基于虚拟仪器的温度测量系统

摘要：基于虚拟仪器技术，利用热电偶设计了一套温度测量系统，包括硬件和软件设计，硬件包括对热电偶输出信号的放大和滤波，以及对冷端温度的补偿电路，冷端温度通过Pt100热电阻进行测量；软件采用Labview进行编写，界面简洁，可通过图形化的界面对温度进行实时监测。
关键词：虚拟仪器；热电偶；温度测量；Labview

0 引言
    热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，测温时，热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，因此测量精度高。常用的热电偶从-50℃～+1 600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达+2 800℃(如钨-铼)。另外，热电偶通常由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。所有这些优点使得热电偶成为工业上最常用的温度检测元件之一。
    虚拟仪器是计算机技术和仪器测量技术相结合的产物，它充分利用计算机强大的运算处理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制。本文利用虚拟仪器平台，通过编写Labview软件对温度进行测量，可以减少硬件的重复开发，有利于系统的维护，也便于系统软件升级。

1 热电偶测温原理
    热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路。如图1所示。由于两种不同金属所携带的电子数不同，当两个导体的两个连接点之间存在温差时，就会发生高电位向低电位放电现象，因而在回路中形成电流，温度差越大，电流越大，这种现象称为热电效应，也叫塞贝克效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。如果两个接点的温度相同，则不会产生电流。

    图1中，由两根不同导线A和B组成电路，连接成的接点温度分别为t和t0，则电路中产生的热电势等于接点的电动势之差，如下式：
   
    热电偶用于探测温度的一端称为“热端”，处于标准温度的一端称为“冷端”，国际公认的标准冷端温度为0℃，但是在工业现场，要将冷端温度处理成0℃不太现实，因此必须对冷端进行补偿。对于冷端温度为t1的情况，可按下式进行处理：
   
    式(2)中，E(t，0)表示热电偶热端温度为t，冷端温度为0时的热电势；E(t，t1)表示热端温度为t，冷端温度为t1时的热电势，E(t1，0)表示热端温度为t1，冷端温度为0时的热电势，根据实际测试得到的冷端温度，查分度表可求得E(t1，0)，E(t，t1)可直接测得，这样就可以求出E(t，0)，再查分度表即可得到热端的温度。

2 系统硬件设计
    系统硬件由热电偶、信号调理模块、数据采集卡、PXI机箱组成，如图2所示。本设计采用K型热电偶，使用温度范围为-200℃～1200 ℃，其输出电压信号为mV级，因此，信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路以及冷端补偿电路。热电偶测试的冷端补偿通常有两种方式：硬件补偿和软件补偿，本设计采用软件补偿的方式。

    采用差动输入的方式将热电偶输出信号连接到仪表放大器上，热电偶满量程输出信号为100mV，数据采集卡的输入电压范围为-10V～10V，因此设计仪表放大器的放大倍数为100。为了减少噪声，采用2阶有源低通滤波器对放大器的输出信号进行滤波，滤波器的截止频率为2Hz。另外，为了抑制放大器的零点漂移，设置一个基准调节电路，将放大器的基准电压稳定在5 V，减小放大器自身引入的误差。电路原理图如图3所示。

    金属的电阻随温度的上升而增加，利用此特性制成的传感器称为热电阻，很多材料可制作热电阻温度传感器，其中最常用的材料为铂，铂电阻的电阻率高、电阻与温度成线性关系、测温范围广、精度高。目前常用的铂电阻有两种：Pt100和Pt10，Pt100铂电阻在温度为0℃时电阻为100 Ω，100℃时电阻为138．51Ω，Pt10在温度为0℃时电阻为10 Ω，本设计采用Pt100对冷端温度进行测量，将测得的冷端温度送给计算机，通过软件计算进行补偿。冷端温度测量电路如图4所示。

3 系统软件设计
    系统软件采用Labview图形化语言进行编写，程序流程如图5所示。

    为了消除冷端温度变化引起的误差，对每次采集的100个冷端电压值求平均，再通过公式将电压值转换为Pt100的电阻值，然后查找Pt100分度表将电阻值转换成温度值，通过查找分度表确定温度的方法存在较大误差，不能满足需要精确测量温度的情况，因此必须寻求更加有效的方法求解冷端温度。Labview自带功能强大的运算函数，包括曲线拟合函数。可利用函数(General Polynomial Fit．vit，位于数学-拟合面板)对Pt100的分度表进行二次拟合，得到一个二次方程：T=aR2+bR+c(T为温度，R为电阻值，a，b，c为拟合得到的结果)，将R代入该公式即可自动求得温度值。计算出冷端温度后，通过查找热电偶分度表可得到E(t1，0)，进而得到E(t，0)。同样，对热电偶分度表，也可以从中均匀地选出一组值进行二次拟合，作为温度查询程序。
    得到热端温度后，根据预先设置的温度上限和下限自动判断是否在正常的范围内，如果超过温度上下限，系统会发出警报，若在正常范围内，则进行显示。另外，程序可以对采集得到的数据进行保存，数据格式为．tdms格式，并且可以对保存的数据进行查询和波形回放。
    试验的结果表明，该软件通过简洁友好的界面，可以很好地对温度进行实时检测，用户可直接观察温度变化过程，并且可以对测试结果进行保存和查询。

4 结束语
    本文基于虚拟仪器技术进行温度测量系统设计，系统结构简单，易于维护，并且有很强的通用性，系统硬件可以设计成标准模块，搭建新系统时可直接利用，软件可根据用户需求进行适当修改，整个系统可用于某些恶劣环境下的温度测量，具有一定的推广价值。