实用资料基于labview的热电偶温度巡检仪的设计与实现

实用资料基于labview的热电偶温度巡检仪的设计与实现内容摘要：

体 A 和 B 的电子密度分别为 NA 和 NB,并且 NANB,则在单位时间内 ,由导体 A 扩散到导体 B 的电子数比从 B 扩散到 A 的电子数多 ,导体 A 因推动电子而带正电 ,导体 B 因获得电子而带负电 ,因此 ,在 A 和 B 之间形成了电势差 ｡这个电势在 A, B 接触处形成一个静电场 ,阻碍扩散作用的继续进行 ｡在某一温度下 ,电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡 ,此时在接点处形成接触电势 ,如式 所示 () ATAB BTK T NE T LneN。 000() ATAB BTK T NE T LneT () 式中 ,e 为单位电荷 ,e=* 1019 C。 K 为玻耳兹曼常数 ,K=*1023J/K。 EAB (T)和 EAB(T0)分别为导体 A 和 B 的两个接点在温度 T 和 To 时的电位差 ｡NAT 和 NAT0为导体 A 在温度分别为 T 和 T0时的电子密度 ,NBT 和 NBT0为导体 B 在温度分别为 T 和T0时的电子密度 ｡ 从式 可以看出 ,接触电势的大 小与该接点温度的高低以及导体 A和 B的电子密度比值有关 ,温度越高 ,接触电势越大 ,两种导体电子密度的比值越大 ,接触电势也越大 ｡ ⑵单一导体中的温差电势 温差电势是基于汤姆逊效应产生的 ,即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势 ｡设导体 A(或 B)两端温度分别为 T和 T0,且 TT0,此时形成温度梯度 ,使高温端的电子能量大于低温端的电子能量 ,因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多 ,结果使高温端因失去电子而带正电荷 ,低温端因获得电子而带负电荷 ｡因而 ,在同一导体两端便产生电位差 ,并阻止电 子从高温端向低温端扩散 ,最后使电子扩散达到动态平衡 ,此时所形成的电位差称作温差电势 ｡A,B 导体分别都有温差电势产生 ,可由式 表示 0A01E ( T,T ) = ( , )T ATTATK d N TeN。 0B01E ( T,T ) = ( , )T BTTBTK d N TeN () 式中 NAT 和 NBT 分别为导体 A,B 在某温度 T 时的电子密度。 EA(T,T0)和 EB(T, T0)分别为 A和 B 两端在 T 和 T0 (T T0)时的温差电势 ｡ ⑶热电偶闭合回路的总电势 如图 所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势 EA(T,T0)和 EB(T,T0)及两个接触电势 EAB(T)和 EAB(T0)｡设 TTo､ NA NB,由于温差电势比接触电势小 ,所以在总电势中 ,以导体 AB 在热端的接触电势 EAB(T)所占百分比大 ,决定了总电势的方向 ,这时总电势EAB(T,T0)可写成 : 000 00 0 0 00( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )11( ) ( )A B A B B A B ATTA T A TB T A TA T B T A T A TE T T E T E T T E T E T TK T N K K T N KL n d N T L n d N Te B e N e B e N       () 经整理后推导可得 : 00( , )T ATABT BTKNE T T d TeN  () T A (T,T 0 )T B (T,T 0 )E AB (T) E AB (T 0 ) 图 热电偶闭合回路的电势分布示意图 由式 可知 ,热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关 ｡电子密度不仅取决于热电偶材料特性 ,而且随温度的变化而变化 ,它们并非常数 ｡所以 ,当热电偶材料一定时 ,热电偶的总电势 EAB(T,T0)成为温度 T 和 T0的函数差 ,即 00( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T (2. 5) 如果能使冷端温度 T0固定 ,即 0()f T C (常数 ),则对确定的热电偶材料 ,其总电势EAB(T, T0)就只与热端温度呈单值函数关系 ,即 0( , ) ( )ABE T T f T C () 这种特性称为热电偶的热电特性 ,可通过实验方法求得 ｡由此可见 ,当保持热电偶冷端温度 T0不变时 ,只要用仪表测得热电势 EAB(T,T0),就可求得被测温度 ｡ 热电偶的分类 常用热电偶可分为标准热电 偶和非标准热电偶两大类 ｡所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系 ､允许误差 ､并有统一的标准分度表的热电偶 ,它有与其配套的显示仪表可供选用 ｡非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶 ,一般也没有统一的分度表 ,主要用于某些特殊场合的测量 ,这里我们主要介绍标准热电偶 ｡目前国际上规定了以下 8 种标准热电偶 :S 型 ､R 型 ､B 型 ､K 型 ､N 型 ､T 型 ､E 型和 J 型 ｡我国从1988 年 1 月 1 日起 ,热电偶全部按 IEC国际标准生产 ,并指定 S, B,E, K, R, J, T 七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶 ｡ 热电偶 的冷端温度补偿 及线性化 热电偶的冷端温度补偿 冷端温度 T0影响热电偶的热电势 ,为使输出电势是被测温度 T 的单一函数 ,必须使冷端温度固定 ｡在热电偶检定和分度表制作时 ,总是规定 T0=0℃ ,但实际测温时很难保证 ,因此必须对热电偶冷端进行处理 ,以消除 T0 变化对输出电势的影响 ,才能保证测量精度 ｡该过程称为热电偶的冷端补偿 ｡ 常用的补偿方法有 : ⑴ 0℃恒温法 在标准大气压下将纯净的水和冰混合置于保温容器 ,强制性使 T0保持 0℃ ｡虽然近年来已出现一种能使温度恒定在 0℃的半导体制冷器件 ,但此方法通常只适用于实验室 ,不便于现场 环境使用 ｡ ⑵计算修正法 由中间温度定律 , 00( , 0) ( , ) ( , 0)Eab T Eab T T Eab T,将冷端温度 T0≠ 0℃时的测量值与查表得到的 E(T0,0)相加即可得到 E(T,0),再反查分度表 ,可得到被测温度 T｡此法较精确但繁琐 ,尤其在现场冷端温度随时变化时 ,测量效率难以保证实时要求 ｡在构成数字测温仪表时必须增加无冷端效应的测温元件或在 A/D 转换通道增加对 T0的预处理 ,造成硬件投资增大 ,测量速度下降 ｡ ⑶电桥补偿法 该法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶 T0 变化对输出电势的影响 ,是现场常用的冷端补偿方法 ｡其优点是使用方便 ,硬件投资小 ,测量效率高。 缺点在于热电偶的冷端效应是非线性的 ,而不平衡电桥输出是线性的 ,因而多数情况下是欠补偿或过补偿 ,难以实现完全补偿 ｡ ⑷集成温度传感器补偿 利用各种高性能的半导体温度传感器实现测温和补偿 ,如电流输出型器件 AD590,电压输出型器件 LM135,LM235,LM335 系列 ｡其特点是输出电流或输出电压与绝对温度成严格的线性关系 ,冷端补偿是通过在其输出端增加简单的电阻回路实现。 缺点依然是选择用于补偿 E(T0,0)的电阻值时 ,只能在某一温度 (如 20℃ )时可实现完全补偿 ,温度变化 时则引入误差 ｡ 热电偶的线性化处理方法 热电偶作为测温元件 ,其输出信号与温度之间存在着一定程度的非线性关系 ,在进行信号传送及数据处理时 ,往往希望其特性为线性的 ,因而有必要对其非线性特性进行线性化处理 ｡据现在温度检测及控制系统使用情况来看 ,主要可采用模拟线性化和数字线性化两种方法 ｡ ⑴ 模拟线性化 对来自热电偶的输出信号采用模拟线性化处理 ,实现起来简单且成本低廉 ,基本误差可控制在 2%以下 ,能满足一般工业检测及控制的要求 ｡ 设某热电偶的热电势与其温度之间的变化曲线如图 中的实线所示 ｡由于工业常用的几种热电偶的输出特性曲线存在共同特点 ,即除了曲线起始部分非线性较严重以外 ,其它部分线性较好 ｡因此 ,可考虑将曲线的线性部分延长 ,如图 中虚线所示 ,用此虚线代替原曲线的起始部分 ,这样用一条斜线代替原来的曲线 ,斜线与纵轴的交点称折点电位 ｡从而实现了将原特性曲线的线性化处理 ,这种方式在信号处理称“平滑近似法” ｡ 折 点 电 位近 似 直 线热 电 势 / m V温 度 / % 图 热电偶的热电势与温度关系 ⑵数字线性化 如果热电偶输出的模拟信号已经过数字化处理 ,那么此时的线性化方式就要采用数字线性化 ,此方法主 要的技术包括存贮器 (ROM)和一些计算方法 ,多用在采用计算机技术的检 测 及控制系统中 ｡在系统设计时 ,尽可能地用软件代替硬件 ,以减少误差及干扰来源 ,提高精度及可靠程度 ｡基于 这些优点 ,在高精度 ､高稳定的温度测量及控制场合 ,一般采用数字线性化进行数据处理 ｡ 根据目前工业生产中常用的几种热电偶特性曲线变化均较平滑的特点 ,可采用线性插值法进行处理 ,并且可达到比较好的效果 ｡.具体实现方法是在系统软件设计时设置一个具有“非线性特性处理”功能的模块 ,此模块设计步骤如下 ｡ 首先 ,根据热电偶输出的 mV 信号分度表 ,作出一条比较精确 的输入 — 输出曲线 ｡ 其次 ,对特性曲线分段 ,选取插值点 ｡分段方法采取非等间距分段法 ｡热电偶的特性曲线特点是起始部分斜率变化较大 ,而中部曲线平缓 ,接近线性 ,因此取插值点时在起始部分间距取小一点 ,中部间距取大点 ｡这样取法不仅精度可以得到保证 ,而且可节省所占用的内存空间 ,加快计算速度 ｡ 然后 ,根据确定的插值点 ,计算热电偶输出电势与温度的函数关系 ｡ 第三章 热电偶温度巡检仪方案选择与设计 热电偶温度巡检仪 基于单片机的温度巡检仪 Intel公司的 MCS51系列以其体积小 ､通用性强 ,性价比高 ,易于扩展等特点 ,在实验装置的开发 ,各种智能仪表及控制系统和家用电器领域得到了日益广泛的运用 ｡可开发基于单片机的对温度进行巡检的多功能智能仪表 ,用 MCS51 单片机汇编语言进行软件设计 ,根据系统功能 ,把程序分成了几个相对独立的模块 ,先分别调试各个模块 ,然后再链接进行总的仿真调试 ｡根据目前 单片机 仪表的一般特点 ,温度巡检仪 的原理结构框图如图 所示 ｡恒流源及信号切换仪用放大程控偏置放大A / D 转换CPU键 盘 / 显 示报 警 输 出通 信 电 路存 储 电 路电 源 电 路信号端图 1 温 度 巡 检 仪 原 理 结 果 图 图 温度巡检仪的原理结构框图 从图 温度巡检仪 主要包括构成测量系统核心的微处理器 — 单片机 ､检测温度的敏感元件 — 热电偶 ､信号的 采集电路 — 恒流源电路 ､信号的切换及偏置放大电路 ､A/D转换电路 ､显示输出电路 ､通信电路 ､存储电路以及电源电路 ｡信号的切换是为多路要求而设置的 ,程控偏置的原因是考虑温度测量的范围较宽 ,如果不加该级电路 会造成整个测量系统分辨力不高而降低测量精度 ｡[4] 基于虚拟仪器的温度巡检仪 虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式 ,而是在少量附加硬件的基础上 ,由用户定义仪器功能 ｡因为它的运行主要依赖软件 ,所以修改或增加功能 ､改善性能都非常灵活 ,也便于利用 PC 的软硬件资源和直接使用 PC 的外设和网络功能 ｡虚拟 仪器不但造价低 ,而且通过修改软件可增加它的适应性 ,进而延长它的生命周期 ,是一种具有很好发展前景的仪器 ｡与传统仪器相比 ,虚拟仪器具有高效 ､开放 ､易用灵活 ､功能强大 ､性价比高 ､可操作性好等明显优点 ,具体表现为 : ⑴智能化程度高 ,处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平 ｡用户完全可以根据实际应用需求 ,将先进的信号处理算法 ､人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成 , 从而将智能仪器水平提高到一个新的层次 ｡ ⑵应用性强 ,系统费用低 应用虚拟仪器思想 ,用相同的基 本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器 ,如同一个高速数字采样器 ,可设计出数字示波器 ､逻辑分析仪 ､计数器等多种仪器 ｡这样形成的测试仪器系统功能更灵活 ､更高效 ､更开放 ､系统费用更低 ｡通过与计算机网络连接 ,还可实现虚拟仪器的分布式共享 ,更好地发挥仪器的使用价值 ｡ ⑶操作性强 ,易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义 ,针对不同应用可以设计不同的操作显示界而 ｡使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观 ､简便 ､易于理解 ,测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送 ｡测量完后还可打印 ､显示所需的报表或 曲线 ｡这此都使得仪器的可操作性大大提高而且易用 ､灵活 ｡ 虚拟仪器的基本概念 由于电子技术 ､计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子。