【正文】 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。因?yàn)樗倪\(yùn)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。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(gè)測量系統(tǒng)分辨力不高而降低測量精度。 根據(jù)目前 單片機(jī) 儀表的一般特點(diǎn) ，溫度巡檢儀 的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 內(nèi)蒙古科 技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 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。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(jì)算速度。分段方法采取非等間距分段法。 首先，根據(jù)熱電偶輸出的 mV 信號分度表，作出一條比較精確的輸入 — 輸出曲線。 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)，可采用線性內(nèi)蒙古科 技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 插值法進(jìn)行處理，并且可達(dá)到比較好的效果。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)，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 。 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”。 由于工業(yè)常用的幾種熱電偶的輸出特性曲線存在共同特點(diǎn)，即除了曲線起始部分非線性較嚴(yán)重以外，其它部分線性較好 。 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 。 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(jìn)行信號傳送及數(shù)據(jù)處理時(shí)，往往希望其特性為線性的 ，因而有必要對其非線性特性進(jìn)行線性化處理。 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。 ⑶ 電橋補(bǔ)償法 該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補(bǔ)償熱電偶 T0變化對輸出電勢的影響，是現(xiàn)場常用的冷端補(bǔ)償方法。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。雖然近內(nèi)蒙古科 技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 年來已出現(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)場環(huán)境使用。該過程稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。 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，為使輸出電勢是被測溫度 T 的單一函數(shù)，必須使冷端溫度固定。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。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)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(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。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。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性， 而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)。 ⑶ 熱電偶閉合回路的總電勢 如圖 所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個(gè)溫差電勢 EA(T， T0)和 EB(T， T0)及兩個(gè)接觸電勢 EAB(T)和 EAB(T0)。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后內(nèi)蒙古科 技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 使電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)所形成的電位差稱作溫差電勢。 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。 NAT 和 NAT0為導(dǎo)體 A 在溫度分別為 T 和 T0時(shí)的電子密度， NBT 和 NBT0為導(dǎo)體 B 在溫度分別為 T 和T0時(shí)的電子密度。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。電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。該熱電勢是由兩部分組成：接觸電勢與溫差電勢。在兩個(gè)接點(diǎn)中，接點(diǎn) 1 是將兩電極焊在一起，測溫時(shí)將它放入被測對象中感受被測溫度，故稱之為測量端、熱端或工作端；接點(diǎn) 2 處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端、冷端或自由端。導(dǎo)體 A和 B 叫做熱 電極。 熱電偶測溫原理 熱電偶是熱電偶溫度計(jì)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)。 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。 由于熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢與兩端溫度有關(guān)，只需將冷端的溫度恒定，熱電動(dòng)勢與熱端溫度 構(gòu)成 單值函數(shù)。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。如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電偶材料相同，無論兩接點(diǎn)溫度如何，熱電動(dòng)勢均為零。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]。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中時(shí)，回路中將會產(chǎn)生電動(dòng)勢，產(chǎn)生的電動(dòng)勢只與工作端和自由端的溫度差有關(guān)。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。 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(yuǎn)傳。熱電偶材料一般有鉑銠－鉑銠和鉑銠－鉑，鎳鉻－鎳硅等。 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，懇請有關(guān)專家批評指正。 系統(tǒng)的軟件方面，選用美國 NI 公司出臺的 語言來編寫，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。 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(bǔ)償選用 AD 公司出品的集成溫度傳感器 AD590。 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。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。 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?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)” 。 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)展前景的新一類內(nèi)蒙古科 技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 電子儀器。由此可見，熱電偶在現(xiàn)代溫度測量科學(xué)和控制工業(yè)中占有十分重要的地位。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。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(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。 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)。熱電偶是目前工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛的溫度測量儀器之一，其工作原理是將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢信號，配以測量電勢信號的儀表，便可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量或溫度信號的變換，具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、經(jīng)濟(jì)耐用、體積小和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 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。 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。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。國內(nèi)外儀器儀表工業(yè)中最常用的一種測溫元件 (或稱溫度傳感器 )就是熱電偶 。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。從今天進(jìn)入信息時(shí)代來看，儀器儀表是實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)化、存取、處理和揭示物質(zhì)活動(dòng)規(guī)律的必要工具，也是新技術(shù)革命的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 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 。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 4 路 K 型熱電偶溫度信號 。 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。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于 LabVIEW 的熱電偶溫度巡檢儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 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)，溫度測試是教學(xué)實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題。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)。熱電偶溫度信號經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行相應(yīng)的處理后，通過數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 送入計(jì)算機(jī)。 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。 關(guān)鍵詞： 熱電偶； 巡檢儀 ；虛擬儀器； LabVIEW；數(shù)據(jù)采集卡 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） Design and Implementation of Thermocouple Temperature Cycling Measure Instrument Based on LabVIEW Abstract Temperature is an important physical measure that used to characterize equipment state, but also an important parameter of analysis in the heat transfer, temperature testing is a problem that often encountered in teaching experiment and industrial production. Because the traditional temperature testing instrument often requires lots of manual operation and calculation, and there exists some shortings, such as the relatively large size, a single function, unexpansion. According to the shortings of the traditional instrument above, the design works out and develops a kind of thermocouple temperature cycling measure instrument based on virtual instruments using the figurelize programable language LabVIEW that developed by NI corporation in USA. The signal of thermocouple temperature is set to the puter through the data acquisition adapter PCI6221 after some corresponding process through the signal opsonin circuit. The design pletes the PCbased design and corresponding program frame of the thermocouple temperature cycling measure instrument based LABVIEW， which can cyclely measure the K type thermocouple temperature signal on 4 roads .through the PCbased can set the parameters of measured temperature range、 the up to bottom limit of alarming temperature、 the cold tip temperature etc and show the temperature value and line realtimely，which can give