摘要：基于虛擬儀器技術(shù)，利用熱電偶設(shè)計(jì)了一套溫度測量系統(tǒng)，包括硬件和軟件設(shè)計(jì)，硬件包括對熱電偶輸出信號的放大和濾波，以及對冷端溫度的補(bǔ)償電路，冷端溫度通過Pt100熱電阻進(jìn)行測量；軟件采用Labview進(jìn)行編寫，界面簡潔，可通過圖形化的界面對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；熱電偶；溫度測量；Labview
0 引言
熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，測溫時(shí)，熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，因此測量精度高。常用的熱電偶從-50℃～+1 600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達(dá)+2 800℃(如鎢-錸)。另外，熱電偶通常由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。所有這些優(yōu)點(diǎn)使得熱電偶成為工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。
虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲(chǔ)等方面的限制。本文利用虛擬儀器平臺，通過編寫Labview軟件對溫度進(jìn)行測量，可以減少硬件的重復(fù)開發(fā)，有利于系統(tǒng)的維護(hù)，也便于系統(tǒng)軟件升級。
1 熱電偶測溫原理
熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。如圖1所示。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體的兩個(gè)連接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就會(huì)發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象，因而在回路中形成電流，溫度差越大，電流越大，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，則不會(huì)產(chǎn)生電流。
圖1中，由兩根不同導(dǎo)線A和B組成電路，連接成的接點(diǎn)溫度分別為t和t0，則電路中產(chǎn)生的熱電勢等于接點(diǎn)的電動(dòng)勢之差，如下式：
熱電偶用于探測溫度的一端稱為“熱端”，處于標(biāo)準(zhǔn)溫度的一端稱為“冷端”，國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)冷端溫度為0℃，但是在工業(yè)現(xiàn)場，要將冷端溫度處理成0℃不太現(xiàn)實(shí)，因此必須對冷端進(jìn)行補(bǔ)償。對于冷端溫度為t1的情況，可按下式進(jìn)行處理：
式(2)中，E(t，0)表示熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0時(shí)的熱電勢；E(t，t1)表示熱端溫度為t，冷端溫度為t1時(shí)的熱電勢，E(t1，0)表示熱端溫度為t1，冷端溫度為0時(shí)的熱電勢，根據(jù)實(shí)際測試得到的冷端溫度，查分度表可求得E(t1，0)，E(t，t1)可直接測得，這樣就可以求出E(t，0)，再查分度表即可得到熱端的溫度。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件由熱電偶、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、PXI機(jī)箱組成，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用K型熱電偶，使用溫度范圍為-200℃～1200 ℃，其輸出電壓信號為mV級，因此，信號調(diào)理模塊包括信號放大電路、濾波電路以及冷端補(bǔ)償電路。熱電偶測試的冷端補(bǔ)償通常有兩種方式：硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>
采用差動(dòng)輸入的方式將熱電偶輸出信號連接到儀表放大器上，熱電偶滿量程輸出信號為100mV，數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為-10V～10V，因此設(shè)計(jì)儀表放大器的放大倍數(shù)為100。為了減少噪聲，采用2階有源低通濾波器對放大器的輸出信號進(jìn)行濾波，濾波器的截止頻率為2Hz。另外，為了抑制放大器的零點(diǎn)漂移，設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)調(diào)節(jié)電路，將放大器的基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定在5 V，減小放大器自身引入的誤差。電路原理圖如圖3所示。
金屬的電阻隨溫度的上升而增加，利用此特性制成的傳感器稱為熱電阻，很多材料可制作熱電阻溫度傳感器，其中最常用的材料為鉑，鉑電阻的電阻率高、電阻與溫度成線性關(guān)系、測溫范圍廣、精度高。目前常用的鉑電阻有兩種：Pt100和Pt10，Pt100鉑電阻在溫度為0℃時(shí)電阻為100 Ω，100℃時(shí)電阻為138．51Ω，Pt10在溫度為0℃時(shí)電阻為10 Ω，本設(shè)計(jì)采用Pt100對冷端溫度進(jìn)行測量，將測得的冷端溫度送給計(jì)算機(jī)，通過軟件計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。冷端溫度測量電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用Labview圖形化語言進(jìn)行編寫，程序流程如圖5所示。
為了消除冷端溫度變化引起的誤差，對每次采集的100個(gè)冷端電壓值求平均，再通過公式將電壓值轉(zhuǎn)換為Pt100的電阻值，然后查找Pt100分度表將電阻值轉(zhuǎn)換成溫度值，通過查找分度表確定溫度的方法存在較大誤差，不能滿足需要精確測量溫度的情況，因此必須尋求更加有效的方法求解冷端溫度。Labview自帶功能強(qiáng)大的運(yùn)算函數(shù)，包括曲線擬合函數(shù)。可利用函數(shù)(General Polynomial Fit．vit，位于數(shù)學(xué)-擬合面板)對Pt100的分度表進(jìn)行二次擬合，得到一個(gè)二次方程：T=aR2+bR+c(T為溫度，R為電阻值，a，b，c為擬合得到的結(jié)果)，將R代入該公式即可自動(dòng)求得溫度值。計(jì)算出冷端溫度后，通過查找熱電偶分度表可得到E(t1，0)，進(jìn)而得到E(t，0)。同樣，對熱電偶分度表，也可以從中均勻地選出一組值進(jìn)行二次擬合，作為溫度查詢程序。
得到熱端溫度后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度上限和下限自動(dòng)判斷是否在正常的范圍內(nèi)，如果超過溫度上下限，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，若在正常范圍內(nèi)，則進(jìn)行顯示。另外，程序可以對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)格式為．tdms格式，并且可以對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和波形回放。
試驗(yàn)的結(jié)果表明，該軟件通過簡潔友好的界面，可以很好地對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，用戶可直接觀察溫度變化過程，并且可以對測試結(jié)果進(jìn)行保存和查詢。
4 結(jié)束語
本文基于虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，并且有很強(qiáng)的通用性，系統(tǒng)硬件可以設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)模塊，搭建新系統(tǒng)時(shí)可直接利用，軟件可根據(jù)用戶需求進(jìn)行適當(dāng)修改，整個(gè)系統(tǒng)可用于某些惡劣環(huán)境下的溫度測量，具有一定的推廣價(jià)值。