热电偶温度表设计报告.doc

-常熟理工学院课程设计报告
目 录
第一章 绪论 1
第二章 总体设计方案 2
2。1 实现的功能 2
2.2 总体思路 2
第三章 硬件系统设计 3
3.1 温度传感器及调理电路 3
3.1。1 热电偶工作原理 3
3.2 热电偶的选型 4
3.2。1 J型电偶 5
3.2。2 E型电偶 5
3.2。3 K型电偶 5
3。2.3 N型电偶 6
第四章 LabVIEW的软件设计 6
4。1 前面板设计 6
4.2 框图程序设计 7
4。2。1 数据采集模块 8
4.2.2 数据转换模块 8
第五章 实验结果与分析 9
5.1实验结果 9
5.2 实验分析 9
第六章 小结 10
参考文献 11
附录1 热电偶温度表程序图 12
附录2 实验电路图 12
第一章 绪论
虚拟仪器的技术基础是计算机技术,核心是计算机软件技术。LabVIEW使用了“所见即所得"的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象，如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。与传统仪器相比，它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能和规模,这充分体现了“软件就是仪器”的设计思想。虚拟仪器最有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench即实验室虚拟仪器工作平台)。LabVIEW使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供了许多仪器面板中的控制对象。如表头、旋钮、开关及坐标平面图等。用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。就是LabVIEW提供了多种强有力的工具箱和函数库,并集成了很多仪器硬件库。以LabVIEW支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其它平台上。
以LabVIEW为软件平台，通过热电偶冷端补偿的方法进行温度测量。有效的运用了LabVIEW虚拟仪器技术.将诸多重要步骤都在配备硬件的普通PC电脑上完成，是得整个测量的重点转向软件的设计，是虚拟仪器技术应用与温度测量领域的一个典型范例。
第二章 总体设计方案
2。1 实现的功能
本次课程设计要完成一个热电偶虚拟温度表的设计，这个温度表能通过电偶的测量来显示温度的变化.温度表通过测出电偶两端的电压，在利用温度与电压之间的关系,将它转化成温度,在温度表上显示.使用不同型号的热电偶J型、K型、E型、N型，观察温度的变化。
2.2 总体思路
虚拟仪器测温系统是用虚拟仪器技术改造传统的测温仪，使其具有更强大的功能.系统框架如图所示，仪器系统通过前端感温装置的传感元件，将被测对象的温度转换为电压或电流等模拟信号，经信号调理电路进行功率放大、滤波等处理后，变换为可被数据采集卡采集的标准电压信号。在数据采集卡内将模拟信号转换为数字信号，并在数据采集指令下将其送入计算机总线，在PC机内利用已经安装的虚拟仪器软件对采集的数据进行所需的各种处理。总体流程如图2—1所示：
图2-1温度测量系统原理框
第三章 硬件系统设计
3.1 温度传感器及调理电路
3。1。1 热电偶工作原理
热电偶是由两种金属（或合金） 材料构成的温度传感器。热电偶具有热电效应， 当两种金属A和B 构成闭合回路、并且在两个结点存在温度差时， 就会产生温差热电势。有公式：
e= EAB(T1）－EAB(T0） ＝k／q （T1－T0) ㏑ρA ∕ρB
EAB （T1）、EAB (T0） 分别为热端(T1）、参考端(T0） 的热电势。习惯上将参考端称作冷端， 此端温度即测温仪表所处环境的温度， k 为波耳兹曼常数, q 是电子电量, ρA﹑ρB依次为金属A、B 中自由电子的密度。显然, 当T1 〉T0 时， 热电势e 为正; T 1< T0 时e 为负； 当T1 = T0 时,e = 0。为准确测量温度, 可将冷端置于冰水混合物中， 使之保持在0℃环境下, 但这会给测量带来不便； 通常采用负温度系数的热敏元件(如热敏电阻) 进行补偿。而利用集成温度传感器不仅可实现热电偶冷端温度的自动补偿, 且补偿效果更好。
图3—1 热电偶回路电动势
通过将参考结点保持在已知温度上并测量该电压，便可推断出检测结点的温度.热电偶的优点是工作温度范围非常宽，而且体积极小。不过，它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺陷.
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类.所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量.标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。工业测温用的热电偶,其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。
3。2 热电偶的选型
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用.非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量.标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。
本次实验选用J型,E型,K型，N型电偶。
3。2.1 J型电偶
铁－康铜热电偶（分度号为Ｊ）
J型热电偶,该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200～800℃，但常用温度只是500℃以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快,如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命;该热电偶能耐氢气(Ｈ2）及一氧化碳（ＣＯ)气体腐蚀，但不能在高温（例如500℃）含硫（Ｓ）的气氛中使用.
温度与电压之间的关系：
T=U＊1000/52
3。2.2 E型电偶
镍铬－铜镍(康铜）热电偶(分度号为Ｅ）
Ｅ型热电偶是一种较新的产品,它的正极是镍铬合金,负极 是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及Ｋ型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大 电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与Ｋ型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感.
温度与电压之间的关系：
T=U*1000/61
3.2.3 K型电偶
镍铬－镍硅(镍铝)热电偶（分度号为Ｋ）
该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3％的镍硅合金(有些国家的产品负极为纯镍）。可测量0～1300℃的介质温度,适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性。
镍铬－镍铝热电偶与镍铬－镍硅热电偶的热电特性几乎一样,但是镍铝合金在高温下容易氧化，稳定性差，而镍硅合金在抗氧化和热电特性的稳定性方面都比镍铝合金要强。因此我国基本上用镍铬－镍硅热电偶取代了镍铬－镍铝热电偶，国外仍有用镍铬－镍铝热电偶.
温度与电压之间的关系：
T=U＊1000/41
3。2.3 N型电偶
镍铬硅－镍硅热电偶（分度号为Ｎ）
该热电偶的主要特点是：在1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好,另外,在400～1300℃范围内,Ｎ型热电偶的热电特性的线性比Ｋ型偶要好；但在低温范围内（-200～400℃）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。
温度与电压之间的关系：
T=U*1000/27
第四章 LabVIEW的软件设计
4.1 前面板设计
软件设计主要完成数据采集与控制、测试结果的分析和记录、数据查询等，同时为用户提供一个方便的操作界面。用户界面(前面板）是虚拟仪器的重要组成部分,仪器参数的设置、测试结果显示等功能都是通过软件实现,因此要求软件界面简单直接,便于使用。本系统采用LabVIEW8。0软件设计了用户界面如图所示.该界面可显示经传感器检测、数据卡采集并转换得到的电压的变化,同时将标定后得到的温度值用数值方式显示出来，如图所示.
图4-1 用户界面
4。2 框图程序设计
完成相应的硬件模块配置后,虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，用软件实现传统仪器的数据采集、存储、分析和显示等功能。LabVIEW的源程序为框图式的，且提供了非常丰富的库函数，从数据采集到仪器控制，从信号产生到信号处理，从数据分析到图形显示，从文件读写到网络通信,多种多样，大大提高了用户编程的效率，减轻了编程工作量。
在 LabVIEW 环境下开发的应用程序称之为VI (Virtual Instrument).VI由软面板程序和数据分析处理程序等组成。软面板程序由一个人机交互的界面一前面板(Front Pane1)和相当于源代码功能的框图程序一后面板(Diagram)组成。软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口。前面板是在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，可设置控制按扭和显示窗口,用户可以通过前面板上的开关和按钮实现对虚拟仪器的操作，显示窗口可以以文本或图形形式显示测量结果。图4—1为温度测量系统的前面板设计,采用文本方式、温度计方式和显示测量温度的变化.
本系统程序框图设计主要包括数据的测量与采集、模拟数据读取、电压-温度转换、数据处理及显示等模块，其中有些模块直接调用LabVIEW中的子模块（库函数）,如乘法、减法、定时器等；还有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模块由用户自定义设计实现.
4.2。1 数据采集模块
数据采集模块实现温度的测量，并把采集到的数据全部存储到数据表中，以备后续的数据处理、计算及打印。数据采集是该系统软件的主要功能，也是其他模块进行数据处理、图形绘制的基础.LabVIEW可通过数据采集模块显示实际的电压数值。
图4—2 数据采集
4.2。2 数据转换模块
采样程序循环一次，就预处理采集数据，主要是对电压信号转换为温度。由于热电偶所产生的电压信号较小,因此对采集到放大后的电压信号进行除法运算,还原热电偶的实际电压值，对实际的电压信号数组进行排列，对分度表的程序进行索取，也就是将实际的电压信号通过转换模块中的电压与温度之间的关系，输出相应的温度数值，转换成功.
图4—3 数据转换
同时，利用选择模块，选择不同型号的热电偶，显示不同电偶同一电压下，温度的变化。
图 4—4 选择模块
第五章 实验结果与分析
5.1实验结果
实验箱连线，选择适当的物理通道，运行程序框图，观察前面板运行结果。不同型号的电偶显示的电压与温度的转换不同。J型，E型，K型，N型所对应得温度如下：
图 5-1 温度与电压的显示
5.2 实验分析
采用LabVIEW软件平台和实验箱所组成的测试电路，与PtlO0等热电组温度传感器相比，具有使用简单、体积小、灵敏度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点；与DS1820等数字温度传感器相比，具有使用方便、成本低廉等特点。
采用虚拟仪器技术构建温度测量系统突破了传统仪器在数据处理、显示、传输和存储等方面的限制,减少了硬件成本和重复开发,使得系统硬件维护、功能扩展和软件升级非常方便。特别是只要对原程序作少许改动，使用者就可以根据自己的需求,自行设计各种具有个性化的仪器显示和操作面板.目前,以LabVIEW为软件平台的虚拟仪器技术正在成为现代温度测量乃至整个测试领域的发展方向.
本次设计使用的四种类型热电偶，在同一电压下，不同电偶测量的温度不同,与他们本身的性质有关，选择电偶时,选择相应能测温合适的热电偶类型。
第六章 小结
通过为期一个星期的课程设计，最终完成了对热电偶温度表的设计。在这次实训中，学到了很多知识，对电子测量这门课有了更深的了解。
刚开始时，觉得很难，老师只给了一个题目，参考资料都要自己找。网上搜索的都是些没用的材料，不是设计复杂就是无参考价值的。对于那些设计复杂的，在之前几次的实验课上，老师都没提及过这些元器件,根本不知道去哪里找这些元器件。本想去掉一部分功能，只要能显示温度与电压就行了，但去掉一部分之后根本就无法运行，更难找出错误.经过一两天之后，果断的放弃了网上搜索到的方案.
之后,我们小组就查找一些以前做过的实验，看看有没有相似的，或者是相同原理的。我们在以前的实验中找到了“模拟电压信号的输入显示”的实验，这与我们所做的设计有相同之处,都同样输入电压，只是这次设计要求显示温度,而以前实验显示电压波形.只要将显示的电压波形转化成温度，那这个设计就可以完成了。我们看了以前的程序框图，将它稍作修改：将电压通过温度与电压的关系式转化成温度;选择模块,可以选择不同型号的电偶.最终，我们成功了，电压可以直接转化成温度，在前面板中显示.
其实，有些设计并不好是很难，只要你善于观察，你总会在以前所做的实验中发现一些共同点。加以修改,就会使它的作用发生改变.这次实训给了我很深的体会,什么是学以致用，就是要把你以前学到的东西用在你不会的地方.知识的运用要灵活，不是学过就是会的了，真正的掌握是可以应用于实践.同时小组合作是非常有用的,一个人的时间，精力,知识是有限的,一起讨论，一起思考,总会使问题变得明朗可以解决。
参考文献
［1]张健，韩薪莘.LABVIEW图形化编程与实例应用.北京：中国铁道出版社
［2]靖苏铜.赵福堂.基于LabVIEW的热电偶温度测量系统:仪表与计量技术，2005。12.
[3]尹雪飞,陈克安．集成电路速查大全．西安:西安电子科大出版社，2000.10
［4]康华光．电子技术基础．北京：高等教育出版社，1996.
［5]杨乐平，李海涛,宵相生，等.LABVIEW 程序设计与应用.北京:电子工业出版社
[6]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计.电子工业出版社
[7]黄峰.虚拟仪器技术教学资料.湖南工程学院出版社
附录1 热电偶温度表程序图
附录2 实验电路图
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