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基于labview的熱電偶溫度巡檢儀的設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計論文(完整版)

2025-07-24 14:15上一頁面

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【正文】 工業(yè)。傳統(tǒng)的溫度測試儀器往往需要大量的手工操作與計算,且存在體積較大、功能單一、不可擴展等缺點。整個測量過程自動進行,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)具體需要隨時更改或擴展,與傳統(tǒng)儀器相比具有更廣闊的應(yīng)用前景。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。熱電偶溫度計是指用熱電偶作為感溫元件,配上適當?shù)碾姕y儀表和其他構(gòu)件的整個系統(tǒng)。虛擬儀器是電子測量技術(shù)與計算機技術(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。系統(tǒng)選用先進的集成數(shù)據(jù)采集卡和功能強大的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。熱電偶材料一般有鉑銠-鉑銠和鉑銠-鉑,鎳鉻-鎳硅等。這樣一定的熱電動勢就對應(yīng)著一定的溫度,測量熱電動勢,也就可以達到測溫的目的,應(yīng)用起來十分方便[1]。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,但其理論卻比較復雜,它是一種能獲得高測量準確度的儀器,但也是一種容易出現(xiàn)誤差的儀器。該熱電勢是由兩部分組成:接觸電勢與溫差電勢。 ⑵單一導體中的溫差電勢溫差電勢是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的,即同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。由此可見,當保持熱電偶冷端溫度T0不變時,只要用儀表測得熱電勢EAB(T,T0),就可求得被測溫度。該過程稱為熱電偶的冷端補償。⑷集成溫度傳感器補償利用各種高性能的半導體溫度傳感器實現(xiàn)測溫和補償,如電流輸出型器件AD590,電壓輸出型器件LM135,LM235,LM335系列。從而實現(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”。分段方法采取非等間距分段法。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造成整個測量系統(tǒng)分辨力不高而降低測量精度。通過與計算機網(wǎng)絡(luò)連接,還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享,更好地發(fā)揮儀器的使用價值。它利用計算機系統(tǒng)的強大功能,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、存儲等方面的限制。 傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實物” ,是由“手動”和“觸摸”進行操作的;虛擬儀器前面板是外形與實物相像的“圖標” ,每個圖標的“通” 、“斷” 、“放大”等動作通過用戶操作計算機鼠標或鍵盤來完成。每臺GPIB儀器有單獨的地址,由計算機控制操作。 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。對大多數(shù)用戶來說,這種方案不但實用,而且具有很高的性能價格比,是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。可以采用星型的拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測試系統(tǒng)。構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩種:①計算機虛擬儀器的硬件主體是電子計算機,是硬件平臺的核心。LabVIEW是一種編譯型圖形編程環(huán)境,它把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單圖標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。在國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法,也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。虛擬儀器主要在以下幾個方面得到應(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,可與計算機技術(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)時間,因此已經(jīng)在測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。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。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。具有實時性,支持數(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。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。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。該器件作為一個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。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。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。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確地采集。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。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。 多通道采樣方式多數(shù)通用采集卡都有多個模入通道,但是并非每個通道配置一個A/D,而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一個多路開關(guān)(MUX),以及放大器(AMP)、采樣保持器(S/H)等。如果通道間的時間延遲對信號的分析不很重要時,使用循環(huán)采樣是可以的。一般說來這是不行的。對一般采集系統(tǒng)來說,間隔采樣是性價比較高的一種采樣方式。從最基本的角度出發(fā),DAQ系統(tǒng)的主要任務(wù)是測量或生成物理信號。虛擬通道是配置通道的快捷方式,可以為物理通道指定一個描述性的名稱。它也可以用來創(chuàng)建多個虛擬通道并且將它們都添加至一個任務(wù)。因此,如果一個還會使用,那么NIDAQmx 結(jié)束任務(wù)函數(shù)就必須用來中止任務(wù),而不是清除它。 不同NIDAQmx 讀取VI的實例⑷ NIDAQmx Start TaskNIDAQmx 啟動任務(wù)函數(shù)顯示的是將一個任務(wù)轉(zhuǎn)換到運行狀態(tài)。每一個時鐘脈沖為每一個包含在任務(wù)中的虛擬通道初始化一個采樣的采集或生成。在本系統(tǒng)中,上位PC機扮演著管理控制者的重要角色。⑵預(yù)警系統(tǒng)子VI在熱電偶測溫過程中,由于一些外界客觀原因的影響,可能會出現(xiàn)一些異常情況。①前面板(Front Panel)設(shè)計窗口②程序框圖(Block Diagram)設(shè)計窗口根據(jù)任務(wù)需要,添加(Add)、 (Subtract) (Multiply)、(Divide)、(合并信號)、(拆分信號)、 (Wait)、 (轉(zhuǎn)換熱電偶讀數(shù))和While循環(huán)(While Loop)結(jié)構(gòu)等功能圖標。此次設(shè)計使我獲得了許多寶貴的經(jīng)驗,而這些寶貴的經(jīng)驗必將是我人生道路上的一大財富。應(yīng)用此圖標,可以將熱電偶檢測到的熱電勢轉(zhuǎn)換為溫度信號,而不用再去專門設(shè)置,省去了許多麻煩。當被測熱電偶溫度超過設(shè)定溫度區(qū)間時,指示燈會由綠變紅,并發(fā)出蜂鳴聲。所編寫的軟件按功能可分為執(zhí)行軟件和監(jiān)控(管理)軟件。 在系統(tǒng)主界面上進行初始設(shè)置,具體內(nèi)容為輸入被測熱電偶類型及支數(shù),采樣周期,初始設(shè)置完畢后即開始檢測。如果沒有使用NIDAQmx 啟動任務(wù)函數(shù),那么在NIDAQmx 讀取函數(shù)執(zhí)行時,一個任務(wù)可以隱式的轉(zhuǎn)換到運行狀態(tài),或者自動開始。 DAQmx Clear Task節(jié)點圖標及端口定義⑶ DAQmx ReadNIDAQmx 讀取函數(shù)需要從特定的采集任務(wù)中讀取采樣。NIDAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)有許多實例。按下Finish后,彈出一個用于設(shè)置新通道的窗口,可以設(shè)置通道類型,選擇“Analog Input”模擬輸入通道,繼續(xù)按下Next,命名虛擬通道,將虛擬儀器的通道命名為“Temperature”并添加簡要說明。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) LabVIEW中安裝了用于建立各種卡及通道配置參數(shù)的配置工具。多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)通道時鐘(channel clock )按順序掃描不同的通道,控制一次掃描過程中相鄰通道間的時間間隔,而用掃描時鐘(scan clock)來控制兩次掃描過程的間隔。就有了如下的間隔掃描(interval scanning)方式。支持這種方式的數(shù)據(jù)采集卡每個通道使用獨立的放大器和S/H電路,經(jīng)過一個多路開關(guān)分別將不同的通道接入A/D進行轉(zhuǎn)換。多通道的采樣方式有三種:循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)據(jù)采集原理模擬信號y(t)經(jīng)過采樣開關(guān)抽樣成離散的模擬信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計算機能接受的數(shù)字信號y(nT)。例如,應(yīng)力計、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵信號。⑶多路復用功能多路復用是使用單個測量設(shè)備來測量多個信號的常用技術(shù)。在臨近傳感器的SCXI機箱內(nèi)對低電壓信號進行放大,然后把放大后的高電壓信號傳送到PC,從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響。它提供16路16位的模擬輸入通道,最大采樣速率為250KS/s;2路16位的模擬輸出通道,最大輸出頻率為833KS/s,24線的TTL型數(shù)字I/O及32位定時計數(shù)器等多種功能。AD590可應(yīng)用于任何低于+150℃的溫度測量范圍,該單塊集成電路固有的低價成為其作為許多溫度測量應(yīng)用中的首選。⑹極低的靜態(tài)功耗:在VDDVSS=VDDVEE=10V條件下,靜態(tài)功耗的典型值為1μW。CD4052其實是數(shù)字控制的雙向傳輸門,從總體功能上來看,從X、Y輸入,則是兩個一分四的數(shù)據(jù)分配器;若從X、Y輸出,則是兩個四選一的數(shù)字選擇器。其工作過程如下:溫度信號由熱電偶溫度傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)過信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡PCI6221進入計算機,在計算機上運行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理,結(jié)果由虛擬儀器的前面板進行顯示。提供程序調(diào)試功能。LabVIEW作為業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標準軟件工具,我們選用它來開發(fā)虛擬儀器。當前,氣敏傳感器正朝著快速響應(yīng)、小型化和經(jīng)濟化發(fā)展,這種發(fā)展趨勢引起了微電子氣敏傳感器的發(fā)展。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器,可使在任何地點、任意時刻獲取測量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實現(xiàn)。 虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器精確的采樣,及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動控制領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。當各種與計算機相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)生時,虛擬儀器的應(yīng)用便隨之被推向一個新的層次。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計按智能模塊的設(shè)計思路進行,智能模塊的作用是完成特定應(yīng)用的測試功能。⑴基于PCI總線的多功能虛擬儀器本類型虛擬儀器由一塊基于PCI的高速數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成,將它們安裝在一臺運行的PC機上,可構(gòu)成一個功能強大的數(shù)字虛擬儀器。PXI具有高度可擴展性,可擴展到256個擴展槽。在價格上,GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器,但由于GPIB的數(shù)據(jù)傳輸率般低于500kB/s,不適合對于系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用,現(xiàn)在己經(jīng)逐步退出了市場。 (2)虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的。 虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術(shù)和計算機技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物,是當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解,測量結(jié)果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。因為它的運行主要依賴軟件,所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活,也便于利用PC的軟硬件資源和直接使用PC的外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)功能。這樣取法不僅精度可以得到保證,而且可節(jié)省所占用的內(nèi)存空間,加快計算速度。在系統(tǒng)設(shè)計時,盡可能地用軟件代替硬件,以減少誤差及干擾來源,提高精度及可靠程度。 熱電偶的線性化處理方法 熱電偶作為測溫元件,其輸出信號與溫度之間存在著一定程度的非線性關(guān)系,在進行信號傳送及數(shù)據(jù)處理時,往往希望其特性為線性的,因而有必要對其非線性特性進行線性化處理。雖然近年來已出現(xiàn)一種能使溫度恒定在0℃的半導體制冷器件,但此方法通常只適用于實驗室,不便于現(xiàn)場環(huán)境使用。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。因而,在同一導體兩端便產(chǎn)生電位差,并阻止電子從高溫端向低溫端擴散,最后使電子擴散達到動態(tài)平衡,此時所形成的電位差稱作溫差電勢。電子擴散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。 熱電偶測溫原理熱電偶是熱電偶溫度計的敏感元件,它測溫的基本原理是熱電效應(yīng),又稱塞貝克效應(yīng)。如果熱電偶回路中的兩個熱電偶材料相同,無論兩接點溫度如何,熱電動勢均為零。熱電偶作為測溫元件,其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高,可就地測量和遠傳。系統(tǒng)的硬件方面,數(shù)據(jù)采集卡選用美國NI公司出品的數(shù)據(jù)采集卡PCI6221,多路選擇開關(guān)選用CD4052,冷端溫度補償選用AD公司出品的集成溫度傳感器AD590。“沒有測量就沒有鑒別,科學技術(shù)就不能前進” 。迄今為止,人類研究和使用過的熱電偶有300多種,其中的8種己經(jīng)大批量投入生產(chǎn)和使用,成為國際標準化產(chǎn)品。80年代后期,國外提出了一種全新的儀器儀表概念—虛擬儀器。從今天進入信息時代來看,儀器儀表是實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)化、存取、處理和揭示物質(zhì)活動規(guī)律的必要工具,也是新技術(shù)革命的一項重要內(nèi)容。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書(畢業(yè)論文)畢業(yè)設(shè)計論文基于LabV
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