畢業(yè)設計（論文）-基于LabVIEW的熱電偶溫度記錄儀

1、本科生畢業(yè)設計說明書畢業(yè)論文題 目：基于LabVIEW的熱電偶溫度記錄儀學生姓名：學 號：專 業(yè)：測控技術與儀器班 級：測控06-3班指導教師： 摘 要溫度是表征設備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學中進行分析計算的重要參數(shù)，溫度測試及記錄是工業(yè)應用與教學實驗中經(jīng)常遇到的問題。本設計采用基于LabVIEW的熱電偶溫度記錄儀來實現(xiàn)熱電偶溫度記錄。設計分為硬件設計與軟件設計兩局部。硬件主要是由熱電偶溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC機組成，主要實現(xiàn)溫度信號的采集、轉換、處理等功能。采用LabVIEW8.5進行圖形化編程設計了前面板。可以通過用戶登錄界面進入系統(tǒng)，前面板設計包括溫度采集、溫度記錄、溫度查詢?nèi)植?/p>

2、。在程序框圖設計中，編寫了用戶管理、DAQ采集、通道選擇、數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)庫寫入、數(shù)據(jù)庫查詢等子VI，實現(xiàn)了對于四個不同通道的數(shù)據(jù)采集、記錄、實時顯示、報警及查詢等功能。關鍵詞：Lab VIEW；虛擬儀器；溫度；采集；記錄AbstractTemperature 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 in

3、dustrial 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

4、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 te

5、mperature 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 function

6、s.Key words: Lab VIEW; Virtual instrument; temperature; collection; Records目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264805645 摘 要 PAGEREF _Toc264805645 h I HYPERLINK l _Toc264805646 Abstract PAGEREF _Toc264805646 h II HYPERLINK l _Toc264805647 第一章 緒論 PAGEREF _Toc264805647 h 1 HYPERLINK l _Toc264805648 溫度記

7、錄儀的開展歷史及現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc264805648 h 1 HYPERLINK l _Toc264805649 溫度記錄儀分類與應用 PAGEREF _Toc264805649 h 2 HYPERLINK l _Toc264805650 研究背景及意義 PAGEREF _Toc264805650 h 2 HYPERLINK l _Toc264805651 研究背景 PAGEREF _Toc264805651 h 2 HYPERLINK l _Toc264805652 研究意義 PAGEREF _Toc264805652 h 3 HYPERLINK l _Toc264805653

8、虛擬儀器技術 PAGEREF _Toc264805653 h 3 HYPERLINK l _Toc264805654 虛擬儀器的概念 PAGEREF _Toc264805654 h 4 HYPERLINK l _Toc264805655 虛擬儀器的結構 PAGEREF _Toc264805655 h 4 HYPERLINK l _Toc264805656 虛擬儀器的技術優(yōu)勢 PAGEREF _Toc264805656 h 5 HYPERLINK l _Toc264805657 本章小結 PAGEREF _Toc264805657 h 6 HYPERLINK l _Toc264805658 第二

9、章 溫度記錄儀方案比擬與選擇 PAGEREF _Toc264805658 h 8 HYPERLINK l _Toc264805659 有紙溫度記錄儀 PAGEREF _Toc264805659 h 8 HYPERLINK l _Toc264805660 無紙溫度記錄儀 PAGEREF _Toc264805660 h 8 HYPERLINK l _Toc264805661 方案比擬與選擇 PAGEREF _Toc264805661 h 8 HYPERLINK l _Toc264805662 總體方案設計 PAGEREF _Toc264805662 h 9 HYPERLINK l _Toc2648

10、05663 本章小結 PAGEREF _Toc264805663 h 10 HYPERLINK l _Toc264805664 第三章 熱電偶溫度記錄儀硬件設計 PAGEREF _Toc264805664 h 11 HYPERLINK l _Toc264805665 熱電偶型號的選擇 PAGEREF _Toc264805665 h 11 HYPERLINK l _Toc264805666 熱電偶的開展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc264805666 h 11 HYPERLINK l _Toc264805667 3.1.2 熱電偶的開展趨勢 PAGEREF _Toc264805667 h 12

11、HYPERLINK l _Toc264805668 熱電偶冷端溫度補償與線性化處理方法 PAGEREF _Toc264805668 h 13 HYPERLINK l _Toc264805669 熱電偶冷端溫度補償原理 PAGEREF _Toc264805669 h 13 HYPERLINK l _Toc264805670 3.2.2 LT1025的結構和工作原理 PAGEREF _Toc264805670 h 13 HYPERLINK l _Toc264805671 3.2.3 LT1025在K型熱電偶測溫中的應用 PAGEREF _Toc264805671 h 14 HYPERLINK l

12、_Toc264805672 3.2.4 LT1025在S型熱電偶測溫中的應用 PAGEREF _Toc264805672 h 15 HYPERLINK l _Toc264805673 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 PAGEREF _Toc264805673 h 15 HYPERLINK l _Toc264805674 本章小結 PAGEREF _Toc264805674 h 16 HYPERLINK l _Toc264805675 第四章 熱電偶溫度記錄儀軟件設計 PAGEREF _Toc264805675 h 17 HYPERLINK l _Toc264805676 熱電偶溫度記錄儀的軟件設計結構圖 P

13、AGEREF _Toc264805676 h 17 HYPERLINK l _Toc264805677 4.2 軟件前面板設計 PAGEREF _Toc264805677 h 17 HYPERLINK l _Toc264805678 用戶登錄前面板 PAGEREF _Toc264805678 h 17 HYPERLINK l _Toc264805679 溫度采集前面板設計 PAGEREF _Toc264805679 h 18 HYPERLINK l _Toc264805680 溫度記錄前面板設計 PAGEREF _Toc264805680 h 19 HYPERLINK l _Toc264805

14、681 溫度查詢前面板設計 PAGEREF _Toc264805681 h 20 HYPERLINK l _Toc264805682 程序框圖設計 PAGEREF _Toc264805682 h 21 HYPERLINK l _Toc264805683 用戶登錄模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805683 h 22 HYPERLINK l _Toc264805684 通道選擇模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805684 h 24 HYPERLINK l _Toc264805685 溫度采集模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805685 h 24 HYPERLI

15、NK l _Toc264805686 溫度報警模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805686 h 25 HYPERLINK l _Toc264805687 數(shù)據(jù)庫訪問模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805687 h 25 HYPERLINK l _Toc264805689 數(shù)據(jù)庫寫入模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805689 h 26 HYPERLINK l _Toc264805690 數(shù)據(jù)庫查詢模塊程序設計 PAGEREF _Toc264805690 h 27 HYPERLINK l _Toc264805692 4.4 系統(tǒng)程序調(diào)試 PAGEREF _To

16、c264805692 h 28 HYPERLINK l _Toc264805693 本章小結 PAGEREF _Toc264805693 h 30 HYPERLINK l _Toc264805694 第五章 總結 PAGEREF _Toc264805694 h 32 HYPERLINK l _Toc264805695 參考文獻 PAGEREF _Toc264805695 h 33 HYPERLINK l _Toc264805696 附錄 主程序圖 PAGEREF _Toc264805696 h 35 HYPERLINK l _Toc264805698 致謝 PAGEREF _Toc264805

17、698 h 36第一章 緒論溫度記錄儀的開展歷史及現(xiàn)狀溫度記錄儀是測量物體冷熱程度的工業(yè)自動化儀表，一般的溫度測量儀表都有檢測和顯示兩個局部。最早的溫度測量儀表，是意大利人伽利略于1592年創(chuàng)造的。它是一個帶細長頸的大玻璃泡，倒置在一個盛有葡萄酒的容器中，從其中抽出一局部空氣，酒面就上升到細頸內(nèi)。當外界溫度改變時，細頸內(nèi)的酒面因玻璃泡內(nèi)的空氣熱脹冷縮而隨之升降，因而酒面的上下就可以表示溫度的上下，實際上這是一個沒有刻度的指示器。1709年，德國的華倫海特于荷蘭首次創(chuàng)立溫標，隨后他又經(jīng)過多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰點為32度、沸點為212度、中間分為180度的水銀溫度記錄儀，即至今

18、仍沿用的華氏溫度計。1742年，瑞典的攝爾西烏斯制成另一種水銀溫度計，溫濕度記錄儀以水的冰點為100度、沸點作為 0度。到1745年，瑞典的林奈將這兩個固定點顛倒過來，這種溫度計就是至今仍沿用的攝氏溫度計。早在1735年，就有人嘗試利用金屬棒受熱膨脹的原理，制造溫度計，到18世紀末，出現(xiàn)了雙金屬溫度計；1802年，查理斯定律確立之后，氣體溫度計也隨之得到改良和開展，其精確度和測溫范圍都超過了水銀溫度計。1821年，德國的塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應；同年，英國的戴維發(fā)現(xiàn)金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律，這以后就出現(xiàn)了熱電偶溫度計和熱電阻溫度計。1876年，德國的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計。國際現(xiàn)代通用的溫標

19、是1967年第13次國際權度大會通過的 ，1968年國際實用溫標。它以13個純物質的相變點，如氫三相點，即氫的固、液、氣三態(tài)共存點(-25934)；水三相點()和金凝固點()等，作為定義固定點來復現(xiàn)熱力學溫度的1。溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，溫度的微觀概念是大量分子運動平均強的表示。分子運動愈劇烈其溫度表現(xiàn)越高。在工業(yè)過程控制中，溫度也是一個重要的測量參數(shù)。 隨著對生產(chǎn)效率的要求不斷提高，對溫度檢測的要求也越來越高，融合現(xiàn)代檢測技術和控制理論的智能檢測是當今溫度檢測的趨勢，研究和開發(fā)適用場合多樣化、測溫對象多樣

20、化、檢測設備數(shù)字化以及檢測元件新型化的測溫儀表是國內(nèi)外測溫儀表研究的重點。根據(jù)上述要求，國內(nèi)外溫度儀表將向以下幾方面開展:1繼續(xù)生產(chǎn)應用廣泛的傳統(tǒng)溫度檢測元件，如:熱電偶、熱敏電阻等。2加強新原理、新材料、新工藝的開發(fā)，如近來已開發(fā)的炭化硅薄膜熱敏電阻溫度檢測器，厚膜、薄膜鉑電阻溫度檢測器，硅單晶熱敏電阻溫度檢測器等。3向智能化、集成化方向開展，新產(chǎn)品不僅要具有檢測功能，又要具有判斷和指令等多功能，采用微機向智能化方向開展2。溫度記錄儀分類與應用溫度記錄儀分類：按記錄媒介分：有紙溫度記錄儀、無紙溫度記錄儀；其中有紙溫度記錄儀又分為：長圖溫度記錄儀、圓圖溫度記錄儀。按通道分：單通道溫度記錄儀、雙

21、通道溫度記錄儀、多通道溫度記錄儀。早期的溫度記錄儀都是有紙類型的，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增；近幾年推出的帶 USB接口的無紙記錄儀更是極大地方便了數(shù)據(jù)的下載和保存。但是由于在某些場合目前有關規(guī)定必須使用有紙溫度記錄儀，比方：醫(yī)療上用的高溫殺菌鍋、低溫冷藏、用于出口的食品生產(chǎn)等；以及有紙溫度記錄儀無需電腦知識而適應于一些低知識水準員工操作的管理和控制，有紙溫度記錄儀一時還無法被無紙記錄儀完全替代3。研究背景及意義隨著現(xiàn)代測試技術的不斷開展，以LabVIEW (Laboratory Vir

22、tual Instrument Engineering Workbench ) 為軟件平臺虛擬儀器測量技術正在現(xiàn)代測控領域占據(jù)越來越重要的位置。在熱電偶溫度記錄工作中，應用虛擬儀器技術可以提高工作效率，節(jié)約本錢和提高準確性。因此如何能將熱電偶溫度測量記錄及其技術有效的與LabVIEW虛擬儀器相結合就成了溫度測試領域的一個新課題，對測控技術的開展具有相當積極的意義。研究背景溫度是表征設備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學中進行分析計算的重要參數(shù)，溫度測試及記錄是工業(yè)應用與教學實驗中經(jīng)常遇到的問題。早期的溫度記錄儀都是有紙類型的，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、

23、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增；近兩年推出的帶USB接口的無紙記錄儀更是極大的方便了數(shù)據(jù)的下載和保存4。然而由于在某些場合目前有關規(guī)定必須使用有紙溫度記錄儀，比方：醫(yī)療上用的高溫殺菌鍋、低溫冷藏、用于出口的食品生產(chǎn)等；以及有紙溫度記錄儀無須電腦知識而適用于一些低知識水準員工操作場合的管理和控制，因此有紙溫度記錄儀一時還無法被無紙記錄儀完全替代。進入21世紀以來， 作為測試技術的一個分支， 虛擬儀器的開發(fā)和研制在國內(nèi)得到了飛速的開展。虛擬儀器是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板， 以多種形式表達輸出檢測結果， 利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運

24、算、分析、處理，并利用I/O接口設備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的計算機儀器系統(tǒng)。研究意義隨著現(xiàn)代控制技術的開展，在工業(yè)控制領域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集，例如在發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工領域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的局部。目前，溫度測量主要采用玻璃液體溫度計，人工觀測。這種測量方式，一方面給偏遠地區(qū)的觀測人員帶來諸多不便；另一方面，測量精度受人為因素影響，測量誤差大。因此，有必要采用效率和自動化水平更高的新的測量手段。在農(nóng)業(yè)方面，溫度的變化影響作物的發(fā)芽、幼苗的成長、作物的開花、果實的成熟，等等。對于不同的作物，其適宜的生長溫度總是在一個

25、范圍。超過這個范圍，作物或許會成活，但是其生長的規(guī)律將發(fā)生明顯的變化，這對于作物能夠優(yōu)質、高產(chǎn)的目標相距甚遠，因此， 實時獲取作物生長的環(huán)境溫度，對超過作物生長適宜范圍的溫度能夠報警非常重要。同時，作物的適宜溫度范圍可以由檢測人員根據(jù)實際情況加以改變。以LabVIEW 為代表的圖形化語言，又稱為G語言。使用這種語言編程的時候，根本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制程序流程圖。利用LabVIEW，可以產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器的概念，將計算機資源、儀器測/控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進行有效結合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能

26、和結構，設計用戶自己的儀器5。所以，在熱電偶溫度記錄工作中，應用虛擬儀器技術可以提高工作效率，節(jié)約本錢和提高準確性。因此如何能將熱電偶溫度測量記錄及其技術有效的與LabVIEW虛擬儀器相結合就成了溫度測試領域的一個新課題，對測控技術的開展具有相當積極的意義。虛擬儀器技術隨著計算機技術、通信技術、微電子技術的高速開展，儀器測量技術也開始由傳統(tǒng)儀器向計算機化方向邁進。20世紀80年代中期，美國國家儀器公司National Instrument簡稱NI首先提出了“軟件就是儀器這一虛擬儀器簡稱概念，并隨之推出第一批實用成果。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限

27、制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開辟了測控技術的新紀元。 虛擬儀器的概念所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計等同常規(guī)儀器的各種功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術強調(diào)軟件在測控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測試硬件平臺的重要性。虛擬儀器測控系統(tǒng)通過信號采集設備和調(diào)理設備將計算機硬件和被測量硬件連接起來，再通過軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在

28、一起，大大縮小了儀器硬件的本錢和體積，并通過軟件來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理6。1.4.2虛擬儀器的結構虛擬儀器由硬件和軟件兩局部組成。虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，通常是個人計算機，也可以是任何通用電子計算機。為計算機配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號調(diào)理器、模擬/數(shù)字轉換器(ADC)、數(shù)字/模擬轉換器(DAC)、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)等。電子計算機及其配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的根底。虛擬儀器還可以選配開發(fā)廠家提供的系統(tǒng)硬件模塊，組成更為完善的硬件平臺。按照測控功能硬件的不同，VI可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準體系結構。1GPIB

29、General purpose Interface Bus通用接口總線，是計算機和儀器間的標準通訊協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己納入國際工業(yè)標準IEEE488.1和IEEE 488.2。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊GPIB接口卡和假設干臺GPIB儀器。GPIB儀器覆蓋了從比擬廉價的到非常昂貴的儀器。但是GPIB的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于500kb/s，不大適合于對系統(tǒng)速度要求較高的應用。2VXIVME busExtensionforinstrumentation即VME總線在儀器領域的擴展，是1987年

30、在VME總線、Euro card標準(機械結構標準)和IEEE 488等標準的根底上，由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標準。VXI系統(tǒng)最多可包含256個裝置，主要由主機箱、“0槽控制器、具有多種功能的模塊儀器、驅動軟件和系統(tǒng)應用軟件等組成。系統(tǒng)中各功能模塊可隨意更換，即插即用，可隨意組成新系統(tǒng)。VXI的價格相對較高，適合于尖端的測試領域。3PXI PCI extension for InstrumentationPCI在儀器領域的擴展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線標準。其核心是Compact PCI結構和Microsoft Windows軟件。4DAQ D

31、ata Acquisition數(shù)據(jù)采集，指的是基于計算機標準總線如ISA、PCI、PC/104等的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計算機的儀器Computer-Based Instruments，實現(xiàn)“一機多型和“一機多用 6。虛擬儀器的技術優(yōu)勢虛擬儀器的國內(nèi)外開展呈現(xiàn)兩條主線：一是GPIBVXIPXI總線方式,二是PC插卡式LPT并行口式串口USB方式IEEE標準的1394口方式。美國NI公司開發(fā)的LabVIEW和中國COINV開發(fā)的DASP虛擬儀器平臺是國內(nèi)外具有代表性的兩個平臺，其軟件各有特點，互相不能替代、功

32、能互補。LabVIEW平臺是一個在國內(nèi)外具有相當影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺，它對于一般儀器的開發(fā)商、學校儀器制造專業(yè)的教學以及一些特殊的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對大量的一般直接用戶即只想用虛擬儀器馬上直接測試分析試驗結果的用戶，有不方便的地方，也有局限性。DASP平臺它是直接面向最終用戶的虛擬儀器庫，直接可以使用，不需要再進行編程加工，用起來非常的快捷方便，精度又很高，用戶拿起來就可直接使用，但對于專業(yè)儀器開發(fā)商或者儀器行業(yè)自己需開發(fā)虛擬儀器的用戶，有一定的局限性。和常規(guī)儀器技術相比，NI虛擬儀器技術有四大優(yōu)勢7：1性能高虛擬儀器技

33、術是在PC技術的根底上開展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷開展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。2擴展性強NI的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再受硬件儀器的限制。這些都得益于NI軟件的靈活性，我們要做的只是更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改良自己的系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，還可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的本錢加速產(chǎn)品的設計時間。3開發(fā)時間少在驅動和應用兩個層面上，NI

34、高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)立、發(fā)布、維護和修改高性能、低本錢的測量和控制解決方案。4無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要消耗大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的IO設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。溫度是表征設備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學中進行分析計算的重要參數(shù)，

35、溫度采集及記錄是工業(yè)應用與教學實驗中經(jīng)常遇到的問題。為了解決上述這些問題，早期儀器儀表的開發(fā)者采用了有紙記錄儀，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增。進入21世紀以來，隨著計算機技術、通信技術、微電子技術的高速開展，儀器測量技術也開始由傳統(tǒng)儀器向計算機化方向邁進。和常規(guī)儀器技術相比，虛擬儀器技術有四大優(yōu)勢：性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、無縫集成。例如利用LabVIEW，可以產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器的概念，將計算機資源、儀器測/控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進

36、行有效結合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能、結構，設計用戶自己的儀器。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開辟了測控技術的新紀元。因此在熱電偶溫度記錄工作中，如何能將熱電偶溫度采集記錄技術有效的與LabVIEW虛擬儀器相結合就成了溫度采集及記錄領域的一個新課題，對測控技術的開展具有相當積極的意義。第二章 溫度記錄儀方案比擬與選擇有紙溫度記錄儀有紙記錄儀以獨特的熱打印記錄方式和先進的微處理器控制技術，實現(xiàn)了無與倫比的高記錄清晰度、高精度、高可靠性、多功能且便于操作?？蛇B續(xù)記錄和數(shù)

37、字打印。該儀表的每個通道均可直接選擇接收多種熱電偶、熱電阻、電壓和電流信號，并可對被測信號進行數(shù)字顯示及進行趨勢記錄和數(shù)字記錄，能在本身打印的100mm寬的紙格上同時記錄刻度值、時間及每一個信號的曲線，并將通道號印在各通道的軌跡旁?？赏ㄟ^鍵盤設定測量信號種類、小數(shù)點位置、顯示范圍、記錄邊界、報警值、回差、系統(tǒng)誤差的校正、記錄標尺、數(shù)據(jù)打印間隔、走紙速度、打印深度及時間等參數(shù)，并對所設參數(shù)加以保護。廣泛應用于醫(yī)藥、石油、化工、冶金、電力等行業(yè)及科研單位。STR1000有紙記錄儀具有以下顯著特點：高可靠性 、支持網(wǎng)絡功能、強大的運算功能、多樣的顯示功能、友好的人機界面，操作更簡便、豐富的報警功能、

38、豐富的記錄和打印功能、高可靠性、采用完全隔離技術8。無紙溫度記錄儀熱電偶測溫儀的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器AD590、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及PC四局部組成，系統(tǒng)結構如圖2.1。圖熱電偶測溫系統(tǒng)結構框圖熱電偶采集被測溫度信號并將其轉化為電壓信號，經(jīng)儀表放大器放大，濾波電路濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，轉換為數(shù)字信號傳給PC。集成溫度傳感器AD590測量實時環(huán)境溫度實現(xiàn)冷端溫度補償。AD590是由美國模擬器件公司AD生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器的特點，測量誤差小、采用二次查表法加線性插值實現(xiàn)溫度的測量與顯示9。方案比擬與選擇早期的溫度記錄儀都是有紙類型的，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙

39、溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增。虛擬儀器的設計中，硬件要求很低，本錢低廉，程序為圖形化語言，編程容易。這樣，在儀器儀表的設計中，就可以省不少開發(fā)時間和不必要的浪費。除此之外，基于虛擬儀器的溫度記錄儀的設計中，用戶還可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能，設計出符合自己要求的儀器儀表來。這樣的虛擬儀器開發(fā)周期短，效率高。綜上所述，本設計采用LabVIEW來實現(xiàn)熱電偶溫度的記錄?？傮w方案設計在工業(yè)過程控制中，溫度是一個重要的測量參數(shù)，而熱電偶具有準確度高、測溫范圍廣和本錢低廉等優(yōu)點，使其成為工業(yè)應用中溫度測量的首選。本設計針對傳統(tǒng)熱

40、電偶非線性和冷端溫度補償方法的缺乏，為準確測量溫度，將傳統(tǒng)的熱電偶測溫技術與LabVIEW相結合起來，通過計算機運行LabVIEW 程序來分析處理輸入數(shù)據(jù)，最終由計算機顯示結果。利用LabVIEW實現(xiàn)了非線性和冷端溫度的高精度實時補償。熱電偶對現(xiàn)場溫度的測量、信號的調(diào)理到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理，最后到執(zhí)行機構構成了一個完整的溫度測量與控制系統(tǒng)。應用了軟件的特點直接進行溫度的測量。硬件中只需要把熱電偶的兩個接線端口接到數(shù)據(jù)采集卡上就行。運行程序，就可以得出實際的溫度。系統(tǒng)根本原理圖如圖2.2所示。圖熱電偶溫度記錄儀系統(tǒng)原理圖溫度由熱電偶從熱端進行采集，經(jīng)過信號處理后，將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡。

41、用基于LT1025的信號調(diào)理電路實現(xiàn)冷端溫度補償與線性化處理。LT1025是美國LINEAR公司生產(chǎn)的低功耗熱電偶冷端補償專用集成芯片，它既可用于E、J、K、R、S 和T型熱電偶的冷端補償，又可構成攝氏溫度計，還可用于溫度補償網(wǎng)絡中。其溫度補償準確度高達 。內(nèi)部自帶特殊的非線性校正電路，以確保在整個溫度測量范圍內(nèi)LT1025都具有較高的補償準確度。LT1025是專用的熱電偶冷端溫度補償集成電路芯片，內(nèi)部自帶特殊的非線性校正電路，在070補償范圍內(nèi)具有很高的溫度補償準確度，其補償絕對誤差小于；該芯片的補償輸出信號為低阻抗，且獨立于供電電壓；它可和各種熱電偶配套使用，所構成的測溫系統(tǒng)結構簡單、本錢

42、低廉、不需要調(diào)節(jié)，可廣泛應用于電子測量、工業(yè)儀表等領域的溫度測量。本系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，即應用虛擬儀器PC_DAQ系統(tǒng)。PC_DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。采用PCI計算機本身的總線，故將數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)插入計算機的空槽中即可。PCI6221是一種低廉的M系列數(shù)據(jù)采集卡，在計算機上使用的板卡。它可以采集模擬信號，數(shù)字信號，擁有定時器的功能，同時還具有模擬輸出的功能，該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制功能。 溫度記錄儀分為有紙記錄儀和無紙記錄儀，早期的溫度記錄儀都是有紙類型的，隨著計算機的普及和廣泛應用，

43、無紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增。本設計采用基于LabVIEW的熱電偶溫度記錄儀，在熱電偶溫度記錄儀的設計中運用到了基于LT1025的測溫電路與PCI6221數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)的采集。第三章 熱電偶溫度記錄儀硬件設計熱電偶型號的選擇工藝上比擬成熟是標準化熱電偶，其能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛而且具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會IEC共推薦了8種標準化熱電偶，標準化熱電偶的名稱，分度號，測量范圍，精確度等級及允許偏差如表3.1所示。表3.1標

44、準化熱電偶分度表10 熱電偶名稱分度號熱電偶識別E(100,0)mV測溫范圍對分度表允許偏差新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白硬013001600 = 3 * ROMAN III600負亮白軟6000.25%t鉑銠13-鉑R正較硬013001600 = 2 * ROMAN II11000.25%t鉑銠30-鉑B正較硬016001800 = 3 * ROMAN III6009004負稍軟8000.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁012001300 = 2 * ROMAN II-401300負稍親磁 = 3 * ROMAN III-200-40鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁-20012001

45、300 = 1 * ROMAN I-401100負稍親磁 = 2 * ROMAN II-401300鎳鉻-康銅E正暗綠-200760850 = 2 * ROMAN II40900負亮黃 = 3 * ROMAN III-20040銅-康銅T正紅色-200350400 = 2 * ROMAN II-403501負銀白色 = 3 * ROMAN III-200401鐵-康銅J正親磁-200600750 = 2 * ROMAN II-40750負不親磁本設計選用比擬常用的S型熱電偶與K型熱電偶，S型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點； K型熱電偶的測溫范圍寬、線性度好、熱電動勢

46、較大、靈敏度高、抗氧化能力較強，在氧化和復原氣氛中輸出熱電勢都比擬穩(wěn)定。熱電偶的開展現(xiàn)狀熱電偶由兩種不同金屬或合金組成閉合回路。它們的一端通常焊接在一起形成接點，稱為測量端(工作端或熱端)。而另一端置于被測溫場中其參考端恒定在某一溫度下(通常為0)，然后通過連接導線與測量儀表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶中就有電動勢產(chǎn)生用測量儀表測得電動勢的數(shù)值后，便可間接知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度。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-2001600范圍

47、內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測量2000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(tǒng)、有效的方法，廣闊技術工作人員在實際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗11。然而廣泛應用于工業(yè)和科研中的熱電偶傳感器。由于受到測量環(huán)境、介質氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護套管材料玷污等情況的影響，使用一段時間后，其熱電特性會發(fā)生變化。當熱電特性變化超過規(guī)定的范圍時，熱電偶指示的溫度便會失真，測溫誤差越來越大12。除此之外由于熱電偶熱電勢和溫度之間的非線性以及冷端溫度的不穩(wěn)定，影響了測溫精度。傳統(tǒng)的冷端及非線性補償方法主要有以下兩種:一是基于硬件的補償，但補償電路復雜，本

48、錢較高，精度不夠；二是基于軟件的補償，通過微機進行擬合或插值實現(xiàn)修正，普通的軟件補償對工作人員編程能力要求較高，計算量大，實時性不是很好。因此，傳統(tǒng)補償方法在很多場合已經(jīng)不能適應現(xiàn)代測溫的要求13。3.1.2 熱電偶的開展趨勢國內(nèi)外的許多研究機構和制造商,根據(jù)工業(yè)過程自動化的檢測和控制要求,不斷設計和制造出許多新的熱電偶、熱電阻,目前的開展趨勢大致如下。1產(chǎn)品結構鎧裝化鎧裝熱電偶與熱電阻具有壽命長、可彎曲、熱響應時間小、耐震動等的優(yōu)點,倍受用戶的青睞。它也將逐步地代替過去用絕緣瓷珠穿絲的裝配結構型式。2產(chǎn)品結構安裝套管化由于熱電偶與熱電阻檢測元件實現(xiàn)了鎧裝化,因此可以做到整機與套管別離成兩局部

49、,用戶可以預先將套管安裝在工業(yè)過程設備上,熱電偶或熱電阻可以在不停機情況下安裝或拆卸,設備中的介質不會泄漏,既可靠又平安。3檢測、信號轉換和現(xiàn)場顯示一體化隨著電子產(chǎn)品小型化,原來作為直流420mA或15V標準信號傳輸?shù)臒犭娕蓟驘犭娮柘盗械臏囟茸兯推?實際上應該叫信號轉換器)也已小型化,可以安裝在現(xiàn)場的熱電偶或熱電阻接線盒內(nèi)與熱電偶或熱電阻成為一體。對于熱電偶來說只需用兩根普通導線連接而不必使用較為昂貴的補償導線；對于熱電阻來說不必再使用三根導線檢測。信號轉換和顯示成為一體的帶轉換器和帶顯示的熱電偶與熱電阻那么可滿足現(xiàn)場顯示需要14。近年來,現(xiàn)場總線已廣泛應用于許多自動化控制領域,帶智能型轉換器

50、的熱電偶與熱電阻也已面世。它采用二線制420mA或數(shù)字化輸出,通過手持終端操作器接在420mA任意位置,實現(xiàn)數(shù)字信號通訊的現(xiàn)場或遠距離重調(diào)。它還具有PID的控制功能。在這種情況下,420mA作為控制輸出,過程變量是測量的溫度值,設置那么可由操作者直接或使用一個可組態(tài)的設置操作器來調(diào)整,其輸出信號可接到執(zhí)行單元；同時信號的數(shù)字局部提供過程變量、輸出、設置和其他轉換參數(shù)或PID參數(shù)。熱電偶冷端溫度補償與線性化處理方法本設計用LT1025來實現(xiàn)冷端溫度補償，由于LT1025內(nèi)部自帶特殊的非線性校正電路，本設計LT1025實現(xiàn)線性化處理。LT1025是美國LINEAR公司生產(chǎn)的低功耗熱電偶冷端補償專用

51、集成芯片，它既可用于E、J、K、R、S 和T型熱電偶的冷端補償，又可構成攝氏溫度計，還可用于溫度補償網(wǎng)絡中。其溫度補償準確度高達 。熱電偶冷端溫度補償原理在熱電偶冷熱端電勢關系中，有如下公式：EABt,0=EABt,t0+EABt0,0其中，t為實測溫度； t0為冷端溫度； EABt,0為冷端溫度為0時，熱電偶電勢輸出；EABt,t0為冷端溫度為t0時，熱電偶電勢輸出；EABt0,0為冷端補償電勢。上式中EABt,t0可以直接從熱電偶輸出中檢測到，只要獲取冷端溫度t0，就可以由分度表換算出EABt0,0,進而求出EABt,0。完成了冷端電勢補償，并通過分度表可換算出實測溫度t15。 LT102

52、5的結構和工作原理LT1025的內(nèi)部結構框圖如圖3.1所示。它主要由溫度傳感器、非線性校正電路，即弓形校正電壓、緩沖器以及精密電阻分壓器組成。LT1025的供電電壓為:436V，典型供電電流為80A。當供電電壓低于10V 時，其芯片內(nèi)部功耗引起的溫升小于0.1緩沖器的作用是提高輸出能力，輸出為低阻抗，且獨立于供電電壓。緩沖器的輸出分為兩路：一路以10mV/直接從端口輸出;另一路通過精密電阻分壓器輸出，用于和不同型號的熱電偶相配。LT1025的工作溫度范圍為070。圖3.1 LT1025的內(nèi)部結構框圖16在寬溫度范圍內(nèi)，U由于熱電偶的斜率會變化，從而產(chǎn)生相對于固定斜率的準拋物線式測溫誤差。為消除

53、該項影響，在LT1025 中專門設計了一個非線性校正電路，其原理如下：U=t+(T-25)2式中：系數(shù). 單位為mV/ 修正系數(shù). 單位為 mV/2UmV T被測對象的溫度. 單位為式中第一項為相對于0 的線性項，第二項為相對于室溫的偏差二次非線性修正項，其實質為拋物線方程。在0510-410-410-410-310-3 (S)、110-3 (T)。當直接輸出10 mV/10-4。在測溫要求不高時，各熱電偶的修正系數(shù)可近似認為10-4。這樣的電路結構使得LT1025在一個很寬的溫度范圍內(nèi)均保持足夠高的補償準確度，其補償誤差控制面板管理工具數(shù)據(jù)源ODBC，建立一個新的系統(tǒng)DSN并將名稱填寫到上面

54、系統(tǒng)DNS名對話框內(nèi)：選擇AddMicrosoft Access Driver (*.mdb)，數(shù)據(jù)源名稱為math，數(shù)據(jù)庫選擇math.mdb。點擊OK完成設置。設置完成之后就可以在溫度查詢前面板中查詢用戶需要的溫度數(shù)據(jù)信息。程序框圖設計LabVIEW的源程序為框圖式的，且提供了非常豐富的庫函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，從信號產(chǎn)生到信號處理，從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示，從文件讀寫到網(wǎng)絡通信，多種多樣，大大提高了用戶編程的效率，減輕了編程工作量。在本設計中，采用模塊化設計，并由用戶登錄、數(shù)據(jù)庫訪問、通道選擇、數(shù)據(jù)采集、線性化、溫度報警、數(shù)據(jù)庫寫入和數(shù)據(jù)庫查詢模塊組成了虛擬熱電偶溫度記錄儀的整個程序。在

55、程序框圖中，各功能實現(xiàn)也都比擬簡單，在程序開發(fā)環(huán)境界面上點擊鼠標右鍵在函數(shù)中都可以找到想要的模塊。由于設計中表達了四通道的設計思路，有很多程序是重復的，所以我把局部程序編輯成為了子VI，在程序中反復調(diào)用。具體方法和源程序代碼將在下文做詳細介紹。用戶登錄模塊程序設計為了實現(xiàn)對軟件程序和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的有效保護，設計了用戶登錄模塊。模塊的作用可以使軟件的前面板在不登錄的情況下隱藏在選項卡，在登錄的前提下就可以自動跳轉到軟件的操作界面。在登錄后還可以對對用戶進行用戶添加，密碼修改等管理。用戶登錄程序設計思路如圖4.6所示。圖4.6用戶登錄圖4.6中采用了用戶登錄子VI即user login圖標，當用戶名

56、輸入的時候程序先通過數(shù)據(jù)庫訪問子VI檢查數(shù)據(jù)庫里的用戶數(shù)據(jù)是否為空，假設為空，將一個真值送入條件結構，在條件結構中通過數(shù)據(jù)庫訪問子VI將一個用戶名為Admin，密碼為123456的數(shù)據(jù)寫入到對應的數(shù)據(jù)庫，并通過單按鈕對話框提示用戶相關信息。倘假設數(shù)據(jù)庫里的用戶數(shù)據(jù)不為空，就將一個假值送入條件結構，在條件結構中通過數(shù)據(jù)庫查詢子VI查詢數(shù)據(jù)庫對應用戶下的密碼，并與輸入的密碼進行比對，如果相等用戶登錄成功，不相等那么通過單按鈕對話框提示用戶密碼出錯。當用戶名與密碼一致的時候，用戶登錄子VI向條件結構送入一個真，此時將名字為數(shù)據(jù)顯示2的選項板翻開，并允許使用用戶管理，添加用戶和修改密碼。倘假設用戶登錄

57、子VI向條件結構送一個假，事件結構停止運行。為了密碼的平安，需要修改用戶的密碼，此局部的設計思路如圖4.7所示。圖4.7密碼修改如上圖，設計使用了user new pw 子VI實現(xiàn)對密碼的修改。在這個子VI中將第一對話框里的密碼通過數(shù)據(jù)庫訪問子VI寫入到數(shù)據(jù)庫中對應用戶的密碼字段內(nèi)，覆蓋原密碼。這是在第二對話框里的密碼與第一對話框密碼一致的情況下寫入條件結構真的的時候只執(zhí)行的。但是如果兩個對話框輸入的不一致，那么返回一個假，條件結構那么通過單按鈕對話框提示用戶密碼不正確。為了更多用戶對程序的需求，可以在登錄的狀態(tài)下添加新用戶。此局部設計思路如圖4.8所示。圖用戶管理通道選擇模塊程序設計在設計中

58、考慮到，四個通道的數(shù)據(jù)采集需要對每個同通道的開閉進行操作。于是，在PCI6221板卡的16個輸入通道中選擇了前四個，即ai0ai3，對應的物理通道current physical Channel(s)分別是：Dev1/ai0、Dev1/ai1、 Dev1/ai2、Dev1/ai3進行操作。具體程序如圖4.9所示。圖通道選擇模塊通道選擇模塊的設計為了更好的在編寫程序中的使用，同樣將程序編輯成為了子VI。圖4.9即為通道選擇子VI模塊的程序，其主要使用了編程當中的條件結構。布爾數(shù)組轉化成數(shù)值輸入條件結構，與條件結構中的選擇一一對應，即通道1對應Dev1/ai0，通道2對應Dev1/ai1通道3對應

59、Dev1/ai2，通道4對應Dev1/ai3，這個時候，通道選擇模塊完成對通道物理地址的選擇，與通道開關一一對應起來。溫度采集模塊程序設計虛擬熱電偶溫度記錄儀設計中，要對四個個通道的數(shù)據(jù)進行記錄、報警、查詢的前提是對數(shù)據(jù)的采集。在前面的通道的選擇模塊實現(xiàn)其功能之后，再將選擇到的對應通道的數(shù)據(jù)進行采集，就是目前設計的目的。數(shù)據(jù)的采集模塊使用很普遍，在很多的相關資料中都可以見到該模塊的設計方案，溫度采集子VI (DAQ采集.VI) 模塊的程序如圖4.10所示。圖溫度采集模塊正如上圖所示，將通道選擇模塊的輸出的物理通道地址送進DAQmx Create Virtual Channel模塊DAQ創(chuàng)立虛擬

60、通道模塊的physical channels 并將單位設置為伏特Volts最大值設置為10V，最小設置為-10V。將輸出送進DAQmx Timing模塊DAQmx定時模塊再將數(shù)據(jù)輸入DAQmx Configure Input Buffer模塊DAQmx設定輸入緩沖器模塊大小設定為50000。然后再將數(shù)據(jù)送入DAQmx Start Task模塊DAQmx開始工作模塊完成數(shù)據(jù)的采集。溫度報警模塊程序設計為了實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度實時記錄及報警設計了以下程序，如圖。圖報警模塊正如上圖所示，將動態(tài)數(shù)據(jù)轉換為數(shù)組，此時溫度波形數(shù)據(jù)已經(jīng)數(shù)據(jù)化，為了對數(shù)組中的每一個數(shù)據(jù)進行溫度上限和下限比擬判斷是否超出設定值，是否