基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)

　　熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，測溫時，熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，因此測量精度高。常用的熱電偶從-50℃～+1 600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達+2 800℃(如鎢-錸)。另外，熱電偶通常由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。所有這些優(yōu)點使得熱電偶成為工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。

　　虛擬儀器是計算機技術和儀器測量技術相結(jié)合的產(chǎn)物，它充分利用計算機強大的運算處理功能，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制。本文利用虛擬儀器平臺，通過編寫Labview軟件對溫度進行測量，可以減少硬件的重復開發(fā)，有利于系統(tǒng)的維護，也便于系統(tǒng)軟件升級。

　　1 熱電偶測溫原理

　　熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導體或半導體焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。如圖1所示。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同，當兩個導體的兩個連接點之間存在溫差時，就會發(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，也叫塞貝克效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。如果兩個接點的溫度相同，則不會產(chǎn)生電流。

　　圖1中，由兩根不同導線A和B組成電路，連接成的接點溫度分別為t和t0，則電路中產(chǎn)生的熱電勢等于接點的電動勢之差，如下式：

　　熱電偶用于探測溫度的一端稱為“熱端”，處于標準溫度的一端稱為“冷端”，國際公認的標準冷端溫度為0℃，但是在工業(yè)現(xiàn)場，要將冷端溫度處理成0℃不太現(xiàn)實，因此必須對冷端進行補償。對于冷端溫度為t1的情況，可按下式進行處理：

　　式(2)中，E(t，0)表示熱電偶熱端溫度為t，冷端溫度為0時的熱電勢;E(t，t1)表示熱端溫度為t，冷端溫度為t1時的熱電勢，E(t1，0)表示熱端溫度為t1，冷端溫度為0時的熱電勢，根據(jù)實際測試得到的冷端溫度，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)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件由熱電偶、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、PXI機箱組成，如圖2所示。本設計采用K型熱電偶，使用溫度范圍為-200℃～1200 ℃，其輸出電壓信號為mV級，因此，信號調(diào)理模塊包括信號放大電路、濾波電路以及冷端補償電路。熱電偶測試的冷端補償通常有兩種方式：硬件補償和軟件補償，本設計采用軟件補償?shù)姆绞健?/p>

　　采用差動輸入的方式將熱電偶輸出信號連接到儀表放大器上，熱電偶滿量程輸出信號為100mV，數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為-10V～10V，因此設計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放大器的輸出信號進行濾波，濾波器的截止頻率為2Hz。另外，為了抑制放大器的零點漂移，設置一個基準調(diào)節(jié)電路，將放大器的基準電壓穩(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系、測溫范圍廣、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℃時電阻為100 Ω，100℃時電阻為138.51Ω，Pt10在溫度為0℃時電阻為10 Ω，本設計采用Pt100對冷端溫度進行測量，將測得的冷端溫度送給計算機，通過軟件計算進行補償。冷端溫度測量電路如圖4所示。