基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的设计与实现本科毕业设计论文.docx
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基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的设计与实现本科毕业设计论文
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基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的设计与实现
摘要
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,温度测试是教学实验与工业生产中经常遇到的问题。
传统的温度测试仪器往往需要大量的手工操作与计算,且存在体积较大、功能单一、不可扩展等缺点。
本设计针对传统仪器的上述缺陷,采用美国NI公司开发的图形化编程语言LabVIEW设计开发了一种基于虚拟仪器的热电偶温度巡检仪。
热电偶温度信号经调理电路进行相应的处理后,通过数据采集卡PCI-6221送入计算机。
本设计完成了基于LabVIEW的热电偶温度巡检仪的前面板及相应程序框图的设计,可以巡回检测4路K型热电偶温度信号。
由前面板可以设置温度测量范围、温度报警上下限、冷端温度等参数,并可以实时显示温度数值及曲线,当温度超限时给出报警提示。
整个测量过程自动进行,不需要人工参与,不仅简化了操作步骤,提高了测量精度,而且系统功能可根据具体需要随时更改或扩展,与传统仪器相比具有更广阔的应用前景。
关键词:
热电偶;巡检仪;虚拟仪器;LabVIEW;数据采集卡
DesignandImplementationofThermocoupleTemperature
CyclingMeasureInstrumentBasedonLabVIEW
Abstract
Temperatureisanimportantphysicalmeasurethatusedtocharacterizeequipmentstate,butalsoanimportantparameterofanalysisintheheattransfer,temperaturetestingisaproblemthatoftenencounteredinteachingexperimentandindustrialproduction.Becausethetraditionaltemperaturetestinginstrumentoftenrequireslotsofmanualoperationandcalculation,andthereexistssomeshortcomings,suchastherelativelylargesize,asinglefunction,un-expansion.
Accordingtotheshortcomingsofthetraditionalinstrumentabove,thedesignworksoutanddevelopsakindofthermocoupletemperaturecyclingmeasureinstrumentbasedonvirtualinstrumentsusingthefigurelizeprogramablelanguageLabVIEWthatdevelopedbyNIcorporationinUSA.ThesignalofthermocoupletemperatureissettothecomputerthroughthedataacquisitionadapterPCI-6221aftersomecorrespondingprocessthroughthesignalopsonincircuit.ThedesigncompletesthePC-baseddesignandcorrespondingprogramframeofthethermocoupletemperaturecyclingmeasureinstrumentbasedLABVIEW,whichcancyclelymeasuretheKtypethermocoupletemperaturesignalon4roads.throughthePC-basedcansettheparametersofmeasuredtemperaturerange、theuptobottomlimitofalarmingtemperature、thecoldtiptemperatureetcandshowthetemperaturevalueandlinereal-timely,whichcangivethealarmingcuewhenthetemperatureisoutofthelimitedrange.Thewholemeasureprocesscanproceedautomaticallywithoutthemanpowerparticipation,whichsimplifiestheoperationofsteps,improvethemeasurementaccuracy,andsystemfunctionscanchangeorexpansionaccordingtospecificneedsatanytime,ithasmorebroadappliedprospectscomparedwiththetraditionalinstument.
Keywords:
thermocouple,cyclingmeasureinstrument,virtualinstruments,LabVIEW,dataacquisitonadapter
第一章引言
一.1研究背景
科学上的重大发现,往往是由于新的观测手段的发现而获得的。
从今天进入信息时代来看,仪器仪表是实现信息的获取、转化、存取、处理和揭示物质活动规律的必要工具,也是新技术革命的一项重要内容。
在现代化建设中,由于仪器仪表对产品质量所能起到的重要监测作用,导致了人们对其在技术上有着高层次的要求,因而仪器仪表工业是促进国民经济各部门技术进步,提高劳动生产率和社会经济效益,开发与节约能源和材料的先导工业。
同时,在仪器仪表专业中,计量学是必不可少的技术基础,而在计量测试科学领域中,温度的计量与测试又是一个很重要的方面。
温度是一个基本的物理量,它与其他许多物理参数都有着密切的关系,因而在工农业生产、科学研究领域和日常生活当中,都离不开温度的准确测量和精密控制。
国内外仪器仪表工业中最常用的一种测温元件(或称温度传感器)就是热电偶。
任何测量与控制都离不开仪器仪表,传统的测量仪器模式为:
独立的机箱;有面板操作按键和旋钮;有信号的输入与输出端口;有测量结果的显示方式—指针、表头或数码管窗口等。
传统仪器以专一、固化的形式存在,测量功能及应用范围只能由生产厂家定义、制造。
一旦定型,多年技术老套,功能更新缓慢。
80年代后期,国外提出了一种全新的仪器仪表概念—虚拟仪器。
虚拟仪器概念的提出为测量与控制领域技术的发展带来了空间,为仪器仪表的更新换代带来了机遇,同时,使进入信息时代的人们在测量观念上产生了更多的新思想和新概念。
一.2研究概况及发展趋势
温度是表征物体冷热程度的物理量,是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。
许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关,因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。
热电偶是目前工业生产过程中应用最广泛的温度测量仪器之一,其工作原理是将温度信号转换成电势信号,配以测量电势信号的仪表,便可以实现温度的测量或温度信号的变换,具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体积小和易于维护等优点。
从19世纪发展至今已有一百多年历史,现己被广泛应用于石油、化工、水利、航空、航天、核电等行业领域。
热电偶温度计是指用热电偶作为感温元件,配上适当的电测仪表和其他构件的整个系统。
由于其测温准确,结构简单,使用方便,故在工业和科学研究的温度测量和控制中得到了广泛应用。
迄今为止,人类研究和使用过的热电偶有300多种,其中的8种己经大批量投入生产和使用,成为国际标准化产品。
工业热电偶的测温范围,从-270℃到2500℃,几乎覆盖了整个工程领域的测温范围,测温精度可达0.1。
目前约有50%的工程温度测控工作是用热电偶来完成的,特别是在钢铁、有色金属、火力发电站、航空发动机、原子能反应堆、石油精炼、化工、机械热处理等高温领域中,热电偶是最主要的测温手段。
在一些实验室中,铂锗系列热电偶在300℃-1600℃的温区内被用作温度标准器和精密温度计。
由此可见,热电偶在现代温度测量科学和控制工业中占有十分重要的地位。
随着现代科技的发展和各种尖端技术对测温的要求,为了研制出能在极端条件下和特殊环境介质中使用的新型热电偶材料,改进和提高现有热电偶的精度和可靠性,国内外投入不少人力物力进行研究和开发,重点有两方面:
其一,把热电偶作为一种测温仪器,大力改进热电偶的结构,检定方法,安装技术和性能试验,最大限度地发挥热电温度计的潜力和优点;另一方面,把热电偶作为一种特殊材料,研究其热电性与化学组成、杂质元素、物理缺陷和表面状态的关系,以提高测温精度,扩大测温范围,延长使用寿命。
虚拟仪器是电子测量技术与计算机技术相结合的产物,具有很好发展前景的新一类电子仪器。
比起传统的电子仪器,虚拟仪器更为通用,在组建和改变仪器的功能和技术性能方面更为灵活、更为经济、更能适应迅猛发展的当代科学技术对测量技术和测量仪器不断提出的更新并扩展其功能与性能的要求。
“没有测量就没有鉴别,科学技术就不能前进”。
随着现代软件和硬件技术的飞速发展,虚拟仪器必将成为未来各级实验室、研究机构以及工业应用发展的方向。
虚拟仪器作为新兴的仪器仪表,其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等,且构建容易、转换灵活,它已经广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等诸多方而。
随着各种新技术的发展,测控仪器将会向高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展,并且越来越大众化和小型化。
开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模块化的道路。
一.3本论文研究的主要内容
本论文利用现代计算机控制技术和数据采集技术,以及丰富的软、硬件资源,以目前国内外现代工业中大批量生产和使用的温度传感器-标准热电偶和基于LabVIEW的虚拟仪器为研究对象,完成热电偶温度巡检仪的设计与实现。
系统选用先进的集成数据采集卡和功能强大的LabVIEW虚拟仪器技术,构建了一种新型的热电偶温度巡检仪。
系统界面友好,操作灵活方便,而且可移植性和重用性强,实为计算机技术和现代测控技术相结合的最新产物。
系统的硬件方面,数据采集卡选用美国NI公司出品的数据采集卡PCI-6221,多路选择开关选用CD4052,冷端温度补偿选用AD公司出品的集成温度传感器AD590。
系统的主控部分是配有键盘、鼠标和打印机的微机系统。
系统的软件方面,选用美国NI公司出台的LabVIEW8.20语言来编写,结合微机系统配备的MicrosoftOffice等软件,现场安装调试,实时显示打印输出。
基于虚拟仪器的开放性和图形化模块式编程特点,系统功能可根据具体需要随时更改或扩展,使用方便、快捷,系统可移植性和重用性强。
由于作者的专业技术经验和理论水平有限,论文中可能存在的一些错误和不足之处,恳请有关专家批评指正。
第二章热电偶概述
热电偶传感器结构简单、测量范围广、精度高、惯性小,在温度测量中应用极为广泛。
热电偶材料一般有铂铑-铂铑和铂铑-铂,镍铬-镍硅等。
这种热电偶的结构主要由接线盒、保护套管、绝缘管和热电极等组成[2]。
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-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。
[3]
热电偶传感器是利用“热电效应”制成的,利用两种不同导体组成闭合回路。
当闭合回路的两接点也就是热电偶的工作端和自由端分别处于不同的温度场中时,回路中将会产生电动势,产生的电动势只与工作端和自由端的温度差有关。
若我们把自由端的温度固定不变,则热电偶产生的热电动势只随工作端温度的变化而变化。
这样一定的热电动势就对应着一定的温度,测量热电动势,也就可以达到测温的目的,应用起来十分方便[1]。
热电偶之所以在工业中应用如此广泛,这和它自身的特点是分不开的。
如果热电偶回路中的两个热电偶材料相同,无论两接点温度如何,热电动势均为零。
根据这个特性,可以检验两个热电极材料成分是否相同,分布是否均匀。
在热电偶中接入第三种导体,只要第三种导体的两接点温度相同,则回路中总的热电势不变。
利用这种特性,可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器。
由于热电偶产生的热电动势与两端温度有关,只需将冷端的温度恒定,热电动势与热端温度构成单值函数。
在实际应用中,热电偶的冷端通常靠近被测对象,且受到周围环境温度的影响,其温度不是恒定不变的,因此必须采取一些相应的措施进行补偿,常用的方法有冷端恒温法或补偿导线法:
所谓冷端恒温法是将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内或是置于各种恒温器内,使之保持温度恒定;补偿导线法是将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所,相当于将热电极延长,根据热电偶回路中接入第三种导体,只要导体两端接点温度相同,回路中总的热电动势保持不变,这样只要热电偶和补偿导线的两个接点温度一致,就不会影响热电动势的输出。
热电偶是一种重要的接触式温度传感器,从结构上看热电偶是十分简单的,但其理论却比较复杂,它是一种能获得高测量准确度的仪器,但也是一种容易出现误差的仪器。
其测量误差不仅取决于自身的物理性能,还与使用方法正确与否密切相关,在实际使用时,必须遵循多项技术规范,否则将会引起较大的测量误差,甚至使其远远超出允许的误差范围,而且还可能降低热电偶的使用寿命。
二.1热电偶测温原理
热电偶是热电偶温度计的敏感元件,它测温的基本原理是热电效应,又称塞贝克效应。
如图2.1所示,把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路,
图2.1热电偶结构图
当两接点1与2的温度不同时,如T>To,则回路中就会产生热电势EAB(T,T0)。
导体A和B叫做热电极。
两热电极A和B的组合称作热电偶。
在两个接点中,接点1是将两电极焊在一起,测温时将它放入被测对象中感受被测温度,故称之为测量端、热端或工作端;接点2处于环境之中,要求温度恒定,故称之为参考端、冷端或自由端。
热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。
该热电势是由两部分组成:
接触电势与温差电势。
⑴接触电势
接触电势是基于帕尔帖效应产生的,即两种不同导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散,直至达到动态平衡时形成的热电势。
电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。
设导体A和B的电子密度分别为NA和NB,并且NA>NB,则在单位时间内,由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多,导体A因推动电子而带正电,导体B因获得电子而带负电,因此,在A和B之间形成了电势差。
这个电势在A,B接触处形成一个静电场,阻碍扩散作用的继续进行。
在某一温度下,电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡,此时在接点处形成接触电势,如式2.1所示
;
(2.1)
式中,e为单位电荷,e=1.160*10-19C;K为玻耳兹曼常数,K=1.38*10-23J/K;
EAB(T)和EAB(T0)分别为导体A和B的两个接点在温度T和To时的电位差。
NAT和NAT0为导体A在温度分别为T和T0时的电子密度,NBT和NBT0为导体B在温度分别为T和T0时的电子密度。
从式2.1可以看出,接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体A和B的电子密度比值有关,温度越高,接触电势越大,两种导体电子密度的比值越大,接触电势也越大。
⑵单一导体中的温差电势
温差电势是基于汤姆逊效应产生的,即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。
设导体A(或B)两端温度分别为T和T0,且T>T0,此时形成温度梯度,使高温端的电子能量大于低温端的电子能量,因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多,结果使高温端因失去电子而带正电荷,低温端因获得电子而带负电荷。
因而,在同一导体两端便产生电位差,并阻止电子从高温端向低温端扩散,最后使电子扩散达到动态平衡,此时所形成的电位差称作温差电势。
A,B导体分别都有温差电势产生,可由式2.2表示
;
(2.2)
式中NAT和NBT分别为导体A,B在某温度T时的电子密度;EA(T,T0)和EB(T,T0)分别为A和B两端在T和T0(T>T0)时的温差电势。
⑶热电偶闭合回路的总电势
如图3.2所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)及两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)。
设T>To、NA>NB,由于温差电势比接触电势小,所以在总电势中,以导体AB在热端的接触电势EAB(T)所占百分比大,决定了总电势的方向,这时总电势EAB(T,T0)可写成:
(2.3)
经整理后推导可得:
(2.4)
图2.2热电偶闭合回路的电势分布示意图
由式2.4可知,热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关。
电子密度不仅取决于热电偶材料特性,而且随温度的变化而变化,它们并非常数。
所以,当热电偶材料一定时,热电偶的总电势EAB(T,T0)成为温度T和T0的函数差,即
(2.5)
如果能使冷端温度T0固定,即
(常数),则对确定的热电偶材料,其总电势EAB(T,T0)就只与热端温度呈单值函数关系,即
(2.6)
这种特性称为热电偶的热电特性,可通过实验方法求得。
由此可见,当保持热电偶冷端温度T0不变时,只要用仪表测得热电势EAB(T,T0),就可求得被测温度。
二.2热电偶的分类
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所谓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。
非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量,这里我们主要介绍标准热电偶。
目前国际上规定了以下8种标准热电偶:
S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。
我国从1988年1月1日起,热电偶全部按IEC国际标准生产,并指定S,B,E,K,R,J,T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。
二.3热电偶的冷端温度补偿及线性化
二.3.1热电偶的冷端温度补偿
冷端温度T0影响热电偶的热电势,为使输出电势是被测温度T的单一函数,必须使冷端温度固定。
在热电偶检定和分度表制作时,总是规定T0=0℃,但实际测温时很难保证,因此必须对热电偶冷端进行处理,以消除T0变化对输出电势的影响,才能保证测量精度。
该过程称为热电偶的冷端补偿。
常用的补偿方法有:
⑴0℃恒温法
在标准大气压下将纯净的水和冰混合置于保温容器,强制性使T0保持0℃。
虽然近年来已出现一种能使温度恒定在0℃的半导体制冷器件,但此方法通常只适用于实验室,不便于现场环境使用。
⑵计算修正法
由中间温度定律,
将冷端温度T0≠0℃时的测量值与查表得到的E(T0,0)相加即可得到E(T,0),再反查分度表,可得到被测温度T。
此法较精确但繁琐,尤其在现场冷端温度随时变化时,测量效率难以保证实时要求。
在构成数字测温仪表时必须增加无冷端效应的测温元件或在A/D转换通道增加对T0的预处理,造成硬件投资增大,测量速度下降。
⑶电桥补偿法
该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶T0变化对输出电势的影响,是现场常用的冷端补偿方法。
其优点是使用方便,硬件投资小,测量效率高;缺点在于热电偶的冷端效应是非线性的,而不平衡电桥输出是线性的,因而多数情况下是欠补偿或过补偿,难以实现完全补偿。
⑷集成温度传感器补偿
利用各种高性能的半导体温度传感器实现测温和补偿,如电流输出型器件AD590,电压输出型器件LM135,LM
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