基于虛擬儀器的溫度測(cè)量系統(tǒng)

　　熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，測(cè)溫時(shí)，熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，因此測(cè)量精度高。常用的熱電偶從-50℃～+1 600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)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(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)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(cè)元件之一。

　　虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器測(cè)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(tái)，通過(guò)編寫(xiě)Labview軟件對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，可以減少硬件的重復(fù)開(kāi)發(fā)，有利于系統(tǒng)的維護(hù)，也便于系統(tǒng)軟件升級(jí)。

　　1 熱電偶測(cè)溫原理

　　熱電偶測(cè)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(lái)，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(lái)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(shì)等于接點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)之差，如下式：

　　熱電偶用于探測(cè)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(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)冷端溫度為0℃，但是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，要將冷端溫度處理成0℃不太現(xiàn)實(shí)，因此必須對(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)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(shì);E(t，t1)表示熱端溫度為t，冷端溫度為t1時(shí)的熱電勢(shì)，E(t1，0)表示熱端溫度為t1，冷端溫度為0時(shí)的熱電勢(shì)，根據(jù)實(shí)際測(cè)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(cè)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(hào)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(hào)為mV級(jí)，因此，信號(hào)調(diào)理模塊包括信號(hào)放大電路、濾波電路以及冷端補(bǔ)償電路。熱電偶測(cè)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(hào)連接到儀表放大器上，熱電偶滿量程輸出信號(hào)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(duì)放大器的輸出信號(hào)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(cè)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(duì)冷端溫度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的冷端溫度送給計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償。冷端溫度測(cè)量電路如圖4所示。