熱電偶溫度表設(shè)計報告

1、word目 錄第一章 緒論1第二章 總體設(shè)計方案22.1 實現(xiàn)的功能22.2 總體思路2第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計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64.1 前面板設(shè)計64.2 框圖程序設(shè)計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 實驗結(jié)果與分析95.1實驗結(jié)果95.2 實驗分析9第六章 小結(jié)10參考文獻11附錄1 熱電偶溫度表程序圖12附錄2 實驗電路圖12第一章 緒論虛擬儀器的技術(shù)根底是計算機技術(shù)，核心是計算機

2、軟件技術(shù)。LabVIEW使用了“所見即所得的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。所謂虛擬儀器就是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，它的最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器

3、的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分表達了“軟件就是儀器的設(shè)計思想。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的LabVIEWlaboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺。LabVIEW使用了“所見即所得的可視化技術(shù)建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象。如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對象。就是LabVIEW提供了多種強有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。以LabVIEW支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的LabVIE

4、W應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。以LabVIEW為軟件平臺，通過熱電偶冷端補償?shù)姆椒ㄟM行溫度測量。有效的運用了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，是得整個測量的重點轉(zhuǎn)向軟件的設(shè)計，是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與溫度測量領(lǐng)域的一個典型范例。第二章 總體設(shè)計方案2.1 實現(xiàn)的功能本次課程設(shè)計要完成一個熱電偶虛擬溫度表的設(shè)計，這個溫度表能通過電偶的測量來顯示溫度的變化。溫度表通過測出電偶兩端的電壓，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。使用不同型號的熱電偶J型、K型、E型、N型，觀察溫度的變化。2.2 總體思路 虛擬儀器測溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術(shù)改

5、造傳統(tǒng)的測溫儀，使其具有更強大的功能。系統(tǒng)框架如下圖，儀器系統(tǒng)通過前端感溫裝置的傳感元件，將被測對象的溫度轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行功率放大、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。在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計算機總線，在PC機內(nèi)利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對采集的數(shù)據(jù)進行所需的各種處理?？傮w流程如圖2-1所示： 圖2-1溫度測量系統(tǒng)原理框 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計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、且在兩個結(jié)點存在溫度差時, 就會產(chǎn)生溫差熱電勢。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。習(xí)慣上將參考端稱作冷端, 此端溫度即測溫儀表所處環(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, 熱電勢e 為正; T 1< T0 時e 為負(fù); 當(dāng)T1 = T0 時,e = 0。為準(zhǔn)確測量溫度, 可將冷端置于冰水混合物中, 使之保持在0環(huán)境下, 但這會給測量帶來不便; 通常采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏元件(如熱敏電阻)

7、 進行補償。而利用集成溫度傳感器不僅可實現(xiàn)熱電偶冷端溫度的自動補償, 且補償效果更好。圖3-1 熱電偶回路電動勢通過將參考結(jié)點保持在溫度上并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。熱電偶的優(yōu)點是工作溫度范圍非常寬，而且體積極小。不過，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(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。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(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)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

8、我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。工業(yè)測溫用的熱電偶，其根本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線盒等。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。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(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)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定

9、S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。工業(yè)測溫用的熱電偶，其根本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線盒等。本次實驗選用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，具特點是價格廉價,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，因為超過這個溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；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，其最大特點是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，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%的鎳硅合金有些國家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳?？蓽y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，長期使用溫度為

11、1000，其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性。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。因此我國根本上用鎳鉻鎳硅熱電偶取代了鎳鉻鎳鋁熱電偶，國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為該熱電偶的主要特點是：在1300以下調(diào)溫抗氧化能力強，長期穩(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性比型偶要好；但在低溫范圍內(nèi)-200400的非線性誤差較大，同時，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4.1 前面板設(shè)計軟件設(shè)計主要完成數(shù)據(jù)采集與控制、測試結(jié)果的分析和記錄、數(shù)據(jù)查詢等，同時為用戶提供一個方便的操作界面。用戶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、測試結(jié)果顯示等功能都是通過軟件實現(xiàn)，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用。本系統(tǒng)采用LabVIEW8.0軟件設(shè)計了用戶界面如下圖。該界面可顯示經(jīng)傳感器檢測、數(shù)據(jù)卡采集并轉(zhuǎn)換得到的電壓的變化，同時將標(biāo)定后得到的溫度值用數(shù)值方式顯示出來，如下圖。圖4-1 用戶界面4.2 框圖程序設(shè)計完成相應(yīng)的硬件模塊配置后，虛擬儀器設(shè)計的主要工作就是編制相應(yīng)的軟件，用軟

13、件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和顯示等功能。LabVIEW的源程序為框圖式的，且提供了非常豐富的庫函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，從信號產(chǎn)生到信號處理，從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示，從文件讀寫到網(wǎng)絡(luò)通信，多種多樣，大大提高了用戶編程的效率，減輕了編程工作量。在 LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱之為VI (Virtual Instrument)。VI由軟面板程序和數(shù)據(jù)分析處理程序等組成。軟面板程序由一個人機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。軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口。前面板是在計算機屏幕上生成一個與傳統(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，用戶可以通過前面板上的開關(guān)和按鈕實現(xiàn)對虛擬儀器的操作，顯示窗口可以以文本或圖形形式顯示測量結(jié)果。圖4-1為溫度測量系統(tǒng)的前面板設(shè)計，采用文本方式、溫度計方式和顯示測量溫度的變化。本系統(tǒng)程序框圖設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)的測量與采集、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中的子模塊庫函數(shù)，如乘法、減法、定時器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶自定義設(shè)計實現(xiàn)。4.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)溫度的測量，并把采集到的數(shù)據(jù)全部存儲到數(shù)據(jù)表中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理

15、、計算及打印。數(shù)據(jù)采集是該系統(tǒng)軟件的主要功能，也是其他模塊進行數(shù)據(jù)處理、圖形繪制的根底。LabVIEW可通過數(shù)據(jù)采集模塊顯示實際的電壓數(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)，主要是對電壓信號轉(zhuǎn)換為溫度。由于熱電偶所產(chǎn)生的電壓信號較小，因此對采集到放大后的電壓信號進行除法運算，復(fù)原熱電偶的實際電壓值，對實際的電壓信號數(shù)組進行排列，對分度表的程序進行索取，也就是將實際的電壓信號通過轉(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，利用選擇模塊，選擇不同型號的熱電偶，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 實驗結(jié)果與分析5.1實驗結(jié)果 實驗箱連線，選擇適當(dāng)?shù)奈锢硗ǖ?，運行程序框圖，觀察前面板運行結(jié)果。不同型號的電偶顯示的電壓與溫度的轉(zhuǎn)換不同。J型，E型，K型，N型所對應(yīng)得溫度如下： 圖 51 溫度與電壓的顯示5.2 實驗分析采用LabVIEW軟件平臺和實驗箱所組成的測試電路，與PtlO0等熱電組溫度傳感器相比，具有使用簡單、體積小、靈敏度高、響應(yīng)時間短、抗干擾能力強等特點；與DS1820等數(shù)字溫度傳感器相比，具有使用方便、本錢低廉等特點。采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建溫度測量系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸和存儲等方面的限制，減少了硬件本錢和重復(fù)開發(fā)，使得系統(tǒng)硬件維護、功能擴展和軟件升級非

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

18、計復(fù)雜的，在之前幾次的實驗課上，老師都沒提及過這些元器件，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法運行，更難找出錯誤。經(jīng)過一兩天之后，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的實驗，看看有沒有相似的，或者是相同原理的。我們在以前的實驗中找到了“模擬電壓信號的輸入顯示的實驗，這與我們所做的設(shè)計有相同之處，都同樣輸入電壓，只是這次設(shè)計要求顯示溫度，而以前實驗顯示電壓波形。只要將顯示的電壓波形轉(zhuǎn)化成溫度，那這個設(shè)計就可以完成了。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，有些設(shè)計并不好是很難，只要你善于觀察，你總會在以前所做的實驗中發(fā)現(xiàn)一些共同點。加以修改，就會使它的作用發(fā)生改變。這次實訓(xùn)給了我很深的體會，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的地方。知識的運用要靈活，不是學(xué)過就是會的了，真正的掌握是可以應(yīng)用于實踐。同時小組合作是非常有用的，一個人的時間，精力