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1、天津工业大学毕业设计（论文）题目：基于Labview的汽轮机测温系统设计姓 名 学 院 专 业 指导教师 职 称 2010年6月12日摘 要汽轮机作为发电厂不可或缺的设备之一，其温度测量与控制是非常重要的。本论文利用虚拟仪器技术，将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式，对汽轮机工作过程中几组关键的温度数据进行了测量、分析、显示与控制。文中，基于LabVIEW软件平台的汽轮机温度测控系统设计,由硬件和软件实现。该系统精度高、可靠性好,并具有测试及控制参数设置、数据采集与处理、数据存
2、储、实时数据显示等多种功能,完全能满足汽轮机工作过程中温度的实时监控。关键词：虚拟仪器技术；汽轮机温度测量与控制；LabVIEWAbstractTurbine power plant essential equipment as one of the temperature measurement and control is very important. In this thesis, the virtual instrument technology, instrumentation, computer technology, bus technology and software te
3、chnology are got together, the number of computer processing power to achieve a strong instrument for most of the features, breaking the traditional instruments of the framework, developed a The new instrument model, steam turbine sets of the key process was measured temperature data, analysis, disp
4、lay and control. The article, based on LabVIEW software platform Steam Temperature Control System, consists of hardware and software. The system has high accuracy, reliability, and has the test and control parameter settings, data acquisition and processing, data storage, real-time data display and
5、multiple functions, can meet the turbine work process real-time monitoring of temperature.Keywords:Virtual instrumentation; turbine temperature measuring and controlling; 目 录第一章 绪论11.1本课题研究背景11.2研究目的及意义11.3研究内容2第二章 总体设计42.1总体流程图42.2模块化设计5第三章 理论分析及设备选型73.1虚拟仪器73.1.1虚拟仪器的概念73.1.2虚拟仪器的特点及优势73.1.3虚拟仪器和传
6、统仪器的比较83.1.4虚拟仪器的软件结构93.1.5LabVIEW简介93.2传感器的选型及其测温基本原理103.2.1热电偶基本概念103.2.2热电偶测温原理103.2.3 K型热电偶133.2.4热电阻传感器133.2.5 PT100热电阻传感器133.3数据采集143.3.1数据采集技术理论143.3.2采集系统的一般组成及各部分功能描述153.3.3数据采集卡的组成173.3.4数据采集卡的选择173.3.5北京阿尔泰科技USB2089数据采集卡183.4数字滤波193.4.1数字滤波器分类193.4.2数字滤波设计203.4.3基于LabVIEW的IIR数字滤波器软件设计203.
7、5 PC机20第四章 软件系统设计224.1系统登陆224.2数据采集244.3数字滤波254.4数据存储264.5实时数据显示274.6数据分析284.6帮助29第五章 总结30参考文献31附录一 电厂照片资料32附录二 外文资料35附录三 中文翻译43致 谢50天津工业大学2010届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1本课题研究背景电力工业是国民经济的一项基础产业，也是国民经济发展的先行产业，世界各国的发展表明：国民经济每增长1，电力工业要相应增长1.3% 1.5%才能为国民经济其他各部门的快速稳定发展提供足够的动力。在现代社会中，电力工业的发展水平已成为反映国家经济发达程度的重要标志
8、；人均消费电能的数量也成为衡量人们现代生活水平的重要指标。因此电力生产量是一个国家经济发展水平的重要标志之一，在现代电力工业中，火力发电数量上比重最大，其次是水电和核电。而在火力发电厂和核电站中，绝大多数都是以汽轮机拖动发电机来生产电能的，汽轮发电机组为人类提供了80%左右的电能，再一次奠定了汽轮机在现代电力工业中的地位。通常情况下，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能，即汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械,是主要用作发电用的原动机。然而在汽轮机的工作过程中 ,热应力是汽轮机运行过程中发生设备故障的主要根源由汽
9、轮机受热产生。因此 ,在汽轮机运行过程中 ,温度的变化是最主要的变化 ,它对机组的安全影响非常大。1.2研究目的及意义汽轮机是将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。汽轮机组的安全运行十分重要。比如，按0.29元/度电的上网电价计算，一台600MW的机组如果故障停机24小时所带来的直接经济损失将达到417.6万元，同时，机组的非计划停机将对电网产生巨大扰动，有可能会使故障进一步扩大而引发电网或其它机组故障。此外，停机将会使一些负荷失电，给国民生产带来影响。因此，应大力加强对机组的安全运行监
10、测，在最大限度上实现安全生产。而在汽轮机实际运行中，由于各种因素的影响，永久完全正常运转是不可能的，要求绝对不出现故障也是难以做到的。有些故障的出现，不是运行操作方面的原因，而是由于其他原因造成的，诸如设备本身的质量、外界的影响、自然条件、偶然原因等。其中温度的变化在汽轮机的正常运转过程中起到了一个举足轻重的角色。所以随着电气工业生产自动化程度越来越高，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的要求也越来越高。由于测温时的会受到各种干扰，影响了测温精度，需要进行滤波。传统仪器和方法一般都是通过硬件电路实现，这样就存在电路复杂、成本较高、性能不够稳定等问题。另外除了要显示实时温度外，往往还要能够方
11、便的实现报警、显示温度变化趋势、对所测温度进行一定的统计分析等功能。因此传统的以硬件为主的测温系统在很多场合已不能适应现代测温的要求。以虚拟仪器为代表的虚拟测试技术可以较好的解决这些问题。虚拟仪器是利用PC 计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。软件开发是虚拟测试系统的关键部分，在众多的开发软件中又以美国国家仪器公司开发的图形化编程语言LABVIEW应用最广、功能最强1。1.3研究内容影响汽轮机运行的
12、温度变化主要由主蒸汽温度、润滑油温度和水循环温度变化组成。（1）主蒸汽温度变化对汽轮机运行的影响主蒸汽温度升高：主蒸汽温度升高从经济性角度来看对机组是有利的，它不仅提高了循环热效率，而且减少了汽轮机的排汽湿度。但从安全角度来看，主蒸汽温度的上升会引起金属材料性能恶化，缩短某些部件的使用寿命，如主汽阀、调节阀、轴封、法兰、螺栓以及高压管道等。对于超高参数机组，即使主蒸汽温度上升不多也可能引起金属急剧的蠕变，使许用应力大幅度的降低。因此绝大多数情况下不允许升高初温运行的。主蒸汽温度降低：在机组额定负荷下主蒸汽温度下降将会引起蒸汽流量增大，各监视段压力上升。此时调节级是安全的，但是非调节级尤其是最末
13、几级焓降和主蒸汽流量同时增大将产生过负荷，是比较危险的。同时，蒸汽温度下降会引起末几级叶片湿度的增加，增大了湿汽损失，同时也加剧了末几级叶片的冲蚀作用，直接威胁倒汽轮机的安全运行。因此，在主蒸汽温度降低的同时应降低压力，是汽轮机热力过程线尽量与设计工况下的热力过程线重合，以提高机组排汽干度。因此机组的功率限制较大，必要时应申请减负荷运行。所以，主蒸汽温度我们应该控制在520550之间。（2）润滑油温度对汽轮机运行的影响汽轮机机组起动前应先投入油系统，此时油温控制在4042之间。润滑油对压缩机的轴承起润滑作用，减少摩擦力，同时将摩擦产生的热量带走，冷却轴承。润滑油温过高，使冷却轴承的效果不好，造
14、成轴承温度升高；此外，油温升高还会使润滑油的黏度下降，容易引起局部油膜破坏，润滑失效，降低轴承的承载能力，甚至发生润滑油碳化而烧瓦。润滑油温过低，会使油的黏度增加，从而使油膜润滑摩擦力增大，轴承耗功率增加。此外，还会使油膜变厚，产生因油膜振动引起的机器振动。因此，润滑油进油温度不应低于40，出油温度不高于70。（3）水循环温度润滑油温的变化可以通过加热器及冷却器的冷却水流量的大小来调节。油温过低时，可启动油加热器，关闭或调小冷却水流量；油温过高时，可以开大冷却水量。如果仍然不见效，应检查油压是否下降，冷却器是否脏污或堵塞，再者检查轴承是否损坏。但由于润滑油油温的局限和控制性，循环水温应该控制在
15、2540之间，以保证润滑油油温保持在我们所规定的范围。本论文以目前30MW汽轮机的温度监测为研究对象，依托LabVIEW这一强大的测试平台，对汽轮机的测温系统进行设计。主要完成主蒸汽温度点采集、润滑油温度采集、水循环系统温度采集，并对这些采集到的数据进行分析、显示与控制。第二章 总体设计2.1总体流程图汽轮机温度测试系统总体流程如图2-1所示。由一台通用计算机作为操作平台，利用LabVIEW 8.5 开发出虚拟温度测试系统。系统由温度传感器、调理电路、数据采集卡、计算机几部分组成。由温度传感器把被测温度物理参数转化为模拟电压信号，再进行放大滤波，模拟电压信号通过数据采集卡转化为数字信号，然后输
16、入到计算机进行信号的处理。被测温度热电偶热电偶调理电路热电阻热敏电阻调理电路数据采集卡计算机操作平台系统登录数据采集数据存储实时数据显示数据分析帮助数字滤波图2-1 温度测试系统总体流程图图2-1中各部分功能简述如下：（1）传感器：传感器的作用是按一定规律将被检测量转换为数据采集系统能够测量的电信号，它所产生的电信号与它所检测的物理量成比例的变化。即把各种需采集的物理信号转换成电信号。（2）信号调理：从传感器输出地信号必须经过调理才能够进入数据采集部分。信号调理的作用是将传感器产生的低电平信号进行缓冲、放大、衰减、隔离、滤波，以及线性化等，以获得所需的归一化信号。（3）数据采集硬件：包括采样保
17、持器和模数转换器，是决定采集系统性能的核心。（4）计算机操作平台：虚拟仪器就是利用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路来完成所要实现的功能。（5）数字滤波：数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，利用离散时间系统的特性对输入信号波形（或频谱）进行加工处理，把输入序列x(n)变换成一定的输出序列y(n)从而达到改变信号频谱的目的。（6）系统登录：在设计整个测温系统中，系统登录模块作为软件测试系统的（7）数据采集：从传感器自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。（8）数据存储：是数据流在加工过程中产生的临时文件或加工过程
18、中需要查找的信息。数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。（9）实时数据显示：当前数据的系统显示，反映当前数据的状态。（10）数据分析：数据分析是组织有目的地收集数据、分析数据，使之成为信息的过程。（11）帮助2.2模块化设计在明确了系统设计流程之后，应该采用好的程序开发方法，如结构化设计方法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。模块化结构是所有设计良好的软件系统的基本特点，任何一个大的程序系统，总是由若干功能相对独立的模块组成。本系统软件设计部分包括系统登录模块、数据采集模块、数据存储模块、实时数据显示模块、数据分析模块以及帮助模块。具体模块结构如下图所示。计算机操作平台系
19、统登录数据采集数据存储实时数据显示数据分析帮助历史直方图具体值统计创建用户删除用户修改密码登陆次数登录时间波形显示光报警图2-2 模块设计图第三章 理论分析及设备选型3.1虚拟仪器3.1.1虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它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、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三
20、部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。3.1.2虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图3-1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无
21、关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图3-1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定
22、义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程2。3.1.3虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表3.1所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低
23、档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。（1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。（2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中
24、由硬件完成的仪器功能。（3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。（5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。（6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。（7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。（8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期
25、11。表3.1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护费用低开发维护费用高技术更新周期短（0.51年）技术更新周期短（510年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet的一部分，实现现场监控和管理6。3.1.4虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图3-2所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用
26、软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便3。图3-2 虚拟仪器软件结构3.1.5LabVIEW简介LabVlEW 是NI 公司推出的虚拟仪器开发工具， 它采用图形化编程语言G 语言，易学易用。它的功能强大灵活，既可以和采集设备、控制设备等硬
27、件进行通信，也可以和GPIB、PXI、RS-232、VXI 仪器通信，简化了虚拟仪器的开发过程，缩短了系统开发和调试时间，广泛应用于工业自动化、试验测量、数据采集及处理等各个领域。LabVIEW提供了完成数据采集、分析、显示存储数据，仪器控制应用所需要的工具。现在推出的LabVIEW 8.5具有比以往版本都丰富的工程技术，它的主要创新包括增强的开发环境、交互式测量、更广泛的嵌入对象等。一个LabVIEW 程序一般包括两个主要部分：前面板、框图程序4。3.2传感器的选型及其测温基本原理选择传感器时要根据使用温度范围、所需精度、使用环境、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。从结构上看热电
28、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。对热电偶的理论和特性如果不作较深入的了解，不仅其潜力不能充分发挥，往往还会发生选配错误和使用不当，造成较大的测量误差。3.2.1热电偶基本概念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3-3所示，把两种不同的导体（或半导体）A和B连接成闭合回路，当两接点1与2的温度不同时，如T,则回路中就会产生热电势(T,)。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
29、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。图3-3热电偶结构图3.2.2热电偶测温原理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。（1）接触电势接触电势是基于帕尔贴效应产生的，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、，并且,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、
30、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，如图3-3所示。 (3.1)式中，e为单位电荷，;K为玻耳兹曼常数，J/K；、分别为导体A和B的两个接点在温度T和时的电位差。、即导体A在温度分别为T和时的电子密度， 、即导体B在温度分别为T和时的电子密度。从式3.1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。（2）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
31、体A（或B）两端温度分别为和,且,此时形成温度梯度，使高温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3.2表示 (3.2)式中，、分别为导体A、B在某温度T时的电子密度；、分别为A和B两端在和()时的温差电势。（3）热电偶闭合回路的总电势如图3-4所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势、及两个接触电势、。设、，由于温差
32、电势比接触电势小，所以在总电势中，以导体AB在热端的接触电势所占百分比最大，决定了总电势的方向，这时总电势可写成：= (3.3) 图3-4热电偶闭合回路的电势分布示意图经整理后推导可得 (3.4)由式3.4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，热电偶的总电势成为温和的函数差，即 （3.5）如果能使冷端温度固定，即（常数），则对确定的热电偶材料，其总电势就只与热端温度呈单值函数关系，即 （3.6）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不变时，只要用
33、仪表测得热电势，就可求得被测温度。由于主蒸汽温度和再热蒸汽温度的测量范围为0600，而汽轮机也是工作在强的氧化和弱的还原气氛中，所以选择K型热电偶传感器。3.2.3K型热电偶K型热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产中从0到1300范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用16。3.2.4热电阻传感器金属热电阻传感器（简称热电阻传感器）是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度与温度有关的参数进行检测的
34、装置。热电阻传感器的主要优点是：测量精度高；有较大的测量范围，尤其在低温方面；易于使用在自动测量和远距离测量中；与热电偶相比，它没有参比端误差问题。热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。典型情况下，热电阻具有较高的灵敏度，这使得它对于温度的变化非常灵敏。热电阻传感器一般常用于-200600的温度测量，有助于在较低温度的应用中提供精确的测量结果。润滑油温度、回油温度以及排气温度的测量范围为0到300，于是我们选择PT100热电阻传感器。3.2.5PT100热电阻传感器热电阻PT100是中低温区最常用的一种温度检测器，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后
35、的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻PT100的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 （1）热电阻PT100测温原理及材料热电阻PT100测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。 热电阻PT100大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻PT100。（2）热电阻PT100的结构
36、精通型热电阻PT100：工业常用热电阻PT100感温元件（电阻体）的结构及特点。从热电阻PT100的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻PT100阻值的变化来测量的，因此，热电阻PT100体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制。 （3）热电阻PT100测温系统的组成 热电阻PT100测温系统一般由热电阻PT100、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： 热电阻PT100和显示仪表的分度号必须一致为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法17。3.3数据采集3.3.1数据采集技术理论在计算机广泛应用的今天，数据采集的重
37、要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，图3-5显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样
38、点在时域上是离散的。图3-5 模拟信号采样图如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：X=x0，xl，x2，x3，xNl这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率
39、之间畸变。图3-6和图3-7显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。图3-6 合适采样率采样波形图3-7采样率过低采样波形采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。3.3.2采集系统的一般组成及各部分功能描述图 3-8 数据采集结构图图
40、3-8表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用缓冲？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作？（1）缓冲(Buffers)这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的
41、高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。（2）触发(Triggering)触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模拟入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出(常称为“trigger out”)用于触
42、发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。下列情况使用软件触发：用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发： 采集事件定时需要非常准确。 用户需要削减软件开支。 采集事件需要与外部装置同步。3.3.3数据采集卡的组成虚拟仪器的数据采集卡DAQ(Data Acquisition) 有以下几个部组成:（1）多路开关MUX多路开关将各路被测信号轮流切换到放大器的输入端，实现参数多路信号的分时采集。（2）测量放大器AMP放大器将前一级多路开关切换进入待采集信号放大(或衰减)至采样环节的量程范围内。通常，实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入信
43、号幅值的不同，选择不同的增益倍数。对于Nl公司的采集卡选择增益是在LabVIEW中通过设置信号输入限制来实现的，LabVIEW会根据选择的输入限制和输入电压范围的大小来自动选择增益的大小。（3）采样/保持器采样保持器取出被测信号在某一瞬间的值(即信号的时间离散化)A/D转化过程中保持信号不变。如果被测信号变化很慢，可以不用采样/保持器。（4）A/D转换器A/D转换器将输入的模拟量转换为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。 以上四部分都处在计算机的前向通道，是组成数字采集卡的主要环节。它们与其它有关电路，如定时/计数器、总线接口
44、电路等做在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡，完成对被测信号的采集、放大及模/数转换任务。在很多采集卡的印刷电路板上，还装有数/模转换器(D/A)，它处在计算机的后向输出通道，用于将计算机输出的数字量转化为模拟量，从而实现控制功能。不同的数据采集卡可完成功能的复杂程度不同，使用时根据需要合理选择14。3.3.4数据采集卡的选择数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据采集卡的主要性能指标如下：（1）采样频率采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形
45、失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。（2）采样方法采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器，要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是处于成本的考虑，现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A/D转换器。（3）分辨率ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A/D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到111之间表示
46、。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得就能获得十分精确的模拟信号数字化表示。（4）电压动态范围电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。例如，一个12位多功能DAQ卡，其可选的范围从0到10V，或5到5V，其可选增益有1，2，5，10，20，50或100。电压取值范围从0到10V，增益为50，则理想分辩电压是：。（5）I/O通道数该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数9。3.3.5北京阿尔泰科技USB2089数据采集卡主要性能指标：400KS/s 14位 16路 模拟量输入；带DA、DIO功能14位AD精度，400KS/s采样频率单端16路/差分8路 模拟量输入AD缓存：96K字存储器板载DSP
