自动显示仪表 (2)

1、自动显示仪表与基础基于Labview的虚拟温度表的设计第一章 绪论1.1 虚拟温度测量系统的背景虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术三大核心技术，其中虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是突破传统仪器概念的最新一代测量仪器，它利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件，由用户自己定义来完成各种测试、测量和控制的应用。其本质特征是：“软件就是仪器”。它是基于计算机的软硬件测试平台，可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集成于自动控制、工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器技术具有性能高

2、、扩展性强、开发时间少和出色的集成四大优势，使其成为现代测控技术的发展趋势。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台）是一个程序开发环境。它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW还整合了诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。LabVIEW程序被称为虚拟仪器（VIs），是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。即使用户没有多少编程经验

3、，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程序。基于虚拟仪器技术，利用热电偶设计了一套温度测量系统，包括硬件和软件设计，硬件包括对热电偶输出信号的放大和滤波，以及对冷端温度的补偿电路，冷端温度通过Pt100热电阻进行测量；软件采用Labview进行编写，界面简洁，可通过图形化的界面对温度进行实时监测。第二章 仪表要求2.1题目要求1) 整理分析热电偶常见的类型2) 查询热电偶温度与电压的转换公式，再通过测量电压换算温度3) 将温度以温度表的形式显示出来4) 用LABVIEW中的流程图中的CASE结构显示电压的两个波形5) 虚拟温度测量仪器前面版的设计6) 虚拟温度测量仪器框图程序的设计7)

4、选用或自行设计一个符合系统要求的数据采集卡8) 数据采集卡通道的配置第三章 方案设计与论证31虚拟温度测量系统总体方案的设计3.1.1虚拟仪器技术与LabVIEW简介虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术三大核心技术，其中虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。虚拟仪器（Virtual Instrument,简称VI）是突破传统仪器概念的最新一代测量仪器，它利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件，由用户自己定义来完成各种测试、测量和控制的应用。其本质特征是：“软件就是仪器”。它是基于计算机的软硬件测试平台，可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等;可集成于自

5、动控制、工业控制系统;可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器技术具有性能高、扩展性强、开发时间少和出色的集成四大优势，使其成为现代测控技术的发展趋势。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台）是一个程序开发环境。它使用图形化编程语言G在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW还整合了诸如满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。LabVIEW程序被称为虚拟

6、仪器（VIs），是因为它们的外观和操作能模仿实际的仪器。即使用户没有多少编程经验，同样也能利用LabVIEW来开发自己的应用程3.1.2 总体方案的设计虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功能。系统框架如图所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。图3-1温度测量系统原理框图3.2硬件系统设计3.

7、2.1 传感器选型传感器选择主要根据测量范围。当测量范围预计总量程之内，选用铂电阻传感器。较窄量程通常要求传感器必须具相当高基本电阻，以便获得足够大电阻变化。热敏电阻所提供足够大电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄测量范围。如果测量范围相当大时，热电偶更适用。最好将冰点也包括此范围内，因热电偶分度表以此温度基准。已知范围内传感器线性也作选择传感器附加条件。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一2001600范围内的温度，有些热电偶甚至可测2000以上温度。所以热电偶是使

8、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。3.2.2 热电偶工作原理热电偶属于接触式温度测量仪表是工业生产中最常用的温度检测仪表之一。其特点为测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。热电偶是一种感温元件, 它能将温度信号转换成热电势信号, 通过与电气测量仪表的配合, 就能测量出被测的温度。热电

9、偶测温的基本原理是热电效应。在由两种不同材料的导体 A 和 B 所组成的闭合回路中 , 当 A 和 B 的两个接点处于不同温度 T 和 To时, 在回路中就会产生热电势。这就是所谓的塞贝克效应。导体 A 和 B 称为热电极。温度较高的一端 (T 叫工作端 ( 通常焊接在一起 )；温度较低的一端 (To )叫自由端 ( 通常处于某个恒定的温度下)。根据热电势与温度函数关系。可制成热电偶分度表。分度表是在自由端温度 To=0的条件下得到的。不同的热电偶具有不同的分度表。 热电偶是由两种金属(或合金) 材料构成的温度传感器。热电偶具有热电效应, 当两种金属A和B 构成闭合回路、并且在两个结点存在温度

10、差时, 就会产生温差热电势。有公式: e= EAB(T1)EAB(T0) kq (T1T0) A BEAB (T1)、EAB (T0) 分别为热端(T1)、参考端(T0) 的热电势。习惯上将参考端称作冷端, 此端温度即测温仪表所处环境的温度, k 为波耳兹曼常数, q 是电子电量, AB依次为金属A、B 中自由电子的密度。显然, 当T1 >T0 时, 热电势e 为正; T 1< T0 时e 为负; 当T1 = T0 时,e = 0。为准确测量温度, 可将冷端置于冰水混合物中, 使之保持在0环境下, 但这会给测量带来不便; 通常采用负温度系数的热敏元件(如热敏电阻) 进行补偿。而利用

11、集成温度传感器不仅可实现热电偶冷端温度的自动补偿, 且补偿效果更好。 图 3-2 热电偶 由两根不同导线A和B组成电路，连接成的接点温度分别为t和t0，则电路中产生的热电势等于接点的电动势之差，如下式： 热电偶用于探测温度的一端称为“热端”，处于标准温度的一端称为“冷端”，国际公认的标准冷端温度为0，但是在工业现场，要将冷端温度处理成0不太现实，因此必须对冷端进行补偿。对于冷端温度为t1的情况，可按下式进行处理：式(2)中，E(t，0)表示热电偶热端温度为t，冷端温度为0时的热电势；E(t，t1)表示热端温度为t，冷端温度为t1时的热电势，E(t1，0)表示热端温度为t1，冷端温度为0时的热电

12、势，根据实际测试得到的冷端温度，查分度表可求得E(t1，0)，E(t，t1)可直接测得，这样就可以求出E(t，0)，再查分度表即可得到热端的温度。对热电极材料必须满足以下几点：热电偶材料受温度作用后能产生较高的热电势, 热电势和温度之间的关系最好呈线性或近似线性的单值函数关系；能测量较高的温度, 并在较宽的温度范国内应用, 经长期使用后, 物理、化学性能及热电特性保持稳定；要求材料的电阻温度系数要小, 电阻率高, 导电性能好, 热容量要小；复现性要好, 便于大批生产和互换, 便于制定统一的分度表；机械性能好, 材质均匀；资源丰富, 价格便宜。为了保证热电偶可靠和稳定地工作对热电偶有如下要求：组

13、成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。标准化热电偶，按IEC国际标准生产。热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。 1.S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400，短期1600。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶； 2.R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同； 3.B分度号在室温下热电动势极小，

14、故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600，短期1800。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。 4.N分度号的特点是1300下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶； 5.K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000，短期1200。在所有热电偶中使用最广泛； 6.E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800； 7.J分度号的特点是既可用于氧化性气氛(使用温度上限750)，也可用于还原性

15、气氛(使用温度上限950)，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工; 8.T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300以下的温度。 由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热 电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到 仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。 在使用热电偶补偿导线时必须

16、注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100。冷端温度补偿器的型号应与热电偶的型号相符,并在规定温度范围内使用; 冷端温度补偿器与热电偶连接时极性不能接错; 根据补偿器的平衡点温度调整仪表起始点,使指针批示在平衡点温度; 具有自动补偿机构的显示仪表不安装补偿器;补偿器必须定期检查和检定表3-1 塞贝克系数硬件系统由前端感温装置（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。本系统前端感温装置采用K型电偶，热热电偶与R2串联分压，电路输出电压与温度成正比。AD592芯片对热电偶进行冷端补偿，MC1403芯片对输入的电流进行整形，得到

17、基准电压2.5V。传感器通常输出的信号较小，必须采用合适的信号调理电路（如放大），OP07主要减少测试电路的干扰，起到隔离的作用，尽量减小量化误差。当温度变大时，热电偶在分压点产生一线性电压，经电压跟随器保持后，进行一级放大，输出一个正向、与温度变化大小成正比的线性电压。测量电路输出的模拟电压送入数据采集卡，转化为数字信号再输入PC机。热电偶与电压转化公式： 温度=电压/赛贝克系数 3.3程序的前面板和程序框图等的设计与调试步骤3.3.1 前面板的设计软件设计主要完成数据采集与控制、测试结果的分析和记录、数据查询等，同时为用户提供一个方便的操作界面。用户界面（前面板）是虚拟仪器的重要组成部分，

18、仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现，因此要求软件界面简单直接，便于使用。本系统采用LabVIEW8.0软件设计了用户界面如图所示。 图3-3热电偶虚拟温度表前面板 如图所示是计算机虚拟温度的示意图，温度传感器的信号通过A/D转换输入计算机，计算机内进行给定的函数运算，输出形式可以由使用者选定，要么选定为温度计，要么选定为真式仪表，指针的刻度可以任选。运行时，显示器上就会出现一个指针式温度计，它的指针就会随着传感器上检测到的温度而变化。这个温度计并不存在，用计算机模拟这个温度计仅是虚拟仪器的一种。数据的采集离不开采集卡（DAQ）。DAQ的基本任务是对产生的物理信号进行提取和测量，

19、但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须还要使用传感器把物理信号转换成电信号，例如热敏电阻，热电偶，光电管等。由于由传感器输出的电信号通常很弱，并且可能包含大量的噪声信号，所以要有信号的调节装置，将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据，分析数据，给出结果等。3.3.2 框架结构设计Case 循环结构Case结构含有两个或者更多的子程序，执行哪一个取决于与选择端子或者选择对象的外部接口相连接的某个整数，布尔数，字符串或者标识的值，必须选择一个默认的case以处理超出范围的数值，或者直接列出所有可能的输入数值，case结构中各个子程序占有各自的流程框图

20、，在其上沿中央有相应的子程序标识：ture,false或1、2、3.。按钮用来改变当前显示的子程序（各子程序是重叠放在屏幕同一位置上的）。图3-4 Case结构框图 完成相应的硬件模块配置后，虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，用软件实现传统仪器的数据采集、存储、分析和显示等功能。本系统程序框图设计主要包括数据的测量与采集、模拟数据读取、电压-温度转换、数据处理及显示。图3-5虚拟温度计结构框图第四章 设计结果及分析4.1仿真结果分析本次设计使用的是S型，T型，R型热电偶，作为感温元件，分别测量其在相同条件下的温度。设计完成后，将各个热电偶通过ELVIS实验平台进行连接，输入电压，通过数据采集卡收集数据，再进行转换，通过温度计输出测得的温度。以下为不同热电偶测得的温度仿真图：1.“S”型热电偶图4-1(a) S型热电偶仿真图图4-1(b) S型 Case结构图 2.“T”型热电偶图4-2(a) T型热电偶仿真图图4-2(b) T型 Case结构图 3.“R”型热电偶图4-3(a) R型热电偶仿真图图4-3(b) R型 Case结构图4.2 存在的问题在进行系统调试时，切换热电偶后，显示的温度都不变。其原因是由于在后面板连线中输入循环结构进行数据转换的并不是电压值，导致了无法正确输出。本次设计使用的是S型、T型、R型热电偶，通过虚拟温度计来测量其