基于虚拟仪器的热电偶检定系统数据采集及处理系统精品.docx
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基于虚拟仪器的热电偶检定系统数据采集及处理系统精品
基于虚拟仪器的热电偶检定系统
—数据采集及处理系统
摘要
热电偶是广泛应用于工业和科研领域中的一种测温传感器，作为现代检测技术和仪器仪表工业的主要工具，它的准确与否直接关系到制造商与用户的经济利益。
为了确保热电偶温度计测温的准确性，不仅在出厂时要对它进行严格检定，而且在随后的使用中还要进行周期性检定。
随着计算机在各个领域中的发展和广泛应用，标准热电偶检定工作也由过去传统的人工手动操作，发展到现在的计算机自动检定，即采样、控制、数据处理、显示、保存、打印检定记录等整个过程都可由计算机来完成，解决了热电偶手动检定数据计算繁琐、误差较大、检定过程耗费时间长的问题，使标准热电偶整体检测水平得到了相应的提高。
基于上述形势，本论文利用现代计算机控制技术和数据采集技术，以及丰富的软、硬件资源，论述了一种新型的标准热电偶计算机自动检定系统的研制方法。
系统选用先进的集成数据采集卡和功能强大的LabVIEW虚拟仪器技术，构建了一种新型热电偶自动检定系统。
此系统界面友好，操作灵活方便，而且可移植性和重用性强。
关键词：
热电偶；自动检定；数据采集；虚拟仪器
TheCalibrationSystemofThermocouplesBasedonVirtualInstrument–DataAcquisitionandProcessingSystem
Abstract
Thermocoupleisasortoftemperaturesensor,whichisusedextensivlyinindustryandscientificfield.Astheimportantmeansoftemperaturemeasurementandindustryinthemodernsociety,itsaccuracydirectlyrelatestheeconomybenefitsofthemanufacturersandtheusers.Toensurethethermocouple’sveracity,itmustbecalibratedstrictlybeforeitleavefactory,andbecalibratedperiodicallyintheprocessofuseit.Withthefurtherdevelopingandwideapplicationforcomputerinthevariousfields,thecalibratingworkforstandardthermocouplehasbeingdevelopedfromthepasttraditionalmanualoperationtoautomation.Computercancompletethecalibratinginculdingsampling、controlling、processingdata、displaying、savingandprintingcalibratingrecords.Sotheautomaticcalibrationsystemnotonlyresovlvedaseriesofproblemssuchasdetaileddata-calculating,majorerrors,time-wastingandsoon,butalsoimprovedthetechnique.
Basedonabove-mentionedsituations,thisthesismakesuseofmordencomputercontorlanddataacquisitiontechnologywithabundantsoftwareandhardwareresources,andexpoundstheresearchofanewkindofautomaticcalibrationsystem.ThesystemusestheadvancedDAQandthepowerfulfunctionLabVIEWvirtualinstrumenttechnology,whichdesignsthenewautomaticcalibrationsystemforthermocouple.Ithasfriendlyinterface,andcanbeoperatedconveniently,moreover,itcanbetransplantedandrepeatedused.
Keywords:
Thermocouple;Automatictest;Dataacquisition;VirtualInstrument
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题的研究背景及发展概况1
1.2课题研究的主要内容4
第二章虚拟仪器的基本知识5
2.1虚拟仪器基本概念5
2.2虚拟仪器发展方向9
第三章热电偶简介11
3.1热电偶基本概念与测温原理11
3.1.1热电偶的基本概念11
3.1.2热电偶的测温原理15
3.2标准热电偶的检定16
3.3热电偶检定的数据处理18
第四章基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的设计19
4.1系统总体设计19
4.2炉温控制系统设计20
4.3数据采集系统设计22
4.3.1数据采集原理22
4.3.2数据采集系统的实现23
第五章热电偶检定系统的硬件配置24
5.1DAQ系统设计24
5.1.1信号调理卡24
5.1.2数据采集卡25
5.1.3DAQ硬件配置25
5.2热电偶检定炉26
5.3JKH-C2型可控硅移相触发器/调压器27
5.4零点恒温器29
5.5计算机配置29
第六章热电偶检定系统的软件设计与开发30
6.1软件系统的整体设计30
6.2软件设计31
6.2.1登陆系统子VI31
6.2.2初始设置子VI33
6.2.3预警系统子VI34
6.2.4数据采集子VI36
6.2.5数据记录与读取子VI38
6.2.6温度曲线子VI38
6.2.7误差与修正曲线子VI40
6.3检定结果分析41
第七章总结43
参考文献44
附录A总系统前面板46
附录B总系统数据流程图47
致谢48
第一章绪论
一.1课题的研究背景及发展概况
热电偶是我国目前工业常用的感温传感器，通常与温度仪表配套使用，广泛应用于工业生产、国防工业及科研中。
在使用过程中由于受到测量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护管材料的沾污等影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变化，尤其是在高温、腐蚀性气氛以及特殊工况下，这种影响就更严重。
当热电偶的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。
因此，热电偶作为温度计量器件，不仅在出厂时要对它进行严格检定，而且必须按照国家检定规程和校准规范要求进行定期检定，以此确定其误差大小，根据误差的大小决定被检热电偶是否可以继续使用，如果误差大小在相关检定规程的范围内，则给出其修正值，否则，判为不合格。
早期的工业热电偶检定由人工操作完成，这种方式是凭借操作人员的经验将温度逐个控制到每一个温度检定点，然后尽量将其稳定下来，加以检定。
在检定过程中，操作员一方面要记录每一热电偶的数据，另一方面还要进行热电偶的切换。
这种方法难以保证稳定时的精度，另外手工操作时间较长，存在着较大的延时误差，同时人为因素太大，因此，难以保证热电偶检定中严格的技术要求。
随着计算机技术的迅速发展，90年代初人们开始研制工业热电偶自动检定装置以解决现场仪表的自动校准工作。
在自动校准系统研制的初期，热电偶的校准需要购买很多设备（恒温炉、测量仪器等），这些设备大部分是从不同厂家购买的，它们本身都带有相应的软件，但这些软件之间是不能集成并相容的，因此，许多工作还是人工完成的，这时可以称为半自动检定。
随着进一步的研究和开发，出现了成套的热电偶自动检定系统，这一系统把各个设备的控制、测量以及结果的处理、保存、打印等功能集中在一套软件中，从而真正实现了自动检定和校准。
但这一系统价格昂贵，不能充分利用现有硬件资源，需要从开发商重新购买控温器、扫描开关、电测仪表等硬件及其相关软件，造成了资源的极大浪费。
并且这些系统在程序的编制上，采用了传统的编程语言，编程耗费的时间比较长，依赖于专业程序员和特定的编程语言。
另外，系统一经形成，无法随意更改其相应参数，不能使温度计量工程师对该系统进行修改和更新。
虚拟仪器是计算机技术和现代测控技术融合的产物，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。
所以，在热电偶的检定和分度工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高检定及分度的准确性。
目前无论国内还是国外，都对行业标准化有了足够的重视，但在我国毕竟起步较晚，对计量技术自动化和标准化的建设才刚刚开始，介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥无几。
总体上说，国外在检定精度上发展较快。
上个世纪末国内电子仪器仪表市场几乎完全被国外拥有先进技术的产品所占领。
近几年来，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起，国内对热电偶自动检定技术的研究正处于百家争鸣的时代，所研制的检定设备也层出不穷。
就调查所得的情况来看，可归纳为以下两大类：
（1）微处理器型。
这种类型的检定设备，是以各种各样的微处理器为智能核心，自组专用CPU系统，将检测、控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机箱内。
其优点是体积小，成本低，仪表自动化程度高。
其缺点是开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。
（2）通用微型计算机型。
这种类型的热电偶检定设备，直接利用目前迅速发展的计算机控制技术进行开发，专门设计一个通信检测接口，利用计算机强大的智能控制和数据处理功能，结合可视化操作界面和高级程序设计语言，配合键盘、鼠标和打印机输入输出。
其优点是开发环境优越，技术难度和工作量小，检定精度高，人机交互界面友好，功能齐全完善，故易于推广使用。
其缺点是成本高，体积大，检定系统会占用一定的计算机资源。
而虚拟仪器技术正是基于计算机系统的测控解决方案，区别于把计算机技术融入仪器内部的智能仪器，它将各种计算机平台，测量控制仪表和其他的硬件、软件和附件按用户自己的需要灵活组建，构成特定的智能测控系统，实现面向用户的特定功能。
这样可以充分利用现有硬件资源，自由构建工业热电偶自动检定系统。
随着科学技术的发展，热电偶的检定还会出现更好的方法。
因此，我还对热电偶检定做了如下的展望：
热电偶的检定过去都是由人工操作完成的，这不仅工作效率低，而且会引起人为误差。
随着计算机应用的普及和数字化仪表的发展，近十几年来，国内外在热电偶检定自动化方面作了不少研究，有了很大发展。
本文从温度自动检定系统的国内外研究现状出发，提出了基于LabVIEW的工业热电偶自动检定系统。
LabVIEW编程的主要特点就是将虚拟仪器分解为若干基本的功能模块，模块的引脚代表输入/输出接口。
编程者可以通过交互式手段，采用图形化框图设计的方法，完成虚拟仪器的测量控制功能设计。
LabVIEW编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机交互界面无需对整个程序进行调试，这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分方便的。
目前，工业热电偶的检定基本上仍是在温度计量实验室内完成的。
而很多时候，工业热电偶是被安装在现场测温，若要把它们拆卸下来放到实验室去检定是比较麻烦的。
另一方面，热电偶热电阻在现场环境下长期使用后，材料成分发生了不均匀变化，热电特性也发生了变化，而要在实验室中查看清楚这种热电特性的变化是不现实的。
唯一可行而有实际意义的做法是在所使用的现场条件下，通过检定查看其热电特性变化。
因此，在线检定是自动检定以外热电偶检定方面的又一个趋势。
此外，在现已进行的工作基础上，对本课题的研究作以下构想：
1、改进检定炉，使之能够提供各种工业常用标准热电偶检定的温场环境；
2、对炉温控制做进一步研究，实现计算机自动控制系统的精密控温；
3、改进软件系统，扩充系统功能和完善视窗画面效果；
4、引进先进设备，提高检定系统的测量精度；
5、建立功能强大的数据库管理系统，使数据处理更趋合理。
一.2课题研究的主要内容
本论文以现代工业中生产和使用的标准热电偶为研究对象，通过了解它的热电特性、工作原理和检定方法，结合温度计量和计算机软、硬件设计的技术，遵照标准热电偶检定的步骤和规程，依托计算机虚拟仪器技术来实现热电偶检定的自动化。
最终目的是使人们能够在计算机上通过清晰的人机界面以菜单和图形方式将实验数据输入计算机，然后由计算机自动控温、自动检定、自动数据处理、自动打印检定结果，提高工作效率和检定精度。
系统的硬件方面，检定炉选用本学校实验室的回转式管式电阻炉，数据采集卡选用美国NI公司出品的PCI-6221数据采集卡。
系统的主控部分是配有键盘、鼠标和打印机的计算机系统。
系统的软件方面，选用美国NI公司开发的LabVIEW8.5来编写程序。
基于虚拟仪器的开放性和图形化模块式编程特点，可按不同的校准要求构建系统，使用方便、快捷，而且系统可移植性和重用性强。
第二章虚拟仪器的基本知识
二.1虚拟仪器基本概念
虚拟仪器（VirtualInstrumention）是基于计算机的仪器。
计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。
粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。
随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。
虚拟仪器主要是指这种方式。
20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。
虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入[1]。
虚拟仪器的发展过程：
1、GPIB→VSI→PXI总线方式（适合大型高精度集成系统）。
GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。
2、PC插卡→并口式→串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）。
PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。
综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：
（1）计算机是载体；
（2）软件是核心；
（3）高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。
虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。
其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。
用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。
同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：
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的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。
这得益于NI软件的灵活性，只需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整个系统。
在利用最新科技的时候，我们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上市的时间。
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，使我们轻松地配置、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，帮助我们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[2]。
虚拟仪器的发展随着计算机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：
1、PC总线—插卡型虚拟仪器
这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合。
Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言VisualC++，VisualBasic，Labviews/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。
但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。
另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。
2、并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。
仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。
美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器，它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。
由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
3、GPIB总线方式的虚拟仪器
GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。
它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由1台PC机、1块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。
在标准情况下，1块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。
GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。
GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。
4、VXI总线方式虚拟仪器
VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。
由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。
经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。
有其他仪器无法比拟的优势。
然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。
5、PXI总线方式虚拟仪器
PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。
PXI具有高度可扩展性。
PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3~4个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台[3]。
虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段，在我国虽刚起步，但发展迅速，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言，又称为“G”语言。
使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）以及图标/连结器（icon/connector）三部分。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。
像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能[4]。
二.2虚拟仪器发展方向
虚拟仪器精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输使其在自动控制领域和工业控制领域得到广泛的应用。
它以计算机发展为平台，更迎合了在当今信息社会各行各业向智能化、自动化、集成化发展的趋势。
它的灵活性，软、硬件的标准化令其在仪器计量领域逐渐取代传统仪器。
PC技术与嵌入式系统融合发展，使虚拟仪器的功能得以进一步的发展，如更多的嵌入式和实时功能。
随着PC技术和相关科技的发展，虚拟仪器技术已成为一项前沿学科，代表着仪器发展的最新方向，不断地被推向各个新的领域。
随着计算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势。
使用网络化虚拟仪器，可使任何地点、任意时刻获取测量数据
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