【正文】 能進行更快的單點數(shù)據(jù)采集 。有 DAQ 助手 ,能進行交互式任務(wù)配置和自動代碼生成 。計數(shù)信號也即信號源 ,它提供了計數(shù)器操作的時間基準(zhǔn) 。選用不同的濾波器進行數(shù)字濾波 ? (6)溫度 數(shù)據(jù)保存 :將采集到的數(shù)據(jù)保存 到數(shù)據(jù)庫 中 ,在數(shù)據(jù)庫中有 數(shù)據(jù)創(chuàng)建的時間 ,通道號等信息 ,便于數(shù)據(jù)采集后的讀取 處理 與數(shù)據(jù)分析 ? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 整個溫度巡檢儀的原理框圖如圖 所示 ,系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成 ?硬件部分包括熱電偶溫度傳感器 ,溫度信號調(diào)理模塊 ,PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)及 PC 機 4 部分組成 ?軟件部分采用美國 NI公司的 LABVIEW虛擬儀器軟件平臺 ,來完成對采集進來的 八 路溫度信號進行數(shù)據(jù)分析和顯示 ?本系統(tǒng)結(jié)果顯示形象直觀 ,操作方便 ,并且通過修改軟件還可以容易地擴展功能 ?針對溫度信號進行高精度地測試 ,整個系統(tǒng) 設(shè)計的核心 是溫度信號調(diào)理電路 的設(shè)計 以及以 LABVIEW 為 基礎(chǔ)的 軟件開發(fā) ? 系 統(tǒng)基本工作原理 :傳感器 將感受到的 環(huán)境溫度 信號 以電壓形式輸出到信號調(diào)理電路 ,信號經(jīng)過調(diào)理后輸入到 數(shù)據(jù)采集卡進行 A/D 轉(zhuǎn)換 ,A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接進入微機 ,再由虛擬儀器系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和 顯示 ? 多 路 溫 度 傳 感 器 信 號 調(diào) 理 電 路 P C I 6 2 2 1 數(shù) 據(jù) 采 集 卡主 機 L A B V I E W 軟 件 數(shù) 據(jù)分 析 和 顯 示被 測 信 號 圖 第五章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本章主要 介紹虛擬溫度巡檢儀的硬件設(shè)計 ,首先介紹了系統(tǒng)的硬件組成 ,然后是溫度傳感器檢測元件的介紹 ?調(diào)理電路的設(shè)計 ?PCI— 6221 數(shù)據(jù)采集卡的介紹 ? 系統(tǒng)硬件組成 本虛擬溫度巡檢儀首先通過溫度傳感器 (熱電偶 )通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換到 05v?濾波器剔除噪聲再經(jīng)反向多路轉(zhuǎn)換開關(guān)單端接入數(shù)據(jù)采集卡 ,計算機進行運算處理 ?圖 給出了 虛擬溫度巡檢儀硬件原理框圖 : 8 路 熱 電 偶溫 度傳 感 器主 機L A B V I EW 軟 件數(shù) 據(jù) 分析 和 顯示P C I 6 2 2 1 數(shù)據(jù) 采 集 卡A D 5 9 0前 置放 大多 路 轉(zhuǎn)換 開 關(guān)C d 4 0 5 1低 通濾 波器前 置 放 大多 路 轉(zhuǎn)換 開 關(guān)C d 4 0 5 1電 流 u A電 壓 0 5 vVm V被 測 信 號環(huán) 境 溫 度 圖 系統(tǒng)硬件原理框圖 溫度傳感器及調(diào)理電路 溫度傳感器 系統(tǒng)選擇 熱電偶作為溫 度傳感器 ,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(yuǎn)傳 ?在工作時 ,只要與顯示儀表配合即可測量氣體 ?液體 ?固體的溫度 ?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 2020℃ 以上溫度 ?所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一 ?通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統(tǒng) ?有效的方法 ,廣大技術(shù)工作人員在實際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗 ?此課題采用鎳鉻一鎳硅熱電偶 (K 型 )其使用溫度范圍為 200℃ ~1300℃ ? 調(diào)理電路設(shè)計 從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備 ,信 號調(diào)理功能包括放大 ?濾波 ?線性化等 ?由于不同傳感器有不同的特性 ,因此 ,除了這些通用功能 ,還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能 ?下面僅介紹信號調(diào)理的通用功能 ? 冷端溫度補償電路設(shè)計 由于連接熱電偶與 DAQ 板卡的引線要一起所謂的參考連接或冷端連接 ,這種連接如同熱電偶一樣也要產(chǎn)生輸出電壓 — 即所謂的參考電壓或冷端電壓 ?這樣 ,測量電壓就包括了熱電偶輸出電壓和冷端電壓兩部分 ?補償冷端電壓的方法就是所謂的冷端補償 ? 冷端補償是熱電偶測量中信號調(diào)理的首要任務(wù) ?常用的冷端補償方法有硬件補償方法 和軟件補償 ?硬件補償是用一種特殊電路產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妷簛淼窒涠穗妷??因此每種熱電偶必須有可在所有環(huán)境溫度下正常工作的專用補償電路 ?這樣的補償電路是非常昂貴的 ,所以通常采用軟件方法進行溫度補償 ? 軟件補償?shù)脑硎怯昧硗庖粋€溫度傳感器直接測量冷端環(huán)境溫度并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶表或多項式通過軟件計算出計算出所需的補償電壓 ,然后將測量電壓和補償電壓相加 ,在用標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶多項式或查表法將補償后的電壓換算成溫度值 ? 本設(shè)計采用軟件冷端溫度補償 ,選擇 AD590 集成溫度傳感器檢測環(huán)境溫度 ?AD590單片集成溫度傳感器 ,是電流型集 成溫度傳感器 ?其溫度測量范圍為 55℃~150℃, 線性電流輸出靈敏度為 1uA/k?AD590 以熱力學(xué)溫標(biāo)零點作為輸出點 ,在 0℃ 時的輸出電流為 uA? 假設(shè)環(huán)境溫度范圍為 0℃~50℃, 按圖 ,該電路的輸出靈敏度為100mV/℃ ?因為 AD590 直接測量的是熱力學(xué)溫度 (溫度單位為 k),因此為為了以攝氏溫度讀出 ,其輸出必須以 uA 偏置 ?令 AD590 的輸出電流流過 1kΩ 電阻 ,這樣就將 1uA/k的電流靈敏度轉(zhuǎn)換為 1mV/k的電壓靈敏度 ?在將轉(zhuǎn)換后的輸出電壓連接到 AD524儀表放大 器的同相輸入端 ?基準(zhǔn)電壓芯片 AD580輸出的 ,接儀表放大器的反相輸入端 ,設(shè)置 AD524的放大倍數(shù)為 100,這樣 ,經(jīng) AD524對兩輸入差值放大后 ,就可將 0℃~50℃ 的溫度輸入變換為 0— 5V的電壓輸出 ,即該溫度測量電路的輸出電壓靈敏度為 100mV/℃ ? A D 5 8 0+ 5 vA D 5 2 47 v1 kG = 1 0 01 k2 5 0 Ω1 0 k2 k采 集 卡a i 8A D 5 9 0+ 圖 冷端溫度補償電路 信號調(diào)理電路設(shè)計 微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲 ,使信號調(diào)理后的電壓范圍和采集卡的電壓范圍相匹配 ?信號調(diào)理 電路如圖 所示 : 1 2 3 8 A D 5 2 4二 階濾 波 器A D 5 8 0P C I 6 2 2 1數(shù) 據(jù)采 集 卡+ 5 vA D 5 2 47 v1 kG = 1 0 01 k2 5 0 Ω1 0 kC D 4 0 5 1C D 4 0 5 1A D 5 9 0G = 1 0 0++a i 8a i 0 : 8 圖 系統(tǒng)信號調(diào)理電路圖 信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器 ,使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲 影響之前已被放大 ,使信噪比得到改善 ? 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分 ?大多數(shù)信號調(diào)理模塊有低通濾波器 ,用來濾除噪聲 ?通常還需要抗混疊濾波器 ,濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號 ?某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器 ? 許多傳感器對被測量的響應(yīng)是非線性的 ,因而需要對其輸出信號進行線性化 ,以補償傳感器 帶來的誤差 ?但目前的趨勢是 ,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用軟件來解決這一問題 ? PCI 數(shù)據(jù)采集卡 LabVIEW提供了 Measujrementamp。同時 ,具有數(shù)字顯示和波形圖顯示 。 (3)檢測參數(shù) 的顯示 :如 檢測 時間 ?設(shè)定溫度 ?當(dāng)溫度超出某個范圍進行報警等 。設(shè)置溫度信號的輸入 方式 。溫度較低的一端 (To )叫自由端 ( 通常處于某個恒定的溫度下 )?如圖 : T 0TAB 圖 熱電偶測溫原理圖 由熱電效應(yīng)可知 ,閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成 ,即接觸電勢和溫差電勢 ,總電勢為 0 0 0 0( , ) ( ) ( , ) ( ) ( , )AB A B B A B AE t t e t e t t e t e t t? ? ? ??實驗結(jié)果表明 ,溫差電勢比接觸電勢小很多 ,可忽略不計 ,則熱電偶的接觸電勢可表示為 00( , ) ( ) ( )AB A B A BE t t e t e t?? (3— 1) 這就是熱電偶測溫基本公式 ? 根據(jù)熱電勢與溫度函數(shù)關(guān)系 ,可制成熱電偶分度表 ?分度表是在自由端溫度 To=0℃ 的條件下得到的 ?不同的熱電偶具有不同的分度表 ?在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時 , 只要該材料兩個接點的溫度相同 , 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變 ,即不受第三種金屬接入回路中的影響 ?因此 ,在熱電偶測溫時 ,可接入測量儀表 , 測得熱電勢后 , 即可知道被測介質(zhì)的溫度 ? 溫度測試的注意事項 溫度檢測技術(shù)是一種精度較高 ,測溫誤差較小的檢測技術(shù) ,如果應(yīng) 用不當(dāng) ,將會引起很大的測量誤差 ,得不到正確的溫度數(shù)據(jù) ?因此在實際應(yīng)用中 ,應(yīng)注意以下兒個方面 : (l)避免受到過大的震動和應(yīng)力作用 :當(dāng)熱敏電阻受到?jīng)_擊 ?震動或其他形式的加速時 ,會導(dǎo)致感溫元件變形 ?彎曲而產(chǎn)生應(yīng)力 ,從而改變其溫度一電阻特性 ? (2)避免在強磁場中使用 :由儀器的測溫原理可知 ,其導(dǎo)電機理與感溫元件內(nèi)部電子的狀態(tài)有關(guān) ?當(dāng)感溫元件周圍存在磁場時 ,必將改變其內(nèi)部電子的運動狀態(tài) ,引起阻值變化 ,引起磁阻效應(yīng) ? 此外還有自熱效應(yīng) ?壓力影響 ?引線電阻影響等 ,這里不再贅述 ? 第四章 基于虛擬儀器的熱電偶溫度巡檢儀 總體方案設(shè)計 虛擬溫度巡檢儀簡介 溫度巡檢儀就是對多個溫度檢測點進行分時的巡回檢測 ,即一臺儀表便可實現(xiàn)對多路溫度檢測 ,雖說智能溫度巡檢儀能完成對多點溫度的檢測 ,但只能對溫度進行數(shù)值顯示 ,對數(shù)據(jù)的保存讀取操作困難 ,基于虛擬儀器的溫度巡檢儀 ,不僅能顯示溫度數(shù)值 ,而且能對溫度實時變化趨勢通過曲線顯示 ,能給用戶一個友好的監(jiān)控界面 ?使用戶能很好的了解現(xiàn)場溫度變化情況 ,數(shù)據(jù)的存取操作簡單 ,只需通過按鈕便可實現(xiàn)操作 ?用戶可以根據(jù)需要查詢某一時間段數(shù)據(jù) ,以便進行數(shù)據(jù)分析 ,還可根據(jù)現(xiàn)實需要進行參數(shù)修改 ? 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 本論 文設(shè)計主要是解決多點溫度的巡回檢測 ,進行實時的顯示溫度值和溫度曲線 ?為了改善傳統(tǒng)溫度巡檢儀的功能 ?此虛擬溫度巡檢儀系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能 : (1)密碼設(shè)定 :確保系統(tǒng)安全 。邊界的換熱則取決于對流換熱系數(shù)和發(fā)射率 ?固體內(nèi)部向邊界的傳熱取決于固體材料本身 ?固體材料包括金屬材料和非金屬材料 ?不同材料的導(dǎo)熱機理是不一樣的 ?在對固體表面測溫時 ,大多采用接觸法 ?在具體測溫時 ,傳感器如何與被測對象接觸對溫度的測試結(jié)果影響較大是個重要問題 ?經(jīng)過長期的工程實踐 ,人們總結(jié)出對固體表面測溫時的幾種提高測試準(zhǔn)確度的方法分別為 :等溫線敷設(shè)法 ?平衡加熱法 ?周期加熱法等 ? (2)液體溫度測量廣一泛應(yīng)用于石油化工 ?輕 紡 ?制藥 ?電力等部門 ?由于液體的比熱及導(dǎo)熱率都比較大 ,并且與檢測元件有良好的接觸 ,因此采用接觸法是一種比較好的選擇?只要測溫元件選擇合適 ,就能測量到接近于真實溫度的測量值 ? (3)氣體溫度的測量 ,實質(zhì)是對氣流溫度的測量 ?對于氣流速度不高 ,但溫度較高或者速度較快而溫度不高的情況 ,測溫仍以接觸法為主 。另一方面 ,基于 PCI一 DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價比高 ?靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞 ,將得到高速的發(fā)展 ?隨著計算機硬件 ?軟件技術(shù)的迅速發(fā)展 ,虛擬儀器將向高性能 ?多功能 ?集成化 ?網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 ? 目前 ,Nl 提供了多種軟硬件產(chǎn)品 ,應(yīng)用遍布電子 ?機械 ?通信 ?汽車制造 ?生物 ?醫(yī)藥 ?化工 ?科研 ?教育等各個行業(yè)領(lǐng)域 ?虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合 ,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化虛擬測試系統(tǒng)是虛擬儀器發(fā)展的方向之一 ?LabVIEW 具有強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能 ,這種功能使LabVIEW用戶可以容易的編寫出具有強大網(wǎng)絡(luò)通信能力的 LabVIEW應(yīng)用軟件 ,實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控 ? 遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)將是虛擬儀器的發(fā)展趨勢 ? 第三章 溫度檢測原理 溫度檢測法簡介 自然界中許多物質(zhì)的物理屬性與溫度有關(guān) ,如導(dǎo)體的電阻 ,灼熱物體的顏色和輻射能量都與其本身溫度密切相關(guān) ,故溫度檢測的方法也分為多種 ?所有的溫度測試儀在測溫時其傳感器一般處于兩種狀態(tài) :和被測對象相接觸 。利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng) ?在性能上 ,隨 著 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) ,濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展 ,DAQ 卡的采樣速率已達 1GB/s,精度高達 24 位 ,通道數(shù)高達 64 個 ,并具有數(shù)字 I/O,模擬 I/O 和計數(shù)器 /定時器等通道 ?各儀器廠家生產(chǎn)了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇 ,如示波器 ?串行數(shù)據(jù)分析儀 ? 動態(tài)信號分析儀 ?任意波形發(fā)生器等 ?在計算機上掛接多個 DAQ 功能模塊 ,配合相應(yīng)的軟件 ,就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器 ?這種基于計算機的儀器 ,既具有高檔儀器的測量品 質(zhì) ,又能滿足測量需求的多樣性 ?對我國大多數(shù)用戶來說 ,它具有很高的性能價格比 ,是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案 ? (2) GPIB(Generae Purpose Irafce Bus)通用接口總線 ,是計算機和儀器間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議 ?GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 和 ,它是最早的儀器總線 ,目前多數(shù)儀器都配備了遵循 IEEE488的 GPIB接口 ?典型的 GPIB測試系統(tǒng)