基于虚拟仪器的温度测量系统设计.docx
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基于虚拟仪器的温度测量系统设计
本科毕业设计(论文)
基于虚拟仪器的温度测量系统设计
TheDesignofTemperatureMeasurementSystemBasedonVirtualInstrumentTechnology
学院(系):
机电系
专业:
机械设计制造及其自动化
学生姓名:
学号:
指导教师(职称):
评阅教师:
完成日期:
基于虚拟仪器的温度测量系统设计
机械设计制造及其自动化专业
[摘要]:
论文首先简单介绍虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义,给出了虚拟温度测量系统总体方案的设计,然后对数据采集模块和LABVIEW的软件模块进行了设计。
基于LabVIEW为软件平台,通过热电偶冷端补偿的方法进行温度测量。
有效地运用了LabVIEW虚拟仪器技术,将诸多重要步骤都在配备硬件的普通PC电脑上完成,与传统的温度测量仪表相比,该系统具有结构简单、成本低、构建方便、工作可靠等特点.具有较高应用价值,是虚拟仪器技术应用于温度测量领域的一个典型范例。
[关键词]:
温度测量;LabVIEW虚拟仪器;热电偶;冷端补偿
TheDesignofTemperatureMeasurementSystemBasedonVirtualInstrumentTechnology
DesignandmanufactureofmachineryandautomationMajor MAWen-kui
Abstract:
Thevirtualtemperaturemeasurementsystemintroducedinthispapercanachievethemeasurement,thecollection,dataprocessing,recordinganddisplayofmulti-channeltemperature.ItusesLabVIEWassoftwareplatform,bythewayofThermocouplecoldjointcompensating,tocompletetemperaturemeasurement.TheLabVIEWvirtualinstrumenttechnologyisefficientlyusedtocompletemanyimportantprocessesincommonPCcomputerwhichisintegratedofhardwares,Comparedwiththetraditionaltemperaturemeasurementinstrument,thissystemhastheadvantagesofsimplestructure,lowcost,easyoperationandhighstability.
Keywords:
TemperatureMeasurement;LabVIEWVirtualinstrument;Thermocouple;ColdJointCompensating
1绪论
1.1虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义
1.1.1研究背景
虚拟仪器的技术基础是计算机技术,核心是计算机软件技术。
Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,提供了许多仪器面板中的控制对象,如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。
所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台,充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。
与传统仪器相比,它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能,满足多种多样的应用需求。
由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化,任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模,这充分体现了“软件就是仪器”的设计思想。
虚拟仪器最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的Labview(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench即实验室虚拟仪器工作平台)。
Labview使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,提供了许多仪器面板中的控制对象。
如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。
用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。
就是Labview提供了多种强有力的工具箱和函数库,并集成了很多仪器硬件库。
以Labview支持多种操作系统平台,在任何一个平台上开发的Labview应用程序可直接移植到其它平台上。
1.1.2研究的目的及意义
随着现代测试技术的不断发展,以LABVIEW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。
因此如何能将温度测量与LABVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题。
目前的测温控制系统大都使用传统温度测量仪器.其功能大多都是由硬件或固化的软件来实现,而且只能通过厂家定义、设置,其功能和规格一般都是固定的,用户无法随意改变其结构和功能,因此已不能适应现代化监测系统的要求。
随着计算机技术的飞速发展,美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念,彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式,使测控仪器发生了巨大变革。
虚拟仪器技术充分利用计算机的强大运算处理功能,突破传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制,通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据,并使用框图模块指定各种功能。
采用集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一个测温系统,且外围电路简单,易于实现,便于系统硬件维护、功能扩展和软件升级。
1.2论文的设计任务及拟完成的主要工作
1.2.1设计任务
本设计要求创建一个虚拟温度测量分析系统。
在测量一个实际的物理信号时,必须用一个传感器或转换器把物理信号(如温度、压力等非电量信号)转化为电信号(如电压、电流信号),再通过一个数据采集卡(含信号调理电路)对这些电信号进行处理(如滤波、放大、线性化、A/D等),将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号,由虚拟仪器进行计算、分析、显示,并存储结果。
技术要求:
(1)所选传感器和自制的调理电路工作可靠。
(2)能够以图形方式显示信号波形,显示准确,稳定。
(3)能够实现测量数据的存储、回放、超限报警等功能。
(4)测量精度满足系统要求。
(5)界面友好、操作方便。
1.2.2论文完成的主要工作
(1)简单介绍虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义;
(2)虚拟温度测量系统总体方案的设计;
(3)选用或自行设计一个符合系统要求的数据采集卡;
(4)数据采集卡通道的配置;
(5)虚拟温度测量仪器前面版的设计;
(6)虚拟温度测量仪器框图程序的设计;
(7)系统软件调试,可实现采集数据的存储及波形显示。
2虚拟温度测量系统总体方案的设计
2.1虚拟仪器技术与LabVIEW简介
虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术三大核心技术,其中虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。
虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)是突破传统仪器概念的最新一代测量仪器,它利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件,由用户自己定义来完成各种测试、测量和控制的应用。
其本质特征是:
“软件就是仪器”。
它是基于计算机的软硬件测试平台,可代替传统的测量仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集成于自动控制、工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。
虚拟仪器技术具有性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成四大优势,使其成为现代测控技术的发展趋势。
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench实验室虚拟仪器工程平台)是一个程序开发环境。
它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序,而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。
LabVIEW还整合了诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。
内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。
LabVIEW程序被称为虚拟仪器(VIs),是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。
即使用户没有多少编程经验,同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。
2.2总体方案的设计
虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪,使其具有更强大的功能。
系统框架如图所示,仪器系统通过前端感温装置的传感元件,将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号,经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后,变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。
在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号,并在数据采集指令下将其送入计算机总线,在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。
图2-1温度测量系统原理框
3硬件系统设计
3.1温度传感器及调理电路
3.1.1传感器选型
温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切相关。
温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。
在半导体技术的支持下,本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。
与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
温度是测量频度最高的物理参数,并且可采用各种各样的传感器来进行测量。
所有这些传感器均通过检测某种物理特性的变化来推断温度。
温度传感器有四种主要类型:
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触,又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
一般测量精度较高。
在一定的测温范围内,温度计也可测量物体内部的温度分布。
但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。
它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。
在日常生活中人们也常常使用这些温度计。
随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究,测量120K以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。
低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。
利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于测量1.6~300K范围内的温度。
非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表。
这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。
最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。
辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。
各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。
只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。
如欲测定物体的真实温度,则必须进行材料表面发射率的修正。
而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确测量。
在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度,如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。
在这些具体情况下,物体表面发射率的测量是相当困难的。
对于固体表面温度自动测量和控制,可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。
附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。
利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正,最终可得到被测表面的真实温度。
最为典型的附加反射镜是半球反射镜。
球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射,从而提高有效发射系数:
式中ε为材料表面发射率,ρ为反射镜的反射率。
至于气体和液体介质真实温度的辐射测量,则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。
通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。
在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温优点:
测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制。
对于1800℃以上的高温,主要采用非接触测温方法。
随着红外技术的发展,辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展,700℃以下直至常温都已采用,且分辨率很高。
传感器选择主要根据测量范围。
当测量范围预计总量程之内,选用铂电阻传感器。
较窄量程通常要求传感器必须具相当高基本电阻,以便获得足够大电阻变化。
热敏电阻所提供足够大电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄测量范围。
如果测量范围相当大时,热电偶更适用。
最好将冰点也包括此范围内,因热电偶分度表以此温度基准。
已知范围内传感器线性也作选择传感器附加条件。
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一200~1600℃范围内的温度,有些热电偶甚至可测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。
3.1.2热电偶工作原理
热电偶是由两种金属(或合金)材料构成的温度传感器。
热电偶具有热电效应,当两种金属A和B构成闭合回路、并且在两个结点存在温度差时,就会产生温差热电势。
有公式:
e=EAB(T1)-EAB(T0)=k/q(T1-T0)㏑ρA∕ρB
EAB(T1)、EAB(T0)分别为热端(T1)、参考端(T0)的热电势。
习惯上将参考端称作冷端,此端温度即测温仪表所处环境的温度,k为波耳兹曼常数,q是电子电量,ρA﹑ρB依次为金属A、B中自由电子的密度。
显然,当T1>T0时,热电势e为正;T1 为准确测量温度,可将冷端置于冰水混合物中,使之保持在0℃环境下,但这会给测量带来不便;通常采用负温度系数的热敏元件(如热敏电阻)进行补偿。 而利用集成温度传感器不仅可实现热电偶冷端温度的自动补偿,且补偿效果更好。 图3-1热电偶回路电动势 通过将参考结点保持在已知温度上并测量该电压,便可推断出检测结点的温度。 热电偶的优点是工作温度范围非常宽,而且体积极小。 不过,它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺陷。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。 所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。 非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 工业测温用的热电偶,其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。 常用热电偶丝材及其性能: 1、铂铑10-铂热电偶(分度号为S,也称为单铂铑热电偶) 该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金,负极为纯铂;它的特点是: (1)热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃,超达1400℃时,即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶,使晶粒粗大而断裂; (2)精度高,它是在所有热电偶中,准确度等级最高的,通常用作标准或测量较高的温度; (3)使用范围较广,均匀性及互换性好; (4)主要缺点有: 微分热电势较小,因而灵敏度较低;价格较贵,机械强度低,不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。 2、铂铑13-铂热电偶(分度号为R,也称为单铂铑热电偶) 该热电偶的正极为含13%的铂铑合金,负极为纯铂,同S型相比,它的电势率大15%左右,其它性能几乎相同,该种热电偶在日本产业界,作为高温热电偶用得最多,而在中国,则用得较少; 3、铂铑30-铂铑6热电偶(分度号为B,也称为双铂铑热电偶) 该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金,负极为含铑6%的铂铑合金,在室温下,其热电势很小,故在测量时一般不用补偿导线,可忽略冷端温度变化的影响;长期使用温度为1600℃,短期为1800℃,因热电势较小,故需配用灵敏度较高的显示仪表。 B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用,也可以在真空气氛中的短期使用;即使在还原气氛下,其寿命也是R或S型的10~20倍;由于其电极均由铂铑合金制成,故不存在铂铑-铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势,且具有较大的机械强度;同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响较少,因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵(相对于单铂铑而言)。 4、镍铬硅-镍硅热电偶(分度号为N) 该热电偶的主要特点是: 在1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及短期热循环复现性好,耐核辐射及耐低温性能好,另外,在400~1300℃范围内,N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好;但在低温范围内(-200~400℃)的非线性误差较大,同时,材料较硬难于加工。 5、铜-铜镍热电偶(分度号为T) T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜,负极为铜镍合金(也称康铜),其主要特点是: 在贱金属热电偶中,它的准确度最高、热电极的均匀性好;它的使用温度是-200~350℃,因铜热电极易氧化,并且氧化膜易脱落,故在氧化性气氛中使用时,一般不能超过300℃,在-200~300℃范围内,它们灵敏度比较高,铜-康铜热电偶还有一个特点是价格便宜,是常用几种定型产品中最便宜的一种。 6、铁-康铜热电偶(分度号为J) J型热电偶,该热电偶的正极为纯铁,负极为康铜(铜镍合金),具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中,温度范围从-200~800℃,但常用温度只是500℃以下,因为超过这个温度后,铁热电极的氧化速率加快,如采用粗线径的丝材,尚可在高温中使用且有较长的寿命;该热电偶能耐氢气(H2)及一氧化碳(CO)气体腐蚀,但不能在高温(例如500℃)含硫(S)的气氛中使用。 7、镍铬-铜镍(康铜)热电偶(分度号为E) E型热电偶是一种较新的产品,它的正极是镍铬合金,负极是铜镍合金(康铜),其最大特点是在常用的热电偶中,其热电势最大,即灵敏度最高;它的应用范围虽不及K型偶广泛,但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下,常常被选用;使用中的限制条件与K型相同,但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。 除了以上8种常用的热电偶外,作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶,铂铑系热电偶,铱锗系热电偶,铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。 8、镍铬-镍硅(镍铝)热电偶(分度号为K) 该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金,负极为含硅3%的镍硅合金(有些国家的产品负极为纯镍)。 可测量0~1300℃的介质温度,适宜在氧化性及惰性气体中连续使用,短期使用温度为1200℃,长期使用温度为1000℃,其热电势与温度的关系近似线性。 镍铬-镍铝热电偶与镍铬-镍硅热电偶的热电特性几乎一样,但是镍铝合金在高温下容易氧化,稳定性差,而镍硅合金在抗氧化和热电特性的稳定性方面都比镍铝合金要强。 因此我国基本上用镍铬-镍硅热电偶取代了镍铬-镍铝热电偶,国外仍有用镍铬-镍铝热电偶。 表3-1常用热电偶的材料规格和线径使用温度的关系 热电偶分度号 热电极材料 线径与作用温度的关系(℃) 正极 负极 线径(mm) 长期 短期 S 铂铑10 纯铂 Φ0.5 1300 1600 R 铂铑13 纯铂 Φ0.5 1300 1600 B 铂铑30 铂铑6 Φ0.5 1600 1800 K 镍铬 镍硅 Φ1.2 800 1000 Φ2.5 1100 1200 Φ3.2 1200 1300 N 镍铬硅 镍硅 Φ1.2 800 1000 Φ2.5 1100 1200 Φ3.2 1200 1300 E 镍铬 铜镍 Φ1.2 550 650 Φ2.0 650 750 Φ3.2 750 850 T 纯铜 铜镍 Φ1.6 300 350 J 铁 铜镍 Φ2.0 400 500 3Φ.2 500 600 K型也即镍铬-镍硅热电偶,它是一种能测量较高温度的廉价热偶。 由于这种合金具有较好的高温抗氧化性,可适用于氧化性或中性介质中。 它可长期测量1000度的高温,短期可测到1200度。 它不能用于还原性介质中,否则,很快腐蚀,在此情况下只能用于500度以下的测量。 它比S型热偶要便宜很多,它的重复性很好,产生的热电势大,因而灵敏度很高,而且它的线性很好。 虽然其测量精度略低,但完全能满足工业测温要求,所以它是工业上最常用的热电偶。 因此本次设计选用K型热电偶。 3.1.3温度信号隔离器 运算放大器(常简称为“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元。 在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。 由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算,故得名“运算放大器”,此名称一直延续至今。 运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。 随着半导体技术的发展,如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。 运放作为通用性很强的有源器件,它不仅可以用于信号的运算、处理、变换和测量还可以用来产生正弦或非正弦信号。 不仅在模拟电路中得到广泛应用,而且在脉冲数字电路中也得到日益广泛的应用。 因此,它的应用电路品种繁多,为了分析这些电路的原理,必须了解集成运放的基本特性。 现今运放的种类繁多,广泛应用于几乎所有的行业当中。 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。 低温漂型运算放大器就是为此而设计的。 目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。 OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压,极低的失调电压温漂,非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。 可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大,尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。 本次设计使用的OP07主要是用于对信号的隔离,由于前段电路的干扰,可能会造成信号的失真,因此OP07减少了测试电路的干扰,起到隔离的作用,尽量减小量化误差。 图3-2op07外引线排列 3.1.4MC1403低压基准芯片 MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源,国产型号为5G1403和CH1403。 一般用作8~12bit的D/A芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。 输出电压: 2.5V+/-25mV,输入电压范围: 4.5V—40V,输出电流: 10mA 图3-3MC1403引脚排列 3.2热电偶的冷端处理与补偿 AD592是美国A
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