摘要：基于虛擬儀器技術(shù),，利用熱電偶設(shè)計了一套溫度測量系統(tǒng),，包括硬件和軟件設(shè)計，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)行實時監(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,，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，它充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的運算處理功能,，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)兩個導(dǎo)體的兩個連接點之間存在溫差時，就會發(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,。如果兩個接點的溫度相同,，則不會產(chǎn)生電流。
圖1中,，由兩根不同導(dǎo)線A和B組成電路,，連接成的接點溫度分別為t和t0，則電路中產(chǎn)生的熱電勢等于接點的電動勢之差,，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，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時的熱電勢；E(t,，t1)表示熱端溫度為t,，冷端溫度為t1時的熱電勢，E(t1,，0)表示熱端溫度為t1,，冷端溫度為0時的熱電勢,，根據(jù)實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
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)計采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>
采用差動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漂移,，設(shè)置一個基準(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℃時電阻為100 Ω,，100℃時電阻為138．51Ω,，Pt10在溫度為0℃時電阻為10 Ω，本設(shè)計采用Pt100對冷端溫度進(jìn)行測量,，將測得的冷端溫度送給計算機(jī),，通過軟件計算進(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
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)大的運算函數(shù),，包括曲線擬合函數(shù),?？衫煤瘮?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求得溫度值,。計算出冷端溫度后，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)會發(fā)出警報，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)行實時檢測,，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,，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)計成標(biāo)準(zhǔn)模塊,，搭建新系統(tǒng)時可直接利用,，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,，具有一定的推廣價值,。