【正文】 驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同，分布是否均勻。若我們把自由端的溫度固定不變，則熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢只隨工作端溫度的變化而變化。在工作時(shí)，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。第二章 熱電偶概述熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍廣、精度高、慣性小，在溫度測量中應(yīng)用極為廣泛。系統(tǒng)的主控部分是配有鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)的微機(jī)系統(tǒng)。 本論文研究的主要內(nèi)容本論文利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以及豐富的軟、硬件資源，以目前國內(nèi)外現(xiàn)代工業(yè)中大批量生產(chǎn)和使用的溫度傳感器－標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和基于LabVIEW的虛擬儀器為研究對象，完成熱電偶溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代軟件和硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器必將成為未來各級實(shí)驗(yàn)室、研究機(jī)構(gòu)以及工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的方向。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和各種尖端技術(shù)對測溫的要求，為了研制出能在極端條件下和特殊環(huán)境介質(zhì)中使用的新型熱電偶材料，改進(jìn)和提高現(xiàn)有熱電偶的精度和可靠性，國內(nèi)外投入不少人力物力進(jìn)行研究和開發(fā)，重點(diǎn)有兩方面：其一，把熱電偶作為一種測溫儀器，大力改進(jìn)熱電偶的結(jié)構(gòu)，檢定方法，安裝技術(shù)和性能試驗(yàn)，最大限度地發(fā)揮熱電溫度計(jì)的潛力和優(yōu)點(diǎn)；另一方面，把熱電偶作為一種特殊材料，研究其熱電性與化學(xué)組成、雜質(zhì)元素、物理缺陷和表面狀態(tài)的關(guān)系，以提高測溫精度，擴(kuò)大測溫范圍，延長使用壽命。工業(yè)熱電偶的測溫范圍，從－270℃到2500℃，幾乎覆蓋了整個(gè)工程領(lǐng)域的測溫范圍。從19世紀(jì)發(fā)展至今已有一百多年歷史，現(xiàn)己被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、航空、航天、核電等行業(yè)領(lǐng)域。虛擬儀器概念的提出為測量與控制領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展帶來了空間，為儀器儀表的更新?lián)Q代帶來了機(jī)遇，同時(shí)，使進(jìn)入信息時(shí)代的人們在測量觀念上產(chǎn)生了更多的新思想和新概念。任何測量與控制都離不開儀器儀表，傳統(tǒng)的測量儀器模式為:獨(dú)立的機(jī)箱；有面板操作按鍵和旋鈕；有信號的輸入與輸出端口；有測量結(jié)果的顯示方式—指針、表頭或數(shù)碼管窗口等。在現(xiàn)代化建設(shè)中，由于儀器儀表對產(chǎn)品質(zhì)量所能起到的重要監(jiān)測作用，導(dǎo)致了人們對其在技術(shù)上有著高層次的要求，因而儀器儀表工業(yè)是促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，開發(fā)與節(jié)約能源和材料的先導(dǎo)工業(yè)。由前面板可以設(shè)置溫度測量范圍、溫度報(bào)警上下限、冷端溫度等參數(shù)，并可以實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)值及曲線，當(dāng)溫度超限時(shí)給出報(bào)警提示。傳統(tǒng)的溫度測試儀器往往需要大量的手工操作與計(jì)算，且存在體積較大、功能單一、不可擴(kuò)展等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)針對傳統(tǒng)儀器的上述缺陷，采用美國NI公司開發(fā)的圖形化編程語言LabVIEW設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀。整個(gè)測量過程自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工參與，不僅簡化了操作步驟，提高了測量精度，而且系統(tǒng)功能可根據(jù)具體需要隨時(shí)更改或擴(kuò)展，與傳統(tǒng)儀器相比具有更廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，在儀器儀表專業(yè)中，計(jì)量學(xué)是必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)，而在計(jì)量測試科學(xué)領(lǐng)域中，溫度的計(jì)量與測試又是一個(gè)很重要的方面。傳統(tǒng)儀器以專一、固化的形式存在，測量功能及應(yīng)用范圍只能由生產(chǎn)廠家定義、制造。 研究概況及發(fā)展趨勢溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是各種工藝生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常普遍、非常重要的熱工參數(shù)之一。熱電偶溫度計(jì)是指用熱電偶作為感溫元件，配上適當(dāng)?shù)碾姕y儀表和其他構(gòu)件的整個(gè)系統(tǒng)。目前約有50%的工程溫度測控工作是用熱電偶來完成的，特別是在鋼鐵、有色金屬、火力發(fā)電站、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、原子能反應(yīng)堆、石油精煉、化工、機(jī)械熱處理等高溫領(lǐng)域中，熱電偶是最主要的測溫手段。虛擬儀器是電子測量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有很好發(fā)展前景的新一類電子儀器。虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子測量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方而。系統(tǒng)選用先進(jìn)的集成數(shù)據(jù)采集卡和功能強(qiáng)大的LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了一種新型的熱電偶溫度巡檢儀。系統(tǒng)的軟件方面，結(jié)合微機(jī)系統(tǒng)配備的Microsoft Office等軟件，現(xiàn)場安裝調(diào)試，實(shí)時(shí)顯示打印輸出。熱電偶材料一般有鉑銠－鉑銠和鉑銠－鉑，鎳鉻－鎳硅等。熱電偶可以用來測量200～1600℃范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測2000℃以上溫度，所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。這樣一定的熱電動(dòng)勢就對應(yīng)著一定的溫度，測量熱電動(dòng)勢，也就可以達(dá)到測溫的目的，應(yīng)用起來十分方便[1]。在熱電偶中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電勢不變。熱電偶是一種重要的接觸式溫度傳感器，從結(jié)構(gòu)上看熱電偶是十分簡單的，但其理論卻比較復(fù)雜，它是一種能獲得高測量準(zhǔn)確度的儀器，但也是一種容易出現(xiàn)誤差的儀器。導(dǎo)體A和B叫做熱電極。該熱電勢是由兩部分組成：接觸電勢與溫差電勢。這個(gè)電勢在A, B接觸處形成一個(gè)靜電場，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。 ⑵單一導(dǎo)體中的溫差電勢溫差電勢是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。 ⑶熱電偶閉合回路的總電勢(T，T0)和EB(T，T0)及兩個(gè)接觸電勢EAB(T)和EAB(T0)。由此可見，當(dāng)保持熱電偶冷端溫度T0不變時(shí)，只要用儀表測得熱電勢EAB(T，T0)，就可求得被測溫度。目前國際上規(guī)定了以下8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。該過程稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。此法較精確但繁瑣，尤其在現(xiàn)場冷端溫度隨時(shí)變化時(shí)，測量效率難以保證實(shí)時(shí)要求。⑷集成溫度傳感器補(bǔ)償利用各種高性能的半導(dǎo)體溫度傳感器實(shí)現(xiàn)測溫和補(bǔ)償，如電流輸出型器件AD590，電壓輸出型器件LM135，LM235，LM335系列。⑴ 模擬線性化 對來自熱電偶的輸出信號采用模擬線性化處理，實(shí)現(xiàn)起來簡單且成本低廉，基本誤差可控制在2%以下，能滿足一般工業(yè)檢測及控制的要求。從而實(shí)現(xiàn)了將原特性曲線的線性化處理，這種方式在信號處理稱“平滑近似法”。根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種熱電偶特性曲線變化均較平滑的特點(diǎn)，可采用線性插值法進(jìn)行處理，并且可達(dá)到比較好的效果。分段方法采取非等間距分段法。第三章 熱電偶溫度巡檢儀方案選擇與設(shè)計(jì) 熱電偶溫度巡檢儀 基于單片機(jī)的溫度巡檢儀Intel公司的MCS51系列以其體積小、通用性強(qiáng)，性價(jià)比高，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)，各種智能儀表及控制系統(tǒng)和家用電器領(lǐng)域得到了日益廣泛的運(yùn)用。信號的切換是為多路要求而設(shè)置的，程控偏置的原因是考慮溫度測量的范圍較寬，如果不加該級電路會(huì)造成整個(gè)測量系統(tǒng)分辨力不高而降低測量精度。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等明顯優(yōu)點(diǎn),具體表現(xiàn)為： ⑴智能化程度高，處理能力強(qiáng) 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。這此都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果：利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算分析和處理；利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實(shí)物” ，是由“手動(dòng)”和“觸摸”進(jìn)行操作的；虛擬儀器前面板是外形與實(shí)物相像的“圖標(biāo)” ，每個(gè)圖標(biāo)的“通” 、“斷” 、“放大”等動(dòng)作通過用戶操作計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤來完成。因?yàn)榭梢酝ㄟ^不同測試功能軟件模塊的組合來實(shí)現(xiàn)多種測試功能，所以，在硬件平臺(tái)確定后，就有“軟件就是儀器”的說法，這也體現(xiàn)了測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。 與GPIB儀器系統(tǒng)相比，VXI模塊沒有前操作面板，因此，應(yīng)用VXI總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對儀器系統(tǒng)的操作控制，當(dāng)今流行的可視化編程語言如Visual Basie，Visual C，Delphi等均可以在VXI平臺(tái)上構(gòu)造一個(gè)完全圖形化的用戶操作面板，實(shí)現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能，從而設(shè)計(jì)出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI)的集成測試系統(tǒng)。 PXI總線方式的虛擬儀器 PXI ( PCI extension for Instrumention)是PCI在儀器領(lǐng)域的發(fā)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范。 DAQ（Data AcQuisition）虛擬儀器DAQ指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如ISA、 PCI、 PC/104等）的內(nèi)置功能插卡，它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。對大多數(shù)用戶來說，這種方案不但實(shí)用，而且具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。信號通過PCI高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號，經(jīng)PCI總線送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過LabVIEW軟件模塊對信號進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的功能?？梢圆捎眯切偷耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測試系統(tǒng)。其中，嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲(chǔ)系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺(tái)有兩種：①計(jì)算機(jī)虛擬儀器的硬件主體是電子計(jì)算機(jī)，是硬件平臺(tái)的核心。而且由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷提高，使得虛擬儀器的價(jià)格更能為廣大用戶所接受。LabVIEW是一種編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用簡單圖標(biāo)提示的方法選擇功能，并用線條把各種圖形連接起來的圖形編程方式，使不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速設(shè)計(jì)出自己的程序和儀器面板，大大提高了工作效率，減少了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。靈活性，軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化令其在儀器計(jì)量領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個(gè)比較明確的提法，也沒有一個(gè)被測量界廣泛接受的定義。與以PC機(jī)為核心的虛擬儀器相比，在不遠(yuǎn)的將來，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將是儀器發(fā)展中的又一次革命。虛擬儀器主要在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用：⑴虛擬儀器在測量方面的應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展，將之應(yīng)用在測量方面可以提高精確度，降低成本，并大大節(jié)省用戶的開發(fā)時(shí)間，因此已經(jīng)在測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。⑷虛擬儀器在教育方面的應(yīng)用現(xiàn)在，隨著虛擬儀器系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多的教學(xué)部門也開始用它來建立教學(xué)系統(tǒng)，不僅大大節(jié)省開支，而且由于虛擬儀器系統(tǒng)具有靈活、可重用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得教學(xué)方法也更加靈活了。相信未來，虛擬儀器將得到更多的發(fā)展，應(yīng)用范圍也將越來越廣。LabVIEW是一個(gè)高效的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，它結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語言。通過控制編輯器可將現(xiàn)有的控制對象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對象。繼承傳統(tǒng)的編程語言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序，提高了運(yùn)行程序的速度。具有實(shí)時(shí)性，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板和GPIB、串口設(shè)備、VXI儀器、PIC、工業(yè)現(xiàn)場總線以及用戶特殊的板卡。調(diào)理電路的作用是對來自模擬量輸入通道的信號進(jìn)行濾波和放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡A/D輸入端電氣參數(shù)要求。例如，若VDD =5 V, VSS = 0 V, VEE= 5V，則數(shù)字信號可以控制5V~+5V的模擬信號輸入輸出。A 、B的四種二進(jìn)制組合狀態(tài)用來在四對通道中選擇其中的一對，當(dāng)邏輯的“1”加到INH輸入端時(shí)，所有的通道都關(guān)閉。⑷邏輯電平轉(zhuǎn)換：315V（VDDVEE=315V）的數(shù)字地址信號轉(zhuǎn)換成15VPP （VDDVEE=15V）的開關(guān)模擬信號。 集成溫度傳感器AD590AD590是集成溫度傳感器。該器件作為一個(gè)高阻抗器件供給電壓范圍是+4V—+30V，為把持續(xù)電流轉(zhuǎn)換成電壓，通常將AD590的輸出電流通過1KΩ電阻，從而獲得1mV/K的輸出電壓。熱電偶有熱端和冷端，它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢為兩者的熱電勢之差，因此同環(huán)境溫度有關(guān)時(shí)，測量結(jié)果需要加以修正。本系統(tǒng)在綜合考慮A/D和D/A通道數(shù)目、采樣速率、輸入精度、A/D和D/A轉(zhuǎn)換速度、分辨率與精度等技術(shù)指標(biāo)的情況下，選用NI公司的PCI6221型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分。硬件安裝就是將數(shù)據(jù)采集卡插入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)總線擴(kuò)展槽內(nèi)，軟件安裝就是將NI公司數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)軟件NIDAQ裝入PC機(jī)。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用信號調(diào)理， 這種高壓會(huì)對計(jì)算機(jī)造成損害。使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準(zhǔn)確地采集。ADC采集一個(gè)通道后，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道，如此往復(fù)。例如，許多SCXI模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對信號數(shù)字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲。RTD測量常使用電流源來把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測量電壓。許多傳感器，如熱電偶，對被測量的物理量的響應(yīng)是非線性的。采樣信號y(t)僅僅在采樣時(shí)刻0，T, 2T......nT有值，如第k時(shí)刻的值為y(kT)。 多通道采樣方式多數(shù)通用采集卡都有多個(gè)