【正文】 且隨溫度的變化而變化 ,它們并非常數(shù) ?所以 ,當(dāng)熱電偶材料一定時(shí) ,熱電偶的總電勢(shì) EAB(T,T0)成為溫度 T 和 T0的函數(shù)差 ,即 00( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T?? (2. 5) 如果能使冷端溫度 T0固定 ,即 0()f T C? (常數(shù) ),則對(duì)確定的熱電偶材料 ,其總電勢(shì)EAB(T, T0)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系 ,即 0( , ) ( )ABE T T f T C?? () 這種特性稱為熱電偶的熱電特性 ,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法求得 ?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(cè)得熱電勢(shì) EAB(T,T0),就可求得被測(cè)溫度 ? 熱電偶的分類 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 ?所謂標(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)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)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 ,這里我們主要介紹標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 ?目前國(guó)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 ?我國(guó)從1988 年 1 月 1 日起 ,熱電偶全部按 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)熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶 ? 熱電偶 的冷端溫度補(bǔ)償 及線性化 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 冷端溫度 T0影響熱電偶的熱電勢(shì) ,為使輸出電勢(shì)是被測(cè)溫度 T 的單一函數(shù) ,必須使冷端溫度固定 ?在熱電偶檢定和分度表制作時(shí) ,總是規(guī)定 T0=0℃ ,但實(shí)際測(cè)溫時(shí)很難保證 ,因此必須對(duì)熱電偶冷端進(jìn)行處理 ,以消除 T0 變化對(duì)輸出電勢(shì)的影響 ,才能保證測(cè)量精度 ?該過(guò)程稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償 ? 常用的補(bǔ)償方法有 : ⑴ 0℃恒溫法 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下將純凈的水和冰混合置于保溫容器 ,強(qiáng)制性使 T0保持 0℃ ?雖然近年來(lái)已出現(xiàn)一種能使溫度恒定在 0℃的半導(dǎo)體制冷器件 ,但此方法通常只適用于實(shí)驗(yàn)室 ,不便于現(xiàn)場(chǎng) 環(huán)境使用 ? ⑵計(jì)算修正法 由中間溫度定律 , 00( , 0) ( , ) ( , 0)Eab T Eab T T Eab T??,將冷端溫度 T0≠ 0℃時(shí)的測(cè)量值與查表得到的 E(T0,0)相加即可得到 E(T,0),再反查分度表 ,可得到被測(cè)溫度 T?此法較精確但繁瑣 ,尤其在現(xiàn)場(chǎng)冷端溫度隨時(shí)變化時(shí) ,測(cè)量效率難以保證實(shí)時(shí)要求 ?在構(gòu)成數(shù)字測(cè)溫儀表時(shí)必須增加無(wú)冷端效應(yīng)的測(cè)溫元件或在 A/D 轉(zhuǎn)換通道增加對(duì) T0的預(yù)處理 ,造成硬件投資增大 ,測(cè)量速度下降 ? ⑶電橋補(bǔ)償法 該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來(lái)補(bǔ)償熱電偶 T0 變化對(duì)輸出電勢(shì)的影響 ,是現(xiàn)場(chǎng)常用的冷端補(bǔ)償方法 ?其優(yōu)點(diǎn)是使用方便 ,硬件投資小 ,測(cè)量效率高 。有測(cè)量結(jié)果的顯 示 方式 — 指針 ?表頭或數(shù)碼管窗口等 ?傳統(tǒng)儀器以專一 ?固 化的形式存在 ,測(cè)量功能及應(yīng) 用 范圍只能由生產(chǎn) 廠 家定義 ?制造 ?一 旦 定型 ,多年技術(shù)老套 ,功能更新緩慢 ?80 年代后期 ,國(guó)外提出了一種全新的儀器儀表概念 — 虛擬儀器 ?虛擬儀器概念 的提出為測(cè)量與控制領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了空間 ,為儀器儀表的更新?lián)Q代帶來(lái)了機(jī)遇 ,同時(shí) ,使進(jìn)入信息時(shí)代的人們?cè)跍y(cè)量觀念上產(chǎn)生了更多的新思想和新概念 ? 研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 ,是各種工藝生產(chǎn)過(guò)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 ?許多產(chǎn)品的質(zhì)量 ?產(chǎn)量 ?能量和過(guò)程控制等都直接與溫度參數(shù)有 關(guān) ,因此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度測(cè)量具有十分重要的意義 ?熱電偶是目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的溫度測(cè)量?jī)x器之一 ,其工作原理是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào) ,配以測(cè)量電勢(shì)信號(hào)的儀表 ,便可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量或溫度信號(hào)的 變換 ,具有性能穩(wěn)定 ?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ?使用方便 ?經(jīng)濟(jì)耐用 ?體積小和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn) ?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 ? 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(cè)儀表和其他構(gòu)件的整個(gè)系統(tǒng) ?由于其測(cè)溫準(zhǔn)確 ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,使用方便 ,故在工業(yè)和科學(xué)研究的溫度測(cè)量和控制中得到了廣泛應(yīng)用 ?迄今為止 ,人類研究和使用過(guò)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品 ?工業(yè)熱電偶的測(cè)溫范圍 ,從 270℃到 2500℃ ,幾乎覆蓋了整個(gè)工程領(lǐng) 域的測(cè)溫范圍 ,測(cè)溫精度可達(dá) ?目前約有 50%的工程溫度測(cè)控工作是用熱電偶來(lái)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(cè)溫手段 ?在一些實(shí)驗(yàn)室中 ,鉑鍺系列熱電偶在 300℃ 1600℃的溫區(qū)內(nèi)被用作溫度標(biāo)準(zhǔn)器和精密溫度計(jì) ?由此可見 ,熱電偶在現(xiàn)代溫度測(cè)量科學(xué)和控制工業(yè)中占有十分重要的地位 ? 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和各種尖端技術(shù)對(duì)測(cè)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(guó)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(cè)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) 。 基于 LabVIEW 的熱電偶溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘 要 溫度是表征設(shè)備狀態(tài)的重要物理量 ,也是傳熱學(xué)中進(jìn)行分析計(jì)算的重要參數(shù) ,溫度測(cè)試是教學(xué)實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題 ?傳統(tǒng)的溫度測(cè)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(duì)傳統(tǒng)儀器的上述缺陷 ,采用美國(guó) NI 公司開發(fā)的圖形化編程語(yǔ)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 ?熱電偶溫度信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行相應(yīng)的處理后 ,通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 送入計(jì)算機(jī) ?本設(shè)計(jì)完成了 基于 LabVIEW的熱 電偶溫度巡檢儀的前面板及相應(yīng)程 序框圖的設(shè)計(jì) ,可以 巡回檢測(cè) 4路 K型熱電偶溫度信號(hào) ?由前面板 可以設(shè)置溫度測(cè)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 ?整個(gè)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行 ,不需要人工參與 ,不僅簡(jiǎn)化了操作步驟 ,提高了測(cè)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 ? 關(guān)鍵詞 :熱電偶 。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(cè)溫精度 ,擴(kuò)大測(cè)溫范圍 ,延長(zhǎng)使用壽命 ? 虛擬儀器是電子測(cè)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 ?比起傳統(tǒng)的電子儀器 ,虛擬儀器更為通用 ,在組建和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面更為靈活 ?更為經(jīng)濟(jì) ?更能適應(yīng)迅猛發(fā)展 的當(dāng)代科學(xué)技術(shù)對(duì)測(cè)量技術(shù)和測(cè)量?jī)x器不 斷提出的更新并擴(kuò)展其功能與性能的要求 ?“沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別 ,科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn) ” ?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(lái)各級(jí)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 ? 虛擬儀器作為新興的儀器儀表 ,其優(yōu)勢(shì)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(cè)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 ? 隨著各種新技術(shù)的發(fā)展 ,測(cè)控儀器將會(huì)向高效 ?高速 ?高精度和高可靠性以及 自動(dòng)化 ?智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 ,并且越來(lái)越 大 眾化和小型化 ?開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使虛擬儀器走上標(biāo)準(zhǔn)化 ?通 用 化 ?系列化和模塊化的 道 路 ? 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(guó)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(duì)象 ,完成熱電偶溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ? 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)界面友好 ,操作靈活方便 ,而且可移植性和重用 性強(qiáng) ,實(shí)為計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)相結(jié)合的最新產(chǎn)物 ? 系統(tǒng)的硬件方面 ,數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó) 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(bǔ)償選用 AD 公司出品的集成溫度傳感器 AD590?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) ? 系統(tǒng)的軟件方面 ,選用美國(guó) NI公司出臺(tái)的 ,結(jié)合微機(jī)系統(tǒng)配備的 Microsoft Office等軟件 ,現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試 ,實(shí)時(shí)顯示打印輸出 ?基于虛擬儀器的開放性和圖形化模塊式編程特點(diǎn) ,系統(tǒng)功能可根據(jù)具體需要隨時(shí)更改或擴(kuò)展 ,使用方便 ?快捷 ,系統(tǒng)可移植性和重用性強(qiáng) ? 由于作者的專業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和理論水平有限 ,論文中可能存在的一些錯(cuò)誤和不足之處 ,懇請(qǐng)有關(guān)專家批評(píng)指正 ? 第二章 熱電偶 概述 熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ?測(cè)量范圍廣 ?精度高 ?慣性小 ,在溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛 ?熱電偶材料一般有鉑銠 鉑銠和鉑銠 鉑 ,鎳鉻 鎳硅等 ?這種熱電偶的結(jié)構(gòu)主要由接線盒 ?保護(hù)套管 ?絕緣管和熱電極等組成 [2]?熱電偶作為測(cè)溫元件 ,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ?制造容易 ?使用方便 ?測(cè)溫精度較高 ,可就地測(cè)量和遠(yuǎn)傳 ?在工作時(shí) ,只要與顯示儀表配合即可測(cè)量氣體 ?液體?固體的溫度 ?熱電偶可以用來(lái)測(cè)量 200~1600℃范圍內(nèi)的溫度 ,有些熱電偶甚至可測(cè)2020℃以上溫度 ,所以熱電偶是使用最廣泛的測(cè)溫元件之一 ?[3] 熱電偶傳感器是利用“熱電效應(yīng)”制成的 ,利用兩種不同導(dǎo)體組成閉合回路 ?當(dāng)閉合回路的兩接點(diǎn)也就是熱電偶的工作端和自由端分別處于不同的溫度場(chǎng)中時(shí) ,回路中將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) ,產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)只與工作端和自由端的溫度差有關(guān) ?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(shì)只隨工作端溫度的變化而變化 ?這樣一定的熱電動(dòng)勢(shì)就對(duì)應(yīng)著一定的溫度 ,測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì) ,也就可以達(dá)到測(cè)溫的目的 ,應(yīng)用起來(lái)十分方便 [1]?熱電偶之 所以在工業(yè)中應(yīng)用如此廣泛 ,這和它自身的特點(diǎn)是分不開的 ?如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電偶材料相同 ,無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何 ,熱電動(dòng)勢(shì)均為零 ?根據(jù)這個(gè)特性 ,可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同 ,分布是否均勻 ?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(shì)不變 ?利用這種特性 ,可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器 ? 由于熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)與兩端溫度有關(guān) ,只需將冷端的溫度恒定 ,熱電動(dòng)勢(shì)與熱端溫度 構(gòu)成 單值函數(shù) ?在實(shí)際應(yīng)用中 ,熱電偶的冷端通?？拷粶y(cè)對(duì)象 ,且受到周圍環(huán)境溫度的影響 ,其溫 度不是恒定不變的 ,因此必須采取一些相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償 ,常用的方法有冷端恒溫 法 或補(bǔ)償導(dǎo)線法 :所謂冷端恒溫法是將熱電偶的冷端置于溫度為 0℃的恒溫器內(nèi)或是置于各種恒溫器內(nèi) ,使之保持溫度恒定 。缺點(diǎn)在于熱電偶的冷端效應(yīng)是非線性的 ,而不平衡電橋輸出是線性的 ,因而多數(shù)情況下是欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償 ,難以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償 ? 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(cè)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 ?其特點(diǎn)是輸出電流或輸出電壓與絕對(duì)溫度成嚴(yán)格的線性關(guān)系 ,冷端補(bǔ)償是通過(guò)在其輸出端增加簡(jiǎn)單的電阻回路實(shí)現(xiàn) 。圖形化編程語(yǔ) 言如LabVIEW,HPVEE 等 ? LabVIEW 作為業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)軟件工具 ,我們選用它來(lái)開發(fā)虛擬儀器 ?LabVIEW 是一種基于圖形開發(fā) ?調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境 ,是第一個(gè)借助于虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計(jì)系統(tǒng) ?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(jiǎn)單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的 G 編程語(yǔ)言 ?提供了一個(gè)直覺(jué)式的環(huán)境 ,與測(cè)量緊密結(jié)合 ?在這個(gè)平臺(tái)上各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學(xué)家們通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來(lái)方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序 ?針對(duì)測(cè)試測(cè)量和過(guò)程 控制領(lǐng)域提供了大量的儀器面板中的控制對(duì)象 ,如表頭 ?旋鈕 ?圖表等 ?通過(guò)控制編輯器可將現(xiàn)有的控制對(duì)象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)象 ?使用圖表表示功能模塊 ,使用圖標(biāo) 間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù) ,這樣使得編程過(guò)程與思維過(guò)程非常近似 ? 提供程序調(diào)試功能 ?可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn) ,單步執(zhí)行源代碼 ,在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針 ,在程序運(yùn)行過(guò)程中觀察數(shù)據(jù)流的變化 ?繼承傳統(tǒng)的編程語(yǔ)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 ? 支持多種系統(tǒng)平臺(tái) ?在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的 LabVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上 ?提供了大量的函數(shù)庫(kù)供調(diào)用 ?具有