基于LabVIEW的热电偶温度记录仪.docx

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基于LabVIEW的热电偶温度记录仪

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。

本设计采用基于LabVIEW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。

硬件主要是由热电偶温度传感器、数据采集卡、PC机组成，主要实现温度信号的采集、转换、处理等功能。

采用LabVIEW8.5进行图形化编程设计了前面板。

可以通过用户登录界面进入系统，前面板设计包括温度采集、温度记录、温度查询三部分。

在程序框图设计中，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，实现了对于四个不同通道的数据采集、记录、实时显示、报警及查询等功能。

关键词：

LabVIEW；虚拟仪器；温度；采集；记录

Abstract

Temperaturenotonlyisanimportantcharacterizationofphysicalequipment,butalsoistheheattransferanalysisinanimportantparameter.Thetestandrecordthetemperatureindustrialapplicationsareoftenexperimentwithteachingproblems.

Thissetofvirtualinstrumentwhichisbasedonthethermocoupletemperaturerecorder,isrecordthetemperatureofthermocouple.Designisdividedintohardwaredesignandsoftwaredesign.Hardwarewasdesignedbythethermocoupletemperaturesensor,dataacquisitioncards,PCsystems,etc.Itismainlytemperaturesignalacquisition,transformation,processingandotherfunctions.SoftwaredesignusedLabVIEW8.5graphicalprogrammingsoftware.TheinterfacecanbedisplayedTemperatureacquisition,temperaturerecordsandtemperaturequerythroughuser-side.Inprogramdesign,Ipreparedasub-VI（usermanagement,DAQacquisition,channelselection,databaseaccess,databasewritedatabasequery）.Andtheyachievedthefourdifferentchannelsfordatacollection,recording,real-timedisplay,alarmandinquiryfunctions.

Keywords:

LabVIEW;Virtualinstrument;temperature;collection;Records

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1温度记录仪的发展历史及现状1

1.2温度记录仪分类与应用2

1.3研究背景及意义2

1.3.1研究背景2

1.3.2研究意义3

1.4虚拟仪器技术3

1.4.1虚拟仪器的概念4

1.4.2虚拟仪器的结构4

1.4.3虚拟仪器的技术优势5

1.5本章小结6

第二章温度记录仪方案比较与选择8

2.1有纸温度记录仪8

2.2无纸温度记录仪8

2.3方案比较与选择8

2.4总体方案设计9

2.5本章小结10

第三章热电偶温度记录仪硬件设计11

3.1热电偶型号的选择11

3.1.1热电偶的发展现状11

3.1.2热电偶的发展趋势12

3.2热电偶冷端温度补偿与线性化处理方法13

3.2.1热电偶冷端温度补偿原理13

3.2.2LT1025的结构和工作原理13

3.2.3LT1025在K型热电偶测温中的应用14

3.2.4LT1025在S型热电偶测温中的应用15

3.3数据采集卡的选择15

3.4本章小结16

第四章热电偶温度记录仪软件设计17

4.1热电偶温度记录仪的软件设计结构图17

4.2软件前面板设计17

4.2.1用户登录前面板17

4.2.2温度采集前面板设计18

4.2.3温度记录前面板设计19

4.2.4温度查询前面板设计20

4.3程序框图设计21

4.3.1用户登录模块程序设计22

4.3.2通道选择模块程序设计24

4.3.3温度采集模块程序设计24

4.3.4温度报警模块程序设计25

4.3.5数据库访问模块程序设计25

4.3.6数据库写入模块程序设计26

4.3.7数据库查询模块程序设计27

4.4系统程序调试28

4.5本章小结30

第五章总结32

参考文献33

附录主程序图35

致谢36

第一章绪论

1.1温度记录仪的发展历史及现状

温度记录仪是测量物体冷热程度的工业自动化仪表，一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。

最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于1592年创造的。

它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。

当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。

1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180度的水银温度记录仪，即至今仍沿用的华氏温度计。

1742年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，温湿度记录仪以水的冰点为100度、沸点作为0度。

到1745年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍沿用的摄氏温度计。

早在1735年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到18世纪末，出现了双金属温度计；1802年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度计。

1821年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。

1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。

国际现代通用的温标是1967年第13次国际权度大会通过的，1968年国际实用温标。

它以13个纯物质的相变点，如氢三相点，即氢的固、液、气三态共存点（-259．34℃）；水三相点（0.01℃）和金凝固点（1064.43℃）等，作为定义固定点来复现热力学温度的[1]。

温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。

温度的宏观概念是冷热程度的表示，温度的微观概念是大量分子运动平均强的表示。

分子运动愈激烈其温度表现越高。

在工业过程控制中，温度也是一个重要的测量参数。

随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的智能检测是当今温度检测的趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。

根据上述要求，国内外温度仪表将向以下几方面发展:

（1）继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如:

热电偶、热敏电阻等。

（2）加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。

（3）向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展[2]。

1.2温度记录仪分类与应用

温度记录仪分类：

按记录媒介分：

有纸温度记录仪、无纸温度记录仪；其中有纸温度记录仪又分为：

长图温度记录仪、圆图温度记录仪。

按通道分：

单通道温度记录仪、双通道温度记录仪、多通道温度记录仪。

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；近几年推出的带USB接口的无纸记录仪更是极大地方便了数据的下载和保存。

但是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需电脑知识而适应于一些低知识水准员工操作的管理和控制，有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代[3]。

1.3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。

1.3.1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[4]。

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。

1.3.2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[5]。

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。

1.4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。

1.4.1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[6]。

1.4.2虚拟仪器的结构

虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。

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”[6]。

1.4.3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[7]：

（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。

1.5本章小结

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，温度采集及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。

为了解决上述这些问题，早期仪器仪表的开发者采用了有纸记录仪，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。

进入21世纪以来，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。

和常规仪器技术相比，虚拟仪器技术有四大优势：

性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成。

例如利用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、结构，设计用户自己的仪器。

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。

因此在热电偶温度记录工作中，如何能将热电偶温度采集记录技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度采集及记录领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。

第二章温度记录仪方案比较与选择

2.1有纸温度记录仪

有纸记录仪以独特的热打印记录方式和先进的微处理器控制技术，实现了无与伦比的高记录清晰度、高精度、高可靠性、多功能且便于操作。

可连续记录和数字打印。

该仪表的每个通道均可直接选择接收多种热电偶、热电阻、电压和电流信号，并可对被测信号进行数字显示及进行趋势记录和数字记录，能在本身打印的100mm宽的纸格上同时记录刻度值、时间及每一个信号的曲线，并将通道号印在各通道的轨迹旁。

可通过键盘设定测量信号种类、小数点位置、显示范围、记录边界、报警值、回差、系统误差的校正、记录标尺、数据打印间隔、走纸速度、打印深度及时间等参数，并对所设参数加以保护。

广泛应用于医药、石油、化工、冶金、电力等行业及科研单位。

STR1000有纸记录仪具有以下显著特点：

高可靠性、支持网络功能、强大的运算功能、多样的显示功能、友好的人机界面，操作更简便、丰富的报警功能、丰富的记录和打印功能、高可靠性、采用完全隔离技术[8]。

2.2无纸温度记录仪

热电偶测温仪的硬件由热电偶传感器、集成温度传感器AD590、信号调理模块、数据采集卡及PC四部分组成，系统结构如图2.1。

图2.1热电偶测温系统结构框图

热电偶采集被测温度信号并将其转化为电压信号，经仪表放大器放大，滤波电路滤波后输入到数据采集卡，转换为数字信号传给PC。

集成温度传感器AD590测量实时环境温度实现冷端温度补偿。

AD590是由美国模拟器件公司（AD）生产的恒流源式模拟集成温度传感器的特点，测量误差小、采用二次查表法加线性插值实现温度的测量与显示[9]。

2.3方案比较与选择

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。

虚拟仪器的设计中，硬件要求很低，成本低廉，程序为图形化语言，编程容易。

这样，在仪器仪表的设计中，就可以省不少开发时间和不必要的浪费。

除此之外，基于虚拟仪器的温度记录仪的设计中，用户还可以根据自己的需要定义仪器的功能，设计出符合自己要求的仪器仪表来。

这样的虚拟仪器开发周期短，效率高。

综上所述，本设计采用LabVIEW来实现热电偶温度的记录。

2.4总体方案设计

在工业过程控制中，温度是一个重要的测量参数，而热电偶具有准确度高、测温范围广和成本低廉等优点，使其成为工业应用中温度测量的首选。

本设计针对传统热电偶非线性和冷端温度补偿方法的不足，为准确测量温度，将传统的热电偶测温技术与LabVIEW相结合起来，通过计算机运行LabVIEW程序来分析处理输入数据，最终由计算机显示结果。

利用LabVIEW实现了非线性和冷端温度的高精度实时补偿。

热电偶对现场温度的测量、信号的调理到数据采集、数据分析，数据处理，最后到执行机构构成了一个完整的温度测量与控制系统。

应用了软件的特点直接进行温度的测量。

硬件中只需要把热电偶的两个接线端口接到数据采集卡上就行。

运行程序，就可以得出实际的温度。

系统基本原理图如图2.2所示。

图2.2热电偶温度记录仪系统原理图

温度由热电偶从热端进行采集，经过信号处理后，将数据送入数据采集卡。

用基于LT1025的信号调理电路实现冷端温度补偿与线性化处理。

LT1025是美国LINEAR公司生产的低功耗热电偶冷端补偿专用集成芯片，它既可用于E、J、K、R、S和T型热电偶的冷端补偿，又