【正文】 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)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)的主控部分是配有鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)的微機(jī)系統(tǒng)。基于虛擬儀器的開(kāi)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)。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。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]。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。[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。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。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(kāi)的。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。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。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；補(bǔ)償導(dǎo)線法是將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場(chǎng)所，相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)，根據(jù)熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要導(dǎo)體兩端接點(diǎn)溫度相同，回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)保持不變，這樣只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)溫度一致，就不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)的輸出。其測(cè)量誤差不僅取決于自身的物理性能，還與使用方法正確與否密切相關(guān)，在實(shí)際使用時(shí)，必須遵循多項(xiàng)技術(shù)規(guī)范，否則將會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，甚至使其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許的誤差范圍，而且還可能降低熱電偶的使用壽命。把兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B連接成閉合回路， 熱電偶結(jié)構(gòu)圖當(dāng)兩接點(diǎn)1與2的溫度不同時(shí)，如T To，則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)EAB(T，T0)。兩熱電極A和B的組合稱作熱電偶。熱電偶就是通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。 ⑴接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)是基于帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的，即兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形成的熱電勢(shì)。設(shè)導(dǎo)體A和B的電子密度分別為NA和NB，并且NANB，則在單位時(shí)間內(nèi)，由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多，導(dǎo)體A因推動(dòng)電子而帶正電，導(dǎo)體B因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在A和B之間形成了電勢(shì)差。在某一溫度下，電子擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在接點(diǎn)處形成接觸電勢(shì)， ； ()式中，e為單位電荷，e=* 1019 C；K為玻耳茲曼常數(shù)，K=*1023J/K；EAB (T)和EAB(T0)分別為導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)在溫度T和To時(shí)的電位差。 ，接觸電勢(shì)的大小與該接點(diǎn)溫度的高低以及導(dǎo)體A和B的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢(shì)越大，兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)也越大。設(shè)導(dǎo)體A(或B)兩端溫度分別為T和T0，且TT0，此時(shí)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多，結(jié)果使高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負(fù)電荷。A，B導(dǎo)體分別都有溫差電勢(shì)產(chǎn)生， ； () 式中NAT和NBT分別為導(dǎo)體A，B在某溫度T時(shí)的電子密度；EA(T，T0)和EB(T， T0)分別為A和B兩端在T和T0 (T T0)時(shí)的溫差電勢(shì)。設(shè)TTo、 NA NB，由于溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小，所以在總電勢(shì)中，以導(dǎo)體AB在熱端的接觸電勢(shì)EAB(T)所占百分比大，決定了總電勢(shì)的方向，這時(shí)總電勢(shì)EAB(T，T0)可寫(xiě)成： () 經(jīng)整理后推導(dǎo)可得： () ，熱電偶總電勢(shì)與電子密度及兩接觸點(diǎn)溫度有關(guān)。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 (2. 5) 如果能使冷端溫度T0固定，即 (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 () 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。 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。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。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。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。常用的補(bǔ)償方法有： ⑴0℃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℃。⑵計(jì)算修正法由中間溫度定律，,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。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。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便，硬件投資小，測(cè)量效率高；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。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)；缺點(diǎn)依然是選擇用于補(bǔ)償E（T0，0）的電阻值時(shí)，只能在某一溫度（如20℃）時(shí)可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，溫度變化時(shí)則引入誤差。據(jù)現(xiàn)在溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng)使用情況來(lái)看，主要可采用模擬線性化和數(shù)字線性化兩種方法。因此，可考慮將曲線的線性部分延長(zhǎng)，用此虛線代替原曲線的起始部分，這樣用一條斜線代替原來(lái)的曲線，斜線與縱軸的交點(diǎn)稱折點(diǎn)電位。⑵數(shù)字線性化如果熱電偶輸出的模擬信號(hào)已經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，那么此時(shí)的線性化方式就要采用數(shù)字線性化，此方法主要的技術(shù)包括存貯器(ROM)和一些計(jì)算方法，多用在采用計(jì)算機(jī)技術(shù)的檢測(cè)及控制系統(tǒng)中?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，在高精度、高穩(wěn)定的溫度測(cè)量及控制場(chǎng)合，一般采用數(shù)字線性化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。.具體實(shí)現(xiàn)方法是在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置一個(gè)具有“非線性特性處理”功能的模塊，此模塊設(shè)計(jì)步驟如下。其次，對(duì)特性曲線分段，選取插值點(diǎn)。熱電偶的特性曲線特點(diǎn)是起始部分斜率變化較大，而中部曲線平緩，接近線性，因此取插值點(diǎn)時(shí)在起始部分間距取小一點(diǎn)，中部間距取大點(diǎn)。然后，根據(jù)確定的插值點(diǎn)，計(jì)算熱電偶輸出電勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系。可開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的對(duì)溫度進(jìn)行巡檢的多功能智能儀表，用MCS51單片機(jī)匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能，把程序分成了幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，先分別調(diào)試各個(gè)模塊，然后再鏈接進(jìn)行總的仿真調(diào)試?！獑纹瑱C(jī)、檢測(cè)溫度的敏感元件—熱電偶、信號(hào)的采集電路—恒流源電路、信號(hào)的切換及偏置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示輸出電路、通信電路、存儲(chǔ)電路以及電源電路。[4] 基于虛擬儀器的溫度巡檢儀 虛擬儀器徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠家定義功能的模式，而是在少量附加硬件的基礎(chǔ)上，由用戶定義儀器功能。虛擬儀器不但造價(jià)低，而且通過(guò)修改軟件可增加它的適應(yīng)性，進(jìn)而延長(zhǎng)它的生命周期，是一種具有很好發(fā)展前景的儀器。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。這樣形成的測(cè)試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。 ⑶操作性強(qiáng)，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界而。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線。 虛擬儀器的基本概念由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用已發(fā)生質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)有機(jī)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生突破性的變化。虛擬儀器系統(tǒng)概念是對(duì)傳統(tǒng)概念的重大突破，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)的儀器相比，它具有靈活性，方便性等優(yōu)點(diǎn)。所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。操作者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器一樣。 虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包括以下兩方面的含義： (1)虛擬儀器面板上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是完全相同的；由各種開(kāi)關(guān)、按鈕、顯示器等圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)儀器電源的“通”或“斷” ；被測(cè)信號(hào)的“輸入通道” 、“放大倍數(shù)” 等參數(shù)的設(shè)置，及測(cè)量結(jié)果的“數(shù)值顯示” 、“波形顯示”等。因此，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對(duì)圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。虛擬儀器是在以PC機(jī)為核心組成的硬件平臺(tái)支持下，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的功能的。 虛擬儀器的類型 GPIB總線方式的虛擬儀器 GPIB （General Purpose Interface Bus）是計(jì)算機(jī)和儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議己經(jīng)納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 。 典型的GPIB測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一塊GPIB接口控制器卡和若干臺(tái)GPIB儀器。通過(guò)改動(dòng)計(jì)算機(jī)的控制軟件可以增加、減少或更換系統(tǒng)中的儀器。 VXl總線方式的虛擬儀器 1987年公布的VXI （VMEbus extension for Instrumention）是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它不僅繼承了GPIB、VME總線的優(yōu)點(diǎn)，集測(cè)量、計(jì)算、通信于一體，還具有高速、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。目前，這種類型也有逐漸退出市場(chǎng)的趨勢(shì)。PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的參考時(shí)鐘，用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局部總線。把臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)主流的虛擬儀器平臺(tái)之一。利用DAQ可以方便快捷地組建虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用” 。DAQ虛擬儀器既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)，又能滿足測(cè)量需求的多樣性。下面以基于PCI總線和USB總線的多功能虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)為例，介紹DAQ型虛擬儀器的結(jié)構(gòu)。工作原理：由主機(jī)啟動(dòng)程序，發(fā)出按時(shí)間步進(jìn)的頻率控制字送入信號(hào)源電路，產(chǎn)生頻率隨時(shí)間在1MHz~70MHz范圍內(nèi)變化的恒幅正弦波模擬信號(hào)。另外，通過(guò)改變應(yīng)用程序，即界面程序設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)同功能的虛擬儀器，如虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀等。⑵基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設(shè)計(jì)基于USB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速快、連接靈活的特點(diǎn)。該類系統(tǒng)主要由PC機(jī)、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。利用USB總線的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試方案的靈活配置和測(cè)試功能的自由擴(kuò)展，即當(dāng)需要添加新測(cè)試功能時(shí)，只需開(kāi)發(fā)支持USB接口的相應(yīng)測(cè)試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。USB技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合在一起是計(jì)算機(jī)儀表領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，基于USB總線接口設(shè)計(jì)的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)(簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái))和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成 ⑴虛擬儀器的硬件平臺(tái)硬件平臺(tái)是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，其主要功能是完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸和顯示輸出結(jié)果。對(duì)于工業(yè)控制自動(dòng)化來(lái)講，計(jì)算機(jī)己成為一種功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的運(yùn)行平臺(tái)。虛擬儀器借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。②I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。 ⑵虛擬儀器的軟件對(duì)于普通計(jì)算機(jī)用戶，相對(duì)于面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，圖形化編程語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)虛擬儀器軟件提供了便利。 虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與一些硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和一些硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起。它以計(jì)算機(jī)發(fā)展為平臺(tái)，更迎合了在當(dāng)今信息社會(huì)，各行各業(yè)向智能化、自動(dòng)化、集成化發(fā)展的趨勢(shì)。PC技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展，虛擬儀器的功能得以進(jìn)一步的發(fā)展，如更多