虚拟热电偶温度记录仪.docx
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虚拟热电偶温度记录仪
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虚拟热电偶温度记录仪
摘要
温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。
随着测控技术的发展，热电偶温度测量记录及其技术与虚拟仪器相结合成为了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有十分积极的意义。
在资料收集过程中，基于单片机、DSP的嵌入式、和虚拟仪器这三种方法实现的热电偶温度记录的方案在实际应运中使用比较普遍。
本设计采用基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪来实现热电偶温度记录。
设计分为硬件设计与软件设计两部分。
硬件主要是由前端感温装置（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。
软件设计采用LabVIEW8.5进行图形化编程设计了前面板。
该界面可以通过用户登陆端显示温度采集、温度记录、温度查询三部分前面板。
在程序设计中，编写了用户管理、DAQ采集、通道选择、数据库访问、数据库写入、数据库查询等子VI，实现了对于八个不同通道的数据的采集、记录、实时显示、报警及查询等功能。
关键词：
LabVIEW；虚拟仪器；传统仪器；温度；采集；记录
VirtualThermocoupleTemperatureRecorder
Abstract
Temperaturenotonlyisanimportantcharacterizationofphysicalequipment,butalsoistheheattransferanalysisinanimportantparameter.Thetestandrecordthetemperatureindustrialapplicationsareoftenexperimentwithteachingproblems.Withthedevelopmentofmoderncontroltechnologyinthethermocoupletemperaturerecordsoftheapplicationofvirtualinstrumenttechnology,howtheycanberecordedanditstechnologywiththeLabVIEWeffectivecombinationofvirtualinstrumenttotestthetemperaturehasbecomeanewtopicinthefieldofmeasurement.Andcontroltechnologydevelopmentisverypositive.
Inthedatacollationprocess,MCU-based,DSP-basedandBasedonVirtualInstrumentlogger,basedonthetemperaturerecorderofthethreeprogramsshouldbedeliveredinpracticetheuseofmorecommon.Thissetofvirtualinstrumentwhichisbasedonthethermocoupletemperaturerecorder,isrecordthetemperatureofthermocouple.Designisdividedintohardwaredesignandsoftwaredesign.
Hardwarewasdesignedbythefront-endtemperaturesensingdevices（temperaturesensors）,dataacquisitioncards,PCsystems,etc.Itismainlytemperaturesignalacquisition,transformation,processingandotherfunctions.
SoftwaredesignusedLabVIEW8.5graphicalprogrammingsoftware.TheinterfacecanbedisplayedTemperatureacquisition,temperaturerecordsandtemperaturequerythroughuser-side.Inprogramdesign,Ipreparedasub-VI（usermanagement,DAQacquisition,channelselection,databaseaccess,databasewritedatabasequery）.Andtheyachievedtheeightdifferentchannelsfordatacollection,recording,real-timedisplay,alarmandinquiryfunctions.
Keywords:
Virtualinstrument;traditionalinstruments;temperature;collection;Records
目录
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1研究背景及意义1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究意义2
1.2虚拟仪器技术2
1.2.1虚拟仪器的概念3
1.2.2虚拟仪器的结构3
1.2.3虚拟仪器的技术优势4
1.3热电偶温度记录仪6
1.3.1热电偶的发展现状7
1.3.2热电偶的发展趋势8
1.4本章小结9
第二章热电偶温度记录仪方案选择与设计11
2.1常用设计方案11
2.1.1基于单片机的温度记录仪11
2.1.2基于DSP的嵌入式温度记录仪11
2.1.3基于虚拟仪器的温度记录仪12
2.2方案比较与选择13
第三章基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪的硬件设计14
3.1热电偶温度记录仪调理电路15
3.1.1冷端补偿调理电路15
3.1.2信号调理电路16
3.1.3PCI6221数据采集卡设置18
3.2本章小结20
第四章基于虚拟仪器的热电偶温度记录仪的软件设计21
4.1软件前面板设计21
4.2主程序框图设计25
4.2.1用户登录模块程序设计25
4.2.2数据库访问模块程序设计27
4.2.3通道选择模块程序设计28
4.2.4温度采集模块程序设计29
4.2.5信号处理模块程序设计29
4.2.6温度报警模块程序设计32
4.2.7数据库写入模块程序设计32
4.2.8数据库查询模块程序设计33
4.3本章小结34
第五章运行与检测37
5.1运行结果37
5.2本章小结39
参考文献41
附录：
主程序图43
致谢44
第一章引言
一.1研究背景及意义
随着现代测试技术的不断发展，以LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）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的位置。
在热电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。
因此如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。
一.1.1研究背景
温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。
早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增；近两年推出的带USB接口的无纸记录仪更是极大的方便了数据的下载和保存[1]。
然而由于在某些场合目前有关规定必须使用有纸温度记录仪，比如：
医疗上用的高温杀菌锅、低温冷藏、用于出口的食品生产等；以及有纸温度记录仪无须电脑知识而适用于一些低知识水准员工操作场合的管理和控制，因此有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代。
进入21世纪以来，作为测试技术的一个分支，虚拟仪器的开发和研制在国内得到了飞速的发展。
虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，并利用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计算机仪器系统。
一.1.2研究意义
随着现代控制技术的发展，在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集，例如在发电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集，而温度采集又是其中极为重要的部分。
目前，温度测量主要采用玻璃液体温度计，人工观测。
这种测量方式，一方面给偏远地区的观测人员带来诸多不便；另一方面，测量精度受人为因素影响，测量误差大。
因此，有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。
在农业方面，温度的变化影响作物的发芽、幼苗的成长、作物的开花、果实的成熟，等等。
对于不同的作物，其适宜的生长温度总是在一个范围。
超过这个范围，作物或许会成活，但是其生长的规律将发生明显的变化，这对于作物能够优质、高产的目标相距甚远，因此，实时获取作物生长的环境温度，对超过作物生长适宜范围的温度能够报警非常重要。
同时，作物的适宜温度范围可以由检测人员根据实际情况加以改变。
以LabVIEW为代表的图形化语言，又称为G语言。
使用这种语言编程的时候，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。
利用LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。
它遵循“软件即仪器”的概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件进行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按照用户的需要定义仪器功能和结构，设计用户自己的仪器[2]。
所以，在热电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。
因此如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。
一.2虚拟仪器技术
随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。
20世纪80年代中期，美国国家仪器公司（NationalInstrument简称NI）首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器简称概念，并随之推出第一批实用成果。
这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。
虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。
一.2.1虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。
虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。
虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。
虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理[3]。
1.2.2虚拟仪器的结构
虚拟仪器由硬件和软件两部分组成[3]。
虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。
为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟/数字转换器（ADC）、数字/模拟转换器（DAC）、数据采集卡（DAQ）等。
电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。
虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。
按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准体系结构。
（1）GPIB（GeneralpurposeInterfaceBus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。
GPIB的硬件规格和软件协议己纳入国际工业标准IEEE488.1和IEEE488.2。
它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE488的GPIB接口。
典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。
GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到非常昂贵的仪器。
但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不大适合于对系统速度要求较高的应用。
（2）VXI（VMEbus Extension for instrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Eurocard标准（机械结构标准）和IEEE488等标准的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。
VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。
系统中各功能模块可随意更换，即插即用，可随意组成新系统。
VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。
（3）PXI（PCIextensionforInstrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。
其核心是CompactPCI结构和MicrosoftWindows软件。
（4）DAQ（DataAcquisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。
它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。
利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer---BasedInstruments），实现“一机多型”和“一机多用”。
1.2.3虚拟仪器的技术优势
虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：
一是GPIB→VXI→PXI总线方式,二是PC插卡式→LPT并行口式→串口USB方式→IEEE标准的1394口方式。
美国NI公司开发的LabVIEW和中国COINV开发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。
LabVIEW平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器的开发商、学校仪器制造专业的教学以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非可最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户即只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。
DASP平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常的快捷方便，精度又很高，用户拿起来就可直接使用，但对于专业仪器开发商或者仪器行业自己需开发虚拟仪器的用户，有一定的局限性。
和常规仪器技术相比，NI虚拟仪器技术有四大优势[4]：
（1）性能高
虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。
此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。
（2）扩展性强
NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制。
这些都得益于NI软件的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进自己的系统。
在利用最新科技的时候，还可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。
（3）开发时间少
在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。
NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。
（4）无缝集成
虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。
随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。
NI的虚拟仪器软件平台为所有的I\O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。
一.3热电偶温度记录仪
热电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。
两种不同的导体或半导体A，B构成闭合回路，如图1.1所示。
当两端温度不同，在闭合回路中就会产生热电势，这种现象就称为热电效应。
图1.1热电偶测温原理图
工艺上比较成熟是标准化热电偶，其能批量生产、性能稳定、应用广泛而且具有统一的分度表，并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。
标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。
国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶，标准化热电偶的名称，分度号，测量范围，精确度等级及允许偏差如表1.1所示。
表1.1标准化热电偶分度表[5]
热电偶
名称
分度号
热电偶识别
E（100,0）
（mV）
测温范围（
）
对分度表允许偏差（
）
新
极性
识别
长期
短期
等级
使用温度
允差
铂铑10-铂
S
正
亮白硬
0.646
0~1300
1600
≤600
±1.5
负
亮白软
>600
±0.25%t
铂铑13-铂
R
正
较硬
0.647
0~1300
1600
<600
±1.5
负
柔软
>1100
±0.25%t
铂铑30-铂
B
正
较硬
0.33
0~1600
1800
600~900
±4
负
稍软
>800
±0.5%t
镍铬-镍硅
K
正
不亲磁
4.096
0~1200
1300
-40~1300
±2.5
负
稍亲磁
-200-40
±2.5
镍铬硅-镍硅
N
正
不亲磁
2.774
-200~1200
1300
-40~1100-
±1.5
负
稍亲磁
-40~1300
±2.5
镍铬-康铜
E
正
暗绿
6.319
-200~760
850
40~900
±2.5
负
亮黄
-200~40
±2.5
铜-康铜
T
正
红色
4.279
-200~350
400
-40~350
±1
负
银白色
-200~40
±1
铁-康铜
J
正
亲磁
5.269
-200~600
750
-40~750
±2.5
负
不亲磁
非标准化热电偶的发展很快，主要目的是进一步扩展高温的测量范围和低温的测量范围。
但对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已经有产品，且能够使用，但还没有统一的分度表。
1.3.1热电偶的发展现状
热电偶由两种不同金属或合金组成闭合回路。
它们的一端通常焊接在一起形成接点，称为测量端（工作端或热端）。
而另一端置于被测温场中其参考端恒定在某一温度下（通常为0℃），然后通过连接导线与测量仪表相连[6]。
由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶中就有电动势产生用测量仪表测得电动势的数值后，便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。
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-200～1600℃范围内的温度，有些热电偶甚至可测量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，广大技术工作人员在实际的测量检测中已经积累了较多的经验[7]。
然而广泛应用于工业和科研中的热电偶传感器。
由于受到测量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护套管材料玷污等情况的影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变化。
当热电特性变化超过规定的范围时，热电偶指示的温度便会失真，测温误差越来越大[8]。
除此之外由于热电偶热电势和温度之间的非线性以及冷端温度的不稳定，影响了测温精度。
传统的冷端及非线性补偿方法主要有以下两种:
一是基于硬件的补偿，但补偿电路复杂，成本较高，精度不够；二是基于软件的补偿，通过微机进行拟合或插值实现修正，普通的软件补偿对工作人员编程能力要求较高，计算量大，实时性不是很好。
因此，传统补偿方法在很多场合已经不能适应现代测温的要求[9]。
1.3.2热电偶的发展趋势
国内外的许多研究机构和制造商,根据工业过程自动化的检测和控制要求,不断设计和制造出许多新的热电偶、热电阻,目前的发展趋势大致如下。
（1）产品结构铠装化
铠装热电偶与热电阻具有寿命长、可弯曲、热响应时间小、耐震动等的优点,倍受用户的青睐。
它也将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式[10]。
（2）产品结构安装套管化
由于热电偶与热电阻检测元件实现了铠装
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