熱電偶溫度表設(shè)計(jì)報(bào)告

1、word目 錄第一章 緒論1第二章 總體設(shè)計(jì)方案22.1 實(shí)現(xiàn)的功能22.2 總體思路2第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1 溫度傳感器及調(diào)理電路33.1.1 熱電偶工作原理33.2 熱電偶的選型43.2.1 J型電偶53.2.2 E型電偶53.2.3 K型電偶53.2.3 N型電偶6第四章 LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)64.1 前面板設(shè)計(jì)64.2 框圖程序設(shè)計(jì)74.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊84.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊8第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析95.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果95.2 實(shí)驗(yàn)分析9第六章 小結(jié)10參考文獻(xiàn)11附錄1 熱電偶溫度表程序圖12附錄2 實(shí)驗(yàn)電路圖12第一章 緒論虛擬儀器的技術(shù)根底是計(jì)算機(jī)技術(shù)，核心是計(jì)算機(jī)

2、軟件技術(shù)。LabVIEW使用了“所見(jiàn)即所得的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、開(kāi)關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。所謂虛擬儀器就是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺(tái)從外觀(guān)到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，它的最大特點(diǎn)就是把由儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩?hù)自己定義儀器功能，滿(mǎn)足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測(cè)試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過(guò)修改虛擬儀器

3、的軟件來(lái)改變它的功能和規(guī)模，這充分表達(dá)了“軟件就是儀器的設(shè)計(jì)思想。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國(guó)NI公司推出的LabVIEWlaboratory virtual instrument engineering workbench即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)。LabVIEW使用了“所見(jiàn)即所得的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對(duì)象。如表頭、旋鈕、開(kāi)關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶(hù)可以通過(guò)使用編輯器將控制對(duì)象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象。就是LabVIEW提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫(kù)，并集成了很多儀器硬件庫(kù)。以L(fǎng)abVIEW支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的LabVIE

4、W應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。以L(fǎng)abVIEW為軟件平臺(tái)，通過(guò)熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度測(cè)量。有效的運(yùn)用了LabVIEW虛擬儀器技術(shù)。將諸多重要步驟都在配備硬件的普通PC電腦上完成，是得整個(gè)測(cè)量的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向軟件的設(shè)計(jì)，是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與溫度測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)典型范例。第二章 總體設(shè)計(jì)方案2.1 實(shí)現(xiàn)的功能本次課程設(shè)計(jì)要完成一個(gè)熱電偶虛擬溫度表的設(shè)計(jì)，這個(gè)溫度表能通過(guò)電偶的測(cè)量來(lái)顯示溫度的變化。溫度表通過(guò)測(cè)出電偶兩端的電壓，在利用溫度與電壓之間的關(guān)系，將它轉(zhuǎn)化成溫度，在溫度表上顯示。使用不同型號(hào)的熱電偶J型、K型、E型、N型，觀(guān)察溫度的變化。2.2 總體思路 虛擬儀器測(cè)溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術(shù)改

5、造傳統(tǒng)的測(cè)溫儀，使其具有更強(qiáng)大的功能。系統(tǒng)框架如下圖，儀器系統(tǒng)通過(guò)前端感溫裝置的傳感元件，將被測(cè)對(duì)象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計(jì)算機(jī)總線(xiàn)，在PC機(jī)內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的各種處理?？傮w流程如圖2-1所示： 圖2-1溫度測(cè)量系統(tǒng)原理框 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 溫度傳感器及調(diào)理電路3.1.1 熱電偶工作原理 熱電偶是由兩種金屬(或合金) 材料構(gòu)成的溫度傳感器。熱電偶具有熱電效應(yīng), 當(dāng)兩種金屬A和B 構(gòu)成閉合回路、并

6、且在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)。有公式:e= EAB(T1)EAB(T0) kq (T1T0) A BEAB (T1)、EAB (T0) 分別為熱端(T1)、參考端(T0) 的熱電勢(shì)。習(xí)慣上將參考端稱(chēng)作冷端, 此端溫度即測(cè)溫儀表所處環(huán)境的溫度, k 為波耳茲曼常數(shù), q 是電子電量, AB依次為金屬A、B 中自由電子的密度。顯然, 當(dāng)T1 >T0 時(shí), 熱電勢(shì)e 為正; T 1< T0 時(shí)e 為負(fù); 當(dāng)T1 = T0 時(shí),e = 0。為準(zhǔn)確測(cè)量溫度, 可將冷端置于冰水混合物中, 使之保持在0環(huán)境下, 但這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)不便; 通常采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏元件(如熱敏電阻)

7、 進(jìn)行補(bǔ)償。而利用集成溫度傳感器不僅可實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償, 且補(bǔ)償效果更好。圖3-1 熱電偶回路電動(dòng)勢(shì)通過(guò)將參考結(jié)點(diǎn)保持在溫度上并測(cè)量該電壓，便可推斷出檢測(cè)結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，而且體積極小。不過(guò)，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來(lái)自導(dǎo)線(xiàn)環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

8、我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。工業(yè)測(cè)溫用的熱電偶，其根本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線(xiàn)盒等。3.2 熱電偶的選型常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定

9、S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。工業(yè)測(cè)溫用的熱電偶，其根本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線(xiàn)盒等。本次實(shí)驗(yàn)選用J型，E型，K型，N型電偶。3.2.1 J型電偶鐵康銅熱電偶分度號(hào)為J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負(fù)極為康銅銅鎳合金，具特點(diǎn)是價(jià)格廉價(jià),適用于真空氧化的復(fù)原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200800，但常用溫度只是500以下，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線(xiàn)徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長(zhǎng)的壽命；該熱電偶能耐氫氣2及一氧化碳?xì)怏w腐蝕，但不能在高溫例如500含硫的氣氛中使用。溫度與電壓之間的關(guān)系：T=U*1000/523.2

10、.2 E型電偶鎳鉻銅鎳康銅熱電偶分度號(hào)為型熱電偶是一種較新的產(chǎn)品，它的正極是鎳鉻合金，負(fù)極 是銅鎳合金康銅，其最大特點(diǎn)是在常用的熱電偶中，其熱電勢(shì)最大，即靈敏度最高；它的應(yīng)用范圍雖不及型偶廣泛，但在要求靈敏度高、熱導(dǎo)率低、可容許大 電阻的條件下，常常被選用；使用中的限制條件與型相同，但對(duì)于含有較高濕度氣氛的腐蝕不很敏感。溫度與電壓之間的關(guān)系：T=U*1000/613.2.3 K型電偶鎳鉻鎳硅鎳鋁熱電偶分度號(hào)為該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金有些國(guó)家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳?？蓽y(cè)量01300的介質(zhì)溫度，適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200，長(zhǎng)期使用溫度為

11、1000，其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性。鎳鉻鎳鋁熱電偶與鎳鉻鎳硅熱電偶的熱電特性幾乎一樣，但是鎳鋁合金在高溫下容易氧化，穩(wěn)定性差，而鎳硅合金在抗氧化和熱電特性的穩(wěn)定性方面都比鎳鋁合金要強(qiáng)。因此我國(guó)根本上用鎳鉻鎳硅熱電偶取代了鎳鉻鎳鋁熱電偶，國(guó)外仍有用鎳鉻鎳鋁熱電偶。溫度與電壓之間的關(guān)系：T=U*1000/413.2.3 N型電偶鎳鉻硅鎳硅熱電偶分度號(hào)為該熱電偶的主要特點(diǎn)是：在1300以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在4001300范圍內(nèi)，型熱電偶的熱電特性的線(xiàn)性比型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)-200400的非線(xiàn)性誤差較大，同時(shí)，材料較硬難于加工。

12、溫度與電壓之間的關(guān)系：T=U*1000/27第四章 LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)4.1 前面板設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)采集與控制、測(cè)試結(jié)果的分析和記錄、數(shù)據(jù)查詢(xún)等，同時(shí)為用戶(hù)提供一個(gè)方便的操作界面。用戶(hù)界面前面板是虛擬儀器的重要組成局部，儀器參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試結(jié)果顯示等功能都是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，因此要求軟件界面簡(jiǎn)單直接，便于使用。本系統(tǒng)采用LabVIEW8.0軟件設(shè)計(jì)了用戶(hù)界面如下圖。該界面可顯示經(jīng)傳感器檢測(cè)、數(shù)據(jù)卡采集并轉(zhuǎn)換得到的電壓的變化，同時(shí)將標(biāo)定后得到的溫度值用數(shù)值方式顯示出來(lái)，如下圖。圖4-1 用戶(hù)界面4.2 框圖程序設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的硬件模塊配置后，虛擬儀器設(shè)計(jì)的主要工作就是編制相應(yīng)的軟件，用軟

13、件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等功能。LabVIEW的源程序?yàn)榭驁D式的，且提供了非常豐富的庫(kù)函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，從信號(hào)產(chǎn)生到信號(hào)處理，從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示，從文件讀寫(xiě)到網(wǎng)絡(luò)通信，多種多樣，大大提高了用戶(hù)編程的效率，減輕了編程工作量。在 LabVIEW 環(huán)境下開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序稱(chēng)之為VI (Virtual Instrument)。VI由軟面板程序和數(shù)據(jù)分析處理程序等組成。軟面板程序由一個(gè)人機(jī)交互的界面一前面板(Front Pane1)和相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序一后面板(Diagram)組成。軟面板程序用來(lái)提供虛擬儀器與用戶(hù)的接口。前面板是在計(jì)算機(jī)屏幕上生成一個(gè)與傳統(tǒng)儀器面板相似

14、的圖形界面，可設(shè)置控制按扭和顯示窗口，用戶(hù)可以通過(guò)前面板上的開(kāi)關(guān)和按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的操作，顯示窗口可以以文本或圖形形式顯示測(cè)量結(jié)果。圖4-1為溫度測(cè)量系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)，采用文本方式、溫度計(jì)方式和顯示測(cè)量溫度的變化。本系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)的測(cè)量與采集、模擬數(shù)據(jù)讀取、電壓-溫度轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示等模塊，其中有些模塊直接調(diào)用LabVIEW中的子模塊庫(kù)函數(shù)，如乘法、減法、定時(shí)器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶(hù)自定義設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。4.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，并把采集到的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)表中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理

15、、計(jì)算及打印。數(shù)據(jù)采集是該系統(tǒng)軟件的主要功能，也是其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形繪制的根底。LabVIEW可通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊顯示實(shí)際的電壓數(shù)值。圖42 數(shù)據(jù)采集4.2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采樣程序循環(huán)一次，就預(yù)處理采集數(shù)據(jù)，主要是對(duì)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度。由于熱電偶所產(chǎn)生的電壓信號(hào)較小，因此對(duì)采集到放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，復(fù)原熱電偶的實(shí)際電壓值，對(duì)實(shí)際的電壓信號(hào)數(shù)組進(jìn)行排列，對(duì)分度表的程序進(jìn)行索取，也就是將實(shí)際的電壓信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊中的電壓與溫度之間的關(guān)系，輸出相應(yīng)的溫度數(shù)值，轉(zhuǎn)換成功。圖43 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換同時(shí)，利用選擇模塊，選擇不同型號(hào)的熱電偶，顯示不同電偶同一電壓下，溫度的變化。圖 44 選擇模塊

16、第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)箱連線(xiàn)，選擇適當(dāng)?shù)奈锢硗ǖ?，運(yùn)行程序框圖，觀(guān)察前面板運(yùn)行結(jié)果。不同型號(hào)的電偶顯示的電壓與溫度的轉(zhuǎn)換不同。J型，E型，K型，N型所對(duì)應(yīng)得溫度如下： 圖 51 溫度與電壓的顯示5.2 實(shí)驗(yàn)分析采用LabVIEW軟件平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)箱所組成的測(cè)試電路，與PtlO0等熱電組溫度傳感器相比，具有使用簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；與DS1820等數(shù)字溫度傳感器相比，具有使用方便、本錢(qián)低廉等特點(diǎn)。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建溫度測(cè)量系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸和存儲(chǔ)等方面的限制，減少了硬件本錢(qián)和重復(fù)開(kāi)發(fā)，使得系統(tǒng)硬件維護(hù)、功能擴(kuò)展和軟件升級(jí)非

17、常方便。特別是只要對(duì)原程序作少許改動(dòng)，使用者就可以根據(jù)自己的需求，自行設(shè)計(jì)各種具有個(gè)性化的儀器顯示和操作面板。目前，以L(fǎng)abVIEW為軟件平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)正在成為現(xiàn)代溫度測(cè)量乃至整個(gè)測(cè)試領(lǐng)域的開(kāi)展方向。本次設(shè)計(jì)使用的四種類(lèi)型熱電偶，在同一電壓下，不同電偶測(cè)量的溫度不同，與他們本身的性質(zhì)有關(guān)，選擇電偶時(shí)，選擇相應(yīng)能測(cè)溫適宜的熱電偶類(lèi)型。第6章 小結(jié)通過(guò)為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，最終完成了對(duì)熱電偶溫度表的設(shè)計(jì)。在這次實(shí)訓(xùn)中，學(xué)到了很多知識(shí)，對(duì)電子測(cè)量這門(mén)課有了更深的了解。剛開(kāi)始時(shí)，覺(jué)得很難，老師只給了一個(gè)題目，參考資料都要自己找。網(wǎng)上搜索的都是些沒(méi)用的材料，不是設(shè)計(jì)復(fù)雜就是無(wú)參考價(jià)值的。對(duì)于那些設(shè)

18、計(jì)復(fù)雜的，在之前幾次的實(shí)驗(yàn)課上，老師都沒(méi)提及過(guò)這些元器件，根本不知道去哪里找這些元器件。本想去掉一局部功能，只要能顯示溫度與電壓就行了，但去掉一局部之后根本就無(wú)法運(yùn)行，更難找出錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)一兩天之后，果斷的放棄了網(wǎng)上搜索到的方案。之后，我們小組就查找一些以前做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，看看有沒(méi)有相似的，或者是相同原理的。我們?cè)谝郧暗膶?shí)驗(yàn)中找到了“模擬電壓信號(hào)的輸入顯示的實(shí)驗(yàn)，這與我們所做的設(shè)計(jì)有相同之處，都同樣輸入電壓，只是這次設(shè)計(jì)要求顯示溫度，而以前實(shí)驗(yàn)顯示電壓波形。只要將顯示的電壓波形轉(zhuǎn)化成溫度，那這個(gè)設(shè)計(jì)就可以完成了。我們看了以前的程序框圖，將它稍作修改：將電壓通過(guò)溫度與電壓的關(guān)系式轉(zhuǎn)化成溫度；選擇模塊，可以選擇不同型號(hào)的電偶。最終，我們成功了，電壓可以直接轉(zhuǎn)化成溫度，在前面板中顯示。其實(shí)，有些設(shè)計(jì)并不好是很難，只要你善于觀(guān)察，你總會(huì)在以前所做的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些共同點(diǎn)。加以修改，就會(huì)使它的作用發(fā)生改變。這次實(shí)訓(xùn)給了我很深的體會(huì)，什么是學(xué)以致用，就是要把你以前學(xué)到的東西用在你不會(huì)的地方。知識(shí)的運(yùn)用要靈活，不是學(xué)過(guò)就是會(huì)的了，真正的掌握是可以應(yīng)用于實(shí)踐。同時(shí)小組合作是非常有用的，一個(gè)人的時(shí)間，精力