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1、本 科 毕 业 设 计（论文）基于虚拟仪器的温度测量系统设计The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology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LabV
2、IEW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The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology Abstract: The virtual temperature measureme
3、nt system introduced in this paper can achieve the measurement, the collection, data processing, recording and display of multi-channel temperature. It uses LabVIEW as software platform，by the way of Thermocouple cold joint compensating, to complete temperature measurement. The LabVIEW virtual instr
4、ument technology is efficiently used to complete many important processes in common PC computer which is integrated of hardwares, Compared with the traditional temperature measurement instrument,this system has the advantages of simple structure,low cost，easy operation and high stability.Key words:T
5、emperature Measurement；LabVIEW Virtual instrument；Thermocouple；Cold Joint Compensating目 录目 录31 绪 论41.1 虚拟温度测量系统研究的背景、目的及意义41.1.1 研究背景41.1.2 研究的目的及意义41.2 论文的设计任务及拟完成的主要工作51.2.1 设计任务51.2.2 论文完成的主要工作52 虚拟温度测量系统总体方案的设计52.1 虚拟仪器技术与LabVIEW简介52.2 总体方案的设计63 硬件系统设计63.1 温度传感器及调理电路63.1.1 传感器选型63.1.2 热电偶工作原理83.
6、1.3 温度信号隔离器123.1.4 MC1403低压基准芯片133.2 热电偶的冷端处理与补偿134 LABVIEW软件模块的设计154.1 温度信号处理的设计154.1.1 前面板设计154.1.2 框图程序设计165 系统调试及结果分析225.1 系统调试22结论及尚存在的问题23致谢24参考文献251 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
7、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（laboratory virtu
8、al instrument engineering workbench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
9、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
10、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
11、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
12、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（Virtual Instrument,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（Laboratory Virtual Instrument
13、 Engineering Workbench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、ActiveX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
14、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
15、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
16、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1.6300K范围内
17、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，
18、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：式中为材料表面发射率，为反射镜的反射率。至于
19、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
20、。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一2001600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。
21、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) kq (T1T0) A BEAB (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, AB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; T 1 T0 时e 为负; 当T1 = T0 时,e = 0。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
22、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
23、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，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：（）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；（）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通
24、常用作标准或测量较高的温度；（）使用范围较广，均匀性及互换性好；（）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。、铂铑13铂热电偶（分度号为，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；、铂铑30铂铑6热电偶（分度号为，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
25、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。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，其寿命也是或型的1020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）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400130
26、0范围内，型热电偶的热电特性的线性比型偶要好；但在低温范围内（-200400）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-200350，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-200300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
27、宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200800，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（2）及一氧化碳（）气体腐蚀，但不能在高温（例如500）含硫（）的气氛中使用。7、镍铬铜镍（康铜）热电偶（分度号为）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型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏
28、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）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01300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，
29、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）长期短期铂铑10纯铂0.513001600铂铑13纯铂0.513001600铂铑30铂铑60.516001800镍铬镍硅1.280010002.5110012003.212001300镍铬硅镍硅1.280010002.5110012003.212001300镍铬铜镍1.25506502.06507503.2750850纯铜铜镍1.6300350铁铜镍2.04005003.2500600K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
30、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
31、。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
32、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3-2 op07外引线排列3.1.4 MC1403低压基准芯片MC1403是美国摩托罗拉公司生
33、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812bit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: 2.5 V /- 25 mV ，输入电压范围: 4.5 V 40 V， 输出电流: 10 mA图3-3 MC1403引脚排列3.2 热电偶的冷端处理与补偿AD592是美国AD公司推出的一款高性能的集成温度传感器，比AD590的误差小而且成本低，能线性地将温度转换为电流信号输出。电流输出型温度传感器的主要特点是输出阻抗高，输出电流不受传输线路电压降和电压噪声的影响，且对电源电压的脉动和漂移具有很强的抑制能力，因此，AD
34、592是一款温度检测的理想器件。AD592分为三档: AD592A ,AD592B 和AD592C。主要特点如下:(1) 测温精度高。在单电源供电时, 测量精度最高可达013(典型值)。测量范围-25105。重复性误差和长期稳定性均小于011。(2) 是两端集成温度传感器, 外围电路简单。在常温测量领域中, 可取代电热调节器、电阻式温度检测器、热电偶和PN 结等传统的温度传感器。电流温度系数仍为1K。(3) 输出阻抗高, 互换性很强。(4) 电压范围4 30V。即使供电不稳定或者在反向电压高达20V 时, 也不会损坏芯片。由AD592 构成的热电偶冷端温度补偿电路电路,如图所示。所谓冷端温度补
35、偿, 就是在冷端加入一个受同一环境温度控制、相反极性的补偿电势E1, 从而使冷端的总热电势不再随环境温度而变化。图中, 由AD592 和电阻R1 来提供E1, 其极性为上正下负, 并且:E1=(1AK)R1T =(1A)R1 t (1)对于K 型(镍镉镍硅) 热电偶, 它具有正的电压温度系数, 还称塞贝克( Seebeck ) 系数, K1 = +41.269V + 41V。现取R1= 41,代入(1) 式中得到补偿电压e1=(41V) , 实现冷端温度自动全补偿。需要注意, 使用其他类型热电偶时, 需相应调整R1 的阻值。电阻R4 和R5 调节输出电压灵敏度的。图3-4 由AD592 构成的
36、热电偶冷端温度补偿电路由于软件的限制，对AD592 构成的热电偶冷端温度补偿电路做出一定的调整，电路原理图如图所示图3-5 电路原理硬件系统由前端感温装置（温度传感器）、数据采集卡、PC机系统等组成，主要实现温度信号采集、转化、处理等功能。本系统前端感温装置采用K型电偶，热热电偶与R2串联分压，电路输出电压与温度成正比。AD592芯片对热电偶进行冷端补偿，MC1403芯片对输入的电流进行整形，得到基准电压2.5V。传感器通常输出的信号较小，必须采用合适的信号调理电路（如放大），OP07主要减少测试电路的干扰，起到隔离的作用，尽量减小量化误差。当温度变大时，热电偶在分压点产生一线性电压，经电压跟
37、随器保持后，进行一级放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的线性电压。测量电路输出的模拟电压送入数据采集卡，转化为数字信号再输入PC机4 LABVIEW软件模块的设计4.1 温度信号处理的设计4.1.1 前面板设计软件设计主要完成数据采集与控制、测试结果的分析和记录、数据查询等，同时为用户提供一个方便的操作界面。用户界面（前面板）是虚拟仪器的重要组成部分，仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用。本系统采用LabVIEW8.2软件设计了用户界面如图所示。该界面可显示经传感器检测、数据卡采集并转换得到的电压波形的变化，同时将标定后得到的温度值分别用
38、波形、和数值方式显示出来，适应不同用户的需求，如图所示。图4-1 用户界面4.1.2 框图程序设计完成相应的硬件模块配置后，虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，用软件实现传统仪器的数据采集、存储、分析和显示等功能。LabVIEW的源程序为框图式的，且提供了非常丰富的库函数，从数据采集到仪器控制，从信号产生到信号处理，从数据分析到图形显示，从文件读写到网络通信，多种多样，大大提高了用户编程的效率，减轻了编程工作量。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态，LabVIEW 已为PCI一625l卡配备了驱动程序。在 LabVIEW 环境下开发
39、的应用程序称之为VI (Virtual Instrument)。VI由软面板程序和数据分析处理程序等组成。软面板程序由一个人机交互的界面一前面板(Front Pane1)和相当于源代码功能的框图程序一后面板(Diagram)组成。软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口。前面板是在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，可设置控制按扭和显示窗口，用户可以通过前面板上的开关和按钮实现对虚拟仪器的操作，显示窗口可以以文本或图形形式显示测量结果。图4-1为温度测量系统的前面板设计，采用文本方式、温度计方式和实时趋势图显示测量温度的变化，在实时趋势图中新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向
40、前推进显示。测量数据还可以数据文本文件方式进行保存，以便分析处理和波形回放。本系统程序框图设计主要包括数据的测量与采集、模拟数据读取、电压-温度转换、数据处理及显示、设备释放等模块，其中有些模块直接调用LabVIEW中的子模块（库函数），如乘法、减法、比较超限与否、定时器等;还有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模块由用户自定义设计实现。图4-2 测温系统程序框图各模块的原理分析：(1)数据采集模块 数据采集模块实现温度的测量，并把采集到的数据全部存储到数据表中，以备后续的数据处理、计算及打印。数据采集是该系统软件的主要功能，也是其他模块进行数据处理、
41、图形绘制的基础。LabVIEW可通过数据采集模块显示实际的信号波形。当数据采集模块采集实测信号时，得到一组离散的信号值，通过图形显示控件在计算机显示器上逐点显示并连线，即可实时显示被测信号。图4-3 数据采集模块框图图4-4 数据采集子程序原理图(2)数据转换模块 采样程序循环一次，就预处理采集数据，主要是对电压信号转换为温度。由于热电偶所产生的电压信号较小，因此对采集到放大后的电压信号进行除法运算，还原热电偶的实际电压值，对实际的电压信号数组进行排列，对分度表的程序进行索取，也就是将实际的电压信号通过转换模块中的查表程序进行比较，当所采集到的电压信号超出分度表所定义的值时，输出停止，进入下一
42、次循环采集，当所采集到的电压信号处于分度表所定义的值时，对电压信号与分度表的电压进行比对，输出相应的温度数组，转换成功。查表程序也就是将K型热电偶的分度表以文本的形式编写到查表的程序当中，对采集到电压信号与分度表的数据进行比较输出.由于仪器用于机房和通信设备的现场中，干扰源较多。为了减少对采样数据的干扰，提高仪器系统性能，在数据处理之前，需对采样数据进行数字滤波。所谓数字滤波，就是通过特定的计算程序处理，减少干扰信号在有用信号中所占的比例，实质上是一种程序滤波。图4-5 数据转换模块框图图4-6 查表程序原理图（3）数据显示模块 采集与转换模块所得结果的图形显示，是采用LabVIEW软件中的c
43、hart图表函数结合温度计及数字显示栏来配合完成的。对转换的数据进行数组的创建，所得的数组一数字与温度曲线的形式显示到前面板，当输出数据为真实值时，循环继续，如图所示。图4-7显示模块框图图4-8 前端显示界面(4)数据保存模块 数据保存是在数据保存模块创建文本文件，将所得数据组进行由小到大的顺序排列后，将数据保存为*.txt文件，保留在预定的目录里。数据保存主要是将所测得数据进行存储，将电压与温度数值以数组的形式保存，以便对后续数据进行比较，分析与处理，如图所示。图4-9 数据保存模块框图图4-10 数据保存程序原理图(5)文件打开模块 文件打开模块主要是由文件的调用和文件的查看两部分组成，
44、如图所示。文件的调用主要是将程序文件夹中保存的文件进行打开，对文件中的数组输出。文件查看就是将温度转换成温度曲线的形式显示输出，输出要由一定的延时，可根据实际情况对延时时间进行调整。图4-11 文件打开模块框图图4-12 文件调用程序原理图图4-13 文件查看程序原理图(6)退出模块 退出模块主要是在测量结束后，终止所有运行程序，同时运行按钮弹起，恢复到初始，整个测试过程终止，如图所示。 图4-14 退出程序框图5 系统调试及结果分析5.1 系统调试1.首先将测温探头与被校表在相同温度（室温）下放置20分钟，然后用标准水银温度汁测出该环境温度 。2.再把测温探头与标准水银温度计一同置于冰水混合
45、物中。调整滑动变阻器，使被校表的显示值为（0.000.01） 。3.把探头热端插人100 沸水中调节滑动变阻器改变基准电压值，使被校表显示99100，在海拔较高的地区，水的沸点会低予100 此时只要仪表显示值与标准水银温度计所指示的沸点温度相符(允许l )，即认为合格。4.拔掉测温探头，仪表应显示所处环境温度，允许有1的误差。5.将标准毫伏信号源的输出接被校表的热电偶插座中，依次输出12.207mV、29.128mV和41.269m V分别校准300、700 和1000 的显示值若被校表出现偏差则微调滑动变阻器直至显示值符合要求6.测试完毕，稍作仪器整理。结论及尚存在的问题采用LabVIEW软
46、件平台和由AD592集成温度传感器所组成的测试电路，与PtlO0等热电组温度传感器相比，具有使用简单、体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点；与DS1820等数字温度传感器相比，具有使用方便、成本低廉等特点。采用虚拟仪器技术构建温度测量系统突破了传统仪器在数据处理、显示、传输和存储等方面的限制，减少了硬件成本和重复开发，使得系统硬件维护、功能扩展和软件升级非常方便。特别是只要对原程序作少许改动，使用者就可以根据自己的需求，自行设计各种具有个性化的仪器显示和操作面板。目前，以LabVIEW为软件平台的虚拟仪器技术正在成为现代温度测量乃至整个测试领域的发展方向。本次设计使用的是K型热电偶，作为感温元件，因此对其精度的要求较高，但K型热电偶在250500范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电动势示值不一样，其差值可达23，若长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰、钴等元素发生蜕变，是其稳定性欠佳，致使热电动势发生较大变化，因此在具体环境和温度条件下，选择相应能测温合适的热
