【文章內(nèi)容簡介】 技術的發(fā)展具有相當積極的意義。 研究背景 溫度是表征設備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學中進行分析計算的重要參數(shù)，溫度測試及記錄是工業(yè)應用與教學實驗中經(jīng)常遇到的問題。 早期的溫度記錄儀都是有紙類型的，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額 逐年猛增；近兩年推出的帶 USB 接口的無紙記錄儀更是極大的方便了數(shù)據(jù)的下載和保存 [4]。然而 由于在某些場合目前有關規(guī)定必須使用有紙溫度記錄儀 ， 比如：醫(yī)療上用的高溫殺菌鍋、內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 3 低溫冷藏、用于出口的食品生產(chǎn)等；以及有紙溫度記錄儀無須電腦知識而適用于一些低知識水準員工操作場合的管理和控制， 因此 有紙溫度記錄儀一時還無法被無紙記錄儀完全替代。 進入 21 世紀以來， 作為測試技術的一個分支， 虛擬儀器的開發(fā)和研制在國內(nèi)得到了飛速的發(fā)展。虛擬儀器是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板， 以多種形式表達輸出檢測結(jié)果， 利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，并利用I/O 接口設備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的計算機儀器系統(tǒng)。 研究意義 隨著現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，在工業(yè)控制領域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時采集，例如在發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工領域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分。目前，溫度測量主要采用玻璃液體溫度計，人工觀測。這種測量方式，一方面給偏遠地區(qū)的觀測人員帶來諸多不便；另一方面，測量精度受人為因素影響，測量誤差大。因此，有必要采用效率和自動化水 平更高的新的測量手段。在農(nóng)業(yè)方面，溫度的變化影響作物的發(fā)芽、幼苗的成長、作物的開花、果實的成熟，等等。對于不同的作物，其適宜的生長溫度總是在一個范圍。超過這個范圍，作物或許會成活，但是其生長的規(guī)律將發(fā)生明顯的變化，這對于作物能夠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目標相距甚遠，因此， 實時獲取作物生長的環(huán)境溫度，對超過作物生長適宜范圍的溫度能夠報警非常重要。同時，作物的適宜溫度范圍可以由檢測人員根據(jù)實際情況加以改變。 以 LabVIEW 為代表的圖形化語言，又稱為 G 語言。使用這種語言編程的時候，基本上不需要編寫程序代碼，而是“繪制” 程序流程圖。利用 LabVIEW，可以產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器”的概念，將計算機資源、儀器測 /控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進行有效結(jié)合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能和結(jié)構(gòu)，設計用戶自己的儀器 [5]。所以，在熱電偶溫度記錄工作中，應用虛擬儀器技術可以提高工作效率，節(jié)約成本和提高準確性。因此如何能將熱電偶溫度測量記錄及其技術有效的與 LabVIEW 虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度測試領域的一個新課題，對測控技術的發(fā)展具有相當積極的意義。 虛擬 儀器技術 隨著計算機技術、通信技術、微電子技術的高速發(fā)展，儀器測量技術也開始由傳統(tǒng)儀器向計算機化方向邁進。 20 世紀 80 年代中期，美國國家儀器公司（ National Instrument 簡稱 NI）首先提出了“軟件就是儀器”這一虛擬儀器簡稱概念，并隨之推出第一批實用成果。這一創(chuàng)內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 4 新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀念，開辟了測控技術的新紀元。 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計等同常規(guī)儀器的各種功 能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析處理和顯示功能。虛擬儀器技術強調(diào)軟件在測控系統(tǒng)中的重要的地位，但也并不排斥測試硬件平臺的重要性。虛擬儀器測控系統(tǒng)通過信號采集設備和調(diào)理設備將計算機硬件和被測量硬件連接起來，再通過軟件取代常規(guī)儀器硬件，將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯 示、存儲以及分析處理 [6]。 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。 虛擬儀器的硬件主體是電子計算機，通常是個人計算機，也可以是任何通用電子計算機。為計算機配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號調(diào)理器、模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器 (DAC)、數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)等。電子計算機及其配置的電子測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的基礎。虛擬儀器還可以選配開發(fā)廠家提供的系統(tǒng)硬件模塊，組成更為完善的硬件平臺。 按照測控功能硬件的不同， VI 可分為 GPIB、 VXI、 PXI 和 DAQ 四種標準體系結(jié)構(gòu)。 （ 1） GPIB（ General purpose Interface Bus）通用接口總線，是計算機和儀器間的標準通訊協(xié)議。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己納入國際工業(yè)標準 和 IEEE 。它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配置了遵循 IEEE 488 的 GPIB 接口。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊 GPIB 接口卡和若干臺 GPIB 儀器。 GPIB 儀器覆蓋了從比較便宜的到非常昂貴的儀器。但是 GPIB 的數(shù)據(jù)傳輸速度一般低于 500kb/s，不大適合于對系統(tǒng)速度要 求較高的應用。 （ 2） VXI（ VME bus Extension for instrumentation）即 VME 總線在儀器領域的擴展，是1987 年在 VME 總線、 Euro card 標準 (機械結(jié)構(gòu)標準 )和 IEEE 488 等標準的基礎上，由主要儀器制造商共同制訂的開放性儀器總線標準。 VXI 系統(tǒng)最多可包含 256 個裝置，主要由主機箱、“ 0 槽”控制器、具有多種功能的模塊儀器、驅(qū)動軟件和系統(tǒng)應用軟件等組成。系統(tǒng)中各功內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 5 能模塊可隨意更換，即插即用，可隨意組成新系統(tǒng)。 VXI 的價格相對較高，適合于尖端的測試領域。 （ 3） PXI （ PCI extension for Instrumentation） PCI 在儀器領域的擴展，是 NI 公司于 1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是 Compact PCI 結(jié)構(gòu)和 Microsoft Windows 軟件。 （ 4） DAQ （ Data Acquisition）數(shù)據(jù)采集，指的是基于計算機標準總線（如 ISA、 PCI、PC/104 等）的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性。利用 DAQ 可方便快速地組建基于計算機的儀器（ ComputerBased Instruments），實現(xiàn)“一機多型”和“一機多用” [6]。 虛擬儀器的技術優(yōu)勢 虛擬儀器的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)兩條主線：一是 GPIB→VXI→PXI 總線方式 ,二是 PC 插卡式→LP T 并行口式 → 串口 USB 方式 →IEEE 標準的 1394 口方式。 美國 NI 公司開發(fā)的 LabVIEW 和中國 COINV 開發(fā)的 DASP 虛擬儀器平臺是國內(nèi)外具有代表性的兩個平臺，其軟件各有特點，互相不能替代、功能互補。 LabVIEW 平臺是一個在國內(nèi)外具有相當影響和大量用戶的虛擬儀器開發(fā)平臺，它對于一般儀器的開發(fā)商、學校儀器制造專 業(yè)的教學以及一些特殊的用戶是適宜的，但由于它是用于虛擬儀器二次開發(fā)的軟件，而非可最終直接使用的儀器，這對大量的一般直接用戶即只想用虛擬儀器馬上直接測試分析試驗結(jié)果的用戶，有不方便的地方，也有局限性。 DASP 平臺它是直接面向最終用戶的虛擬儀器庫，直接可以使用，不需要再進行編程加工，用起來非常的快捷方便，精度又很高，用戶拿起來就可直接使用，但對于專業(yè)儀器開發(fā)商或者儀器行業(yè)自己需開發(fā)虛擬儀器的用戶，有一定的局限性。 和常規(guī)儀器技術相比， NI 虛擬儀器技術有四大優(yōu)勢 [7]： （ 1）性能高 虛擬儀器技術是在 PC 技術的基 礎上發(fā)展起來的，所以完全繼承了以現(xiàn)成即用的 PC 技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。 （ 2）擴展性強 內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 6 NI 的軟硬件工具使得工程師和科學家們不再受硬件儀器的限制。這些都得益于 NI 軟件的靈活性，我們要做的只是更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進自己的系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，還可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備 ，最終以較少的成本加速產(chǎn)品的設計時間。 （ 3）開發(fā)時間少 在驅(qū)動和應用兩個層面上， NI 高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結(jié)合在一起。 NI 設計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。 （ 4）無縫集成 虛擬儀器技術從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。 NI 的 虛擬儀器軟件平臺為所有的 I\O 設備提供了標準的接口，幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。 本章小結(jié) 溫度是表征設備狀態(tài)的重要物理量，也是傳熱學中進行分析計算的重要參數(shù)，溫度采集及記錄是工業(yè)應用與教學實驗中經(jīng)常遇到的問題。 為了解決上述這些問題，早期儀器儀表的開發(fā)者采用了有紙記錄儀，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙溫度記錄儀產(chǎn)生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增。進入 21 世紀以來，隨著計算機技術、通信技術、微電子技術的高速 發(fā)展，儀器測量技術也開始由傳統(tǒng)儀器向計算機化方向邁進。 和常規(guī)儀器技術相比，虛擬儀器技術有四大優(yōu)勢：性能高、擴展性強、開發(fā)時間少、無縫集成。例如利用 LabVIEW，可以產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件。它遵循“軟件即儀器”的概念，將計算機資源、儀器測 /控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進行有效結(jié)合，從而大大減少了儀器的硬件資源，并可以按照用戶的需要定義儀器功能、結(jié)構(gòu)，設計用戶自己的儀器。這一創(chuàng)新使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣受到廠商的限制。 虛擬儀器的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的 儀器觀念，開辟了測控技術的新紀元。因此在熱電偶內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 7 溫度記錄工作中，如何能將熱電偶溫度采集記錄技術有效的與 LabVIEW 虛擬儀器相結(jié)合就成了溫度采集及記錄領域的一個新課題，對測控技術的發(fā)展具有相當積極的意義。 內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 8 第二章 溫度記錄儀 方案比較與選擇 有紙溫度記錄儀 有紙記錄儀以獨特的熱打印記錄方式和先進的微處理器控制技術，實現(xiàn)了無與倫比的高記錄清晰度、高精度、高可靠性、多功能且便于操作?？蛇B續(xù)記錄和數(shù)字打印。 該儀表的每個通道均可直接選擇接收多種熱電偶、 熱電阻 、電壓和電流信號，并可對被測信號進行數(shù)字顯示及進行 趨勢記錄和數(shù)字記錄，能在本身打印的 100mm 寬的紙格上同時記錄刻度值、時間及每一個信號的曲線，并將通道號印在各通道的軌跡旁?？赏ㄟ^鍵盤設定測量信號種類、小數(shù)點位置、顯示范圍、記錄邊界、報警值、回差、系統(tǒng)誤差的校正、記錄標尺、數(shù)據(jù)打印間隔、走紙速度、打印深度及時間等參數(shù)，并對所設參數(shù)加以保護。廣泛應用于醫(yī)藥、石油、化工、冶金、電力等行業(yè)及科研單位。 STR1000 有紙記錄儀具有以下顯著特點 ： 高可靠性 、 支持網(wǎng)絡功能 、 強大的運算功能 、 多樣的顯示功能 、 友好的人機界面，操作更簡便 、 豐富的報警功能 、 豐富的記錄和打印功 能 、 高可靠性 、 采用完全隔離技術 [8]。 無紙溫度記錄儀 熱電偶測溫儀的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器 AD590、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及 PC 四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 。 前 置 放 大 濾 波 A D 5 9 0P C I6 2 2 1數(shù) 據(jù) 采集 卡 P C 機前 置 放 大 圖 熱電偶測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 熱電偶采集被測溫度信號并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)儀表放大器放大，濾波電路濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給 PC。 集成溫度傳感器 AD590 測量實時環(huán)境溫度實現(xiàn)冷端溫度補償。 AD590 是由美國模擬器件公司（ AD）生產(chǎn)的恒流源式模擬 集成溫度傳感器的特點，測量誤差小、采用二次查表法加線性插值實現(xiàn)溫度的測量與顯示 [9]。 方案比較與選擇 早期的溫度記錄儀都是有紙類型的，隨著計算機的普及和廣泛應用，無紙溫度記錄儀產(chǎn)內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)設計） 9 生，并因為其更準確地數(shù)據(jù)記錄、更方便的數(shù)據(jù)存儲、更便捷的數(shù)據(jù)分析功能，所占市場份額逐年猛增。虛擬儀器的設計中，硬件要求很低，成本低廉，程序為圖形化語言，編程容易。這樣，在儀器儀表