （15-1）式中，tR表示测量温度；tAMR表示测温参考点。表15-

2、1 K型热电偶分度表（参考端温度为0）温度（）热电动势（mV）0102030405060708090000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418

3、.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.709根据式（15-1）在Multisim中建立热电偶的仿真模型如图15-1所示。图15-1（a）所示为热电偶示意图；图15-1（b）所示为测温参考点即冷端温度为0时的模型；图15-1（c）所示为冷端温度为室温（25）时的模型。压控电压源模拟了式（15-1）的系数。图15-1 热电偶模

4、型以上模型只是对热电偶性能的一个近似，是线性的，而实际热电偶的特性表明它具有一定的非线性。2温度补偿电路的设计若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0的环境中。若冷端温度不是0，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图15-3所示，当热电偶自由端的温度升高，导致输出总电势降低时，补偿器感受到自由端的变化，产生一个电位差，其值正好等于热电偶降低的电势，两者互相抵消以达到自动补偿的目的。三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系数的PN结。三极管可选用9013，由于Multisim器件库中没有，选用三极管2N222

5、2代替。图15-3 电桥补偿电桥中R3的值应和R4的值相等，调节滑动变阻器使上面的左、右两桥臂的总电阻值也相等，才能使电桥平衡。调整电桥上下两臂的电阻的比值，可调节输出电压的大小，即补偿电压的大小，合理选择这个比值，可使补偿电路的电压正好等于热电偶自由端温度上升而降低的电压值，从而起到电压补偿的作用。注意：电桥调零时，应使三极管2N2222的参数测量温度为0，即此时自由端温度为0，不用进行温度补偿。补偿电路的输出端接HB/SC连接器，将该电路全部选中，用鼠标右键单击该电路，然后选择用子电路替换，将该子电路的名称设为“K”，子电路模块的两输出端分别为补偿电路的正、负输出端。 3放大电路设计放大电

6、路部分与13.2节的金属应变片放大电路相似，由仪用放大器和比例放大环节组成，如图15-4所示，其中RW1可调节仪用放大器的放大倍数，RW2用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。图15-4 放大电路设计4直流稳压源设计电路中的供电电源都采用15V直流电源直接供电。实际应用中，如果希望能通过市电来对电路进行供电，就需要设计直流稳压电路来实现AC/DC的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图15-4所示。220V市电经变压器输出24V AC。由于所需直流电压与电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器输出端接桥式整流器，将

7、正弦波电压转换成单一方向的脉动电压，它含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作，如交流分量会混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号，因而不宜直接作为电子电路的供电电源。解决的办法是整流桥输出接入电容构成低通滤波器，使输出电压平滑。由于滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容。此时，虽然输出的支流电压中交流分量较小，但当电网电压波动或负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。VD2、VD3为输出端保护二极管，是防止输出突然开路而加的放电通路。C3、C4属于大容量

8、的电解电容，一般有一定的电感性，对高频及脉冲干扰信号不能有效滤除，故在其两端并连小容量的电容以解决这个问题。稳压电源最后输出的直流电压约15V。直流稳压电路的输出端接HB/SC连接器，将该电路全部选中，用鼠标右键单击该电路，然后选择用子电路替换，将此子电路的名称设为“Power”，子电路模块的两输出端分别为直流稳压电路的15V电压输出端。图15-4 直流稳压源电路5综合电路仿真综合电路如图15-4所示，其中K模块和Power模块分别为热电偶及热电偶补偿子电路与直流稳压源子电路模块。主放大电路的分析方法在第6章已详细介绍，这里不再重复。下面主要对各子电路模块进行仿真分析。1）热电偶及热电偶补偿子

9、电路分析 在图15-3所示的电桥补偿电路中，对三极管2N2222进行温度参数扫描分析，扫描参数设为temp（温度），从03每隔1扫描一个值。输出电压值为三极管的集电极与发射极电压之差，扫描的分析是瞬态分析。分析的结果如图15-5所示，温度每增加1，三极管两端电压下降约2mV。图15-5 PN结负温度特性补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开如图15-6所示的属性设置对话框，单击“Edit Model”按钮，可打开元件模型编辑窗口，如图15-7所示，将参数测量温度设为0，然后调节滑动变阻器RW，使电桥两输出端12与IO2之间的电压近似为0。当自由端温度（即环境温度）为25时，将

10、模拟环境温度的V1的值设为25V，将三极管的参数测量温度设为25，然后对电路进行参数扫描分析，其设置如图15-8所示，选择模拟温度变化的电压源作为扫描对象，在0100V的范围内，每隔10V扫描一次，设置扫描直流工作点，输出变量选择子电路的两输出端之差，如图15-8（b）所示。扫描结果如图15-9所示，将该仿真数据与表15-1的K型热电偶分度表进行比较，可知经补偿后，在表15-1所列的各温度下子电路总的输出电压和分度表中的值基本相符。图15-6 三极管2N2222属性设置对话框 图15-7 元件模型编辑窗口（a）分析参数设置 （b）输出端设置图15-8 参数扫描设置注意：因仿真中所用的仿真模型只

11、是对热电偶的近似，所以在自由端温度为0的情况下，热电偶模型的输出电压值就有误差，而补偿电桥的设计只是保证0时仿真电桥电路的输出为0，所以仿真子电路输出的电压值和K型热电偶分度表的相应值会有一定误差。2）直流稳压源子电路分析（1）桥式整流输出电压：整流桥输出接负载后，用示波器观察波形，如图15-10所示。正弦波经整流后输出单一方向的波动。 图15-9 参数扫描分析结果 图15-10 整流桥输出（2）滤波后输出电压：整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图15-11所示。由图可以看出，交流成分减小，但仍然存在小的波动。（3）接三端稳压后输出：接三端稳压后，正端接负载后的输出电压如图15-12

12、所示。输出电压基本稳定。（4）电压调整率：输入220V AC，变化范围为15%20%，所以电压波动范围为176253V。在额定输入电压下，当输出满载时，调整输出电阻，使电流约为最大输出电流，即0.1A，得满载时电阻为138。当输入电压为176V、负载为138时，输出电压U1为14.832V；当输入电压为220V、负载为138时，输出电压Uo为14.839V；当输入电压为253V，负载为138时，输出电压U2为14.842V。图15-11 滤波后输出图15-12 稳压源输出取U为U1和U2中相对Uo变化较大的值，则U=14.832，所以电压调整率：（5）电流调整率：设输入信号为额定220V AC

13、，当输出满载（138）时，输出电压Uo为14.839V；当输出空载时，输出电压U为15.26V；当输出为50%满载时，输出电压Uo为14.98V，所以电流调整率：（6）纹波电压：在额定220V AC下，输出满载，即负载电阻为138时，在示波器中观察输出波形，如图15-13所示。因只选择了观察交流成分，所以所观察到的信号即纹波电压信号，其峰-峰值为2.143nV。（7）输出抗干扰电路分析：图15-14（a）所示为未加抗干扰电路前系统的幅频响应图，可以看到交流成分的幅值很小。当输出加了抗干扰电路后，输出的幅频响应如图15-14（b）所示，可以看到高频噪声得到一定程度的抑制。图15-13 波纹电压示

14、意图（a）无抗干扰电路 （b）有抗干扰电路图15-14 抗干扰电路交流分析电路分析完成后，对电路进行仿真得到实验结果见表15-3。表15-3 实验数据温度/01020304050电压/mV0.0495317.94615.84323.7431.63739.534温度/60708090100电压/mV47.43155.32863.22571.12279.01315.3 LabVIEW虚拟仪器设计1数据显示子程序设计将15.2节中表15-3的数据经Matlab多项式拟合后，得式（15-3）： （15-3）反解得到 （15-4）根据式（15-4）可得建立本设计子VI的步骤如下。（1）从开始菜单中运行“

15、National Instruments LabVIEW 8.2”，在“Getting Started”窗口左边的Files控件里，选择Blank VI建立一个新程序。（2）框图程序的绘制：设计的子程序框图如图15-15所示。本设计关于数据的转换采用第三种方法设计程序框图，用这种方法设计的子程序在接口电路设计时不用考虑数据转换。由设计2的方法想到利用For Loop进行两次自动索引，便可以使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。图中Uo为时域信号采集器，它将电压的波形提取出来，再将连续电压值作为VI的输入。时域信号的

16、采集器由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来，否则数据在里层For循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式（15-4）在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出包括电压数显和温度计。（3）定义图标与连接器：双击右上角图标进行编辑后，用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择“Show Connector”，定义连接。建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。连接器输入只有一个，与时域波形采集器相关联，输出有两个，分别与电压数显模块和温度计相关联。完成上述工作后，将设计好的VI保存。

17、下次调用该VI时，图标与端口如图15-16所示。图15-15 子程序框图2接口电路的设计与编译子程序设计好后，需要设计接口电路。本设计中接口电路的设计与编译分以下几个步骤。（1）把Multisim安装目录下Sampling/LabVIEW Instruments/Templates/Input文件夹复制到另外一个地方。（2）在LabVIEW 中打开步骤（1）中所复制的Starter Input Instrument.lvproj工程，如图15-17。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.vit中进行的。 图15-16 子VI图标 图15-17 StarterInp

18、utInstrument .lvproj工程图（3）打开Starter Input Instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的“Update DATA”选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中用鼠标右键选择“Select a VI”，把在LabVIEW完成的子VI添加在“Update DATA”选项中即可。此时只能添加功能，不可修改框图面板的原状，如图15-18所示。由于数据的转换在子VI的设计中已经实现，所以子VI的输入直接与Multisim的输出数据相连即可。为子VI的输出创建指示器，并设置室温T0为“25”。框图面板设计好后，

19、在前面板中还需进一步地调整，并用控制模板下的修饰（Decorations）子模板对界面进行美化。最后保存修改，并重命名为proj3.vit。图15-18 数据处理部分框图（4）注意，虚拟仪器信息的设置也可在Instrument Template下proj3.vit的程序框图里设计，如图15-19所示。打开Multisim Instr Info子程序设置各项，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标志，同时把输入端口数设为“1”，因为只有一个电压输入；把输出端口设为“0”，此模块不需要向Multisim输出。修改后选另存为后把它重命名为proj3_multisimInformation.vi。保存后

20、查看工程文件StarterInputInstrument.lvproj下的SubVIs，它下面的子程序已被修改。图15-19 ID号设置的另一种方法（5）打开Build Specifications，用鼠标右键单击“Source Distribution”，选择属性设置，在保存目录和项目目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj3（.lib）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图15-20所示。属性设置完成并保存后，再在“Source Distribution”上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Build”即可。（6）编译完成后，在Input文件夹下生成一个Buil

21、d文件夹，打开后把里面的文件复制到Electronics WorkbenchEWB9下的lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示所设计的模块。打开热电偶的测温电路，把设计好的显示模块接电路输出，电路调零后得如图15-21所示的在不同温度下的验证结果，可见误差较小。图15-20 属性设置 （a）20 （b）50 （c）70 （d）90图15-21 显示结果15.4将Multisim导入Labview1在Multisim中添加LabVIEW交互接口：这些Multisim中的接口是分级模块(Hierarchic

22、al Block)和子电路(Sub-Circuit)接口(Hierarchical connector)，用来与LabVIEW仿真引擎之间进行数据收发。1）右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择Place on schematic/Hierarchical connector。如图13-32所示。放置一个接口在电路图的左上方，另一个放置在右上方。按照图13-32将电路与接口连接起来。图 15-22 选择交互接口图 15-23 接口电路2）设置接口：打开View菜单下的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，设置针对LabVIEW的输入或者输出。为了将各个接口配置为输入

23、或者输出，在模式设置中选择所需要的选项，然后可以在类型设置中将各个接口设置为电压或者电流输出/输出。最后，如果你想将放置的输入输出接口设置为不同的功能对，你可以选择Negative Connection。将IO1配置为输入，然后将IO2配置为输出。如图15-34所示为设置好的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，图13-35为即将被Labview调用的Multisim design VI preview图标。图15-24设置接口图15-25设置好的Multisim design VI preview2.在Labview中创建一个数字控制器：要在LabVIEW和Mu

24、ltisim之间传送数据，首先需要使用LabVIEW中的控制与仿真循环(Control & Simulation Loop)。这里需要注意的是，Multisim安装包中没有这个模块，需要从 HYPERLINK /labview/cd-sim/zhs/ /labview/cd-sim/zhs/网站下载，然后安装在Multisim的安装路径下。打开Labview的程序框图（后面板），右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulationControl & Simulation Loop。左键点击，并将其拖放到程序框图上。如图15-26所示。图 15

25、-26放置控制与仿真模块2）要修改控制仿真循环的求解算法和时间设置，双击输入节点，打开Configure Simulation Parameters窗口。输入如图15-27的参数；在这些选项中使用本文后面提供参数，可以有效地在LabVIEW的波型图表中显示数据。也可以根据自己的需求改变这些参数。图15-27 节点参数设置3）在VI中添加仿真挂起(Halt Simulation)函数来停止控制仿真循环。右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulationUtilitiesHalt Simulation。左键点击，并将其拖放到程序框图上，然后在布

26、尔输入上右键点击并选择CreateControl。这样就可以在VI的前面板上创建一个布尔控件来控制程序的挂起，来停止仿真VI的运行。如图15-28所示。图15-28添加 Halt Simulation函数3. 放置Multisim Design VIMultisim Design VI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之间通讯的。1）右键点击，打开函数选板，浏览到Control Design & SimulationSimulation External Models Multisim Multisim Design，左键点击，并将其拖放到控制与仿真循环之中，注意，这个VI必须放置

27、到控制仿真循环中。将Multisim Design VI放置到程序框图上以后，会弹出选择一个Multisim设计（Select a Multisim Design）对话框。在对话框中你可以直接输出文件的路径，或者浏览到文件所在的位置来进行指定。如图15-29所示。图15-29放置Multisim design VI previewMultisim Design VI会生成接线端，接线端的形式与Multisim环境中的Multisim Design VI预览一致，具有相对应的输入与输出。如果接线端没有显示出来。左键点击下双箭头，展开接线端。2）调用Labview子VI：在Labview的程序框图中，打开函数选板，选择前面设计好的子VI，放在控件与仿真循环中。如图15-30所示。图15-30 调用子VI3）分别为Multisim Design VI和Labview子VI创建输入和显示控件。右键点击输入接线端，然后选择Create Control来完成创建命令。如图15-31所示。图15-31 创建输入及显示控件4）连接Multisim Design VI和Labview子VI：这里涉及到数据匹配问题，打开Labview的即时帮助，可以看到Labview子VI的输入端需要接入的数据类型。如图15-32所示。图15-32 即时帮助由即时帮助我们知道，Labview子V