《毕业设计基于labview的热电偶温度记录仪》.doc

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1、本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于LabVIEW的热电偶温度记录仪学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：测控06-3班指导教师： 摘 要温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。本设计采用基于LabVIEW的热电偶温度记录仪来实现热电偶温度记录。设计分为硬件设计与软件设计两部分。硬件主要是由热电偶温度传感器、数据采集卡、PC机组成，主要实现温度信号的采集、转换、处理等功能。采用LabVIEW8.5进行图形化编程设计了前面板。可以通过用户登录界面进入系统，前面板设计包括温度采集、温度记录、温度查询三

2、部分。在程序框图设计中，编写了用户管理、DAQ采集、通道选择、数据库访问、数据库写入、数据库查询等子VI，实现了对于四个不同通道的数据采集、记录、实时显示、报警及查询等功能。关键词：Lab VIEW；虚拟仪器；温度；采集；记录AbstractTemperature not only is an important characterization of physical equipment, but also is the heat transfer analysis in an important parameter .The test and record the temperature

3、industrial applications are often experiment with teaching problems. This set of virtual instrument which is based on the thermocouple temperature recorder, is record the temperature of thermocouple. Design is divided into hardware design and software design .Hardware was designed by the thermocoupl

4、e temperature sensor, data acquisition cards, PC systems, etc. It is mainly temperature signal acquisition, transformation, processing and other functions .Software design used LabVIEW8.5 graphical programming software. The interface can be displayed Temperature acquisition, temperature records and

5、temperature query through user-side. In program design, I prepared a sub-VI (user management, DAQ acquisition, channel selection, database access, database write database query). And they achieved the four different channels for data collection, recording, real-time display, alarm and inquiry functi

6、ons.Key words: Lab VIEW; Virtual instrument; temperature; collection; Records目录摘 要IAbstractII第一章 绪论1温度记录仪的发展历史及现状1温度记录仪分类与应用2研究背景及意义2研究背景2研究意义3虚拟仪器技术3虚拟仪器的概念4虚拟仪器的结构4虚拟仪器的技术优势5本章小结6第二章 温度记录仪方案比较与选择8有纸温度记录仪8无纸温度记录仪8方案比较与选择8总体方案设计9本章小结10第三章 热电偶温度记录仪硬件设计11热电偶型号的选择11热电偶的发展现状113.1.2 热电偶的发展趋势12热电偶冷端温度补偿与线

7、性化处理方法13热电偶冷端温度补偿原理133.2.2 LT1025的结构和工作原理133.2.3 LT1025在K型热电偶测温中的应用143.2.4 LT1025在S型热电偶测温中的应用15数据采集卡的选择15本章小结16第四章 热电偶温度记录仪软件设计17热电偶温度记录仪的软件设计结构图174.2 软件前面板设计17用户登录前面板17温度采集前面板设计18温度记录前面板设计19温度查询前面板设计20程序框图设计21用户登录模块程序设计22通道选择模块程序设计24温度采集模块程序设计24温度报警模块程序设计25数据库访问模块程序设计25数据库写入模块程序设计26数据库查询模块程序设计274.4

8、 系统程序调试28本章小结30第五章 总结32参考文献33附录 主程序图35致谢36第一章 绪论温度记录仪的发展历史及现状温度记录仪是测量物体冷热程度的工业自动化仪表，一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于1592年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰

9、点为32度、沸点为212度、中间分为180度的水银温度记录仪，即至今仍沿用的华氏温度计。1742年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，温湿度记录仪以水的冰点为100度、沸点作为 0度。到1745年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍沿用的摄氏温度计。早在1735年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到18世纪末，出现了双金属温度计；1802年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度计。1821年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。

10、1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。国际现代通用的温标是1967年第13次国际权度大会通过的 ，1968年国际实用温标。它以13个纯物质的相变点，如氢三相点，即氢的固、液、气三态共存点(-25934)；水三相点()和金凝固点()等，作为定义固定点来复现热力学温度的1。温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，温度的微观概念是大量分子运动平均强的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。在工业过程控制中，温度也是一个重要的测量参数。 随着对生产效率的要求不断提高，对温度检测的要求也越来越高，融合现代检测技术和控制理论的

11、智能检测是当今温度检测的趋势，研究和开发适用场合多样化、测温对象多样化、检测设备数字化以及检测元件新型化的测温仪表是国内外测温仪表研究的重点。根据上述要求，国内外温度仪表将向以下几方面发展:（1）继续生产应用广泛的传统温度检测元件，如:热电偶、热敏电阻等。（2）加强新原理、新材料、新工艺的开发，如近来已开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。（3）向智能化、集成化方向发展，新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展2。温度记录仪分类与应用温度记录仪分类：按记录媒介分：有纸温度记录仪、无纸温度记录仪；其中有纸

12、温度记录仪又分为：长图温度记录仪、圆图温度记录仪。按通道分：单通道温度记录仪、双通道温度记录仪、多通道温度记录仪。早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增；近几年推出的带 USB接口的无纸记录仪更是极大地方便了数据的下载和保存。但是由于在某些场合目前有关规定必须使用有纸温度记录仪，比如：医疗上用的高温杀菌锅、低温冷藏、用于出口的食品生产等；以及有纸温度记录仪无需电脑知识而适应于一些低知识水准员工操作的管理和控制，有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代3。研究背景及

13、意义随着现代测试技术的不断发展，以LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ) 为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。在热电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。因此如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。研究背景温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度测试及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。早期的温度记录仪都是有纸类

14、型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增；近两年推出的带USB接口的无纸记录仪更是极大的方便了数据的下载和保存4。然而由于在某些场合目前有关规定必须使用有纸温度记录仪，比如：医疗上用的高温杀菌锅、低温冷藏、用于出口的食品生产等；以及有纸温度记录仪无须电脑知识而适用于一些低知识水准员工操作场合的管理和控制，因此有纸温度记录仪一时还无法被无纸记录仪完全替代。进入21世纪以来， 作为测试技术的一个分支， 虚拟仪器的开发和研制在国内得到了飞速的发展。虚拟仪器是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控

15、制面板， 以多种形式表达输出检测结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，并利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的计算机仪器系统。研究意义随着现代控制技术的发展，在工业控制领域需要对现场数据进行实时采集，例如在发电厂、钢铁厂、化工领域的生产中都需要对大量数据进行现场采集，而温度采集又是其中极为重要的部分。目前，温度测量主要采用玻璃液体温度计，人工观测。这种测量方式，一方面给偏远地区的观测人员带来诸多不便；另一方面，测量精度受人为因素影响，测量误差大。因此，有必要采用效率和自动化水平更高的新的测量手段。在农业方面，温度的变化影响作物的发芽、幼苗

16、的成长、作物的开花、果实的成熟，等等。对于不同的作物，其适宜的生长温度总是在一个范围。超过这个范围，作物或许会成活，但是其生长的规律将发生明显的变化，这对于作物能够优质、高产的目标相距甚远，因此， 实时获取作物生长的环境温度，对超过作物生长适宜范围的温度能够报警非常重要。同时，作物的适宜温度范围可以由检测人员根据实际情况加以改变。以LabVIEW 为代表的图形化语言，又称为G语言。使用这种语言编程的时候，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。利用LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。它遵循“软件即仪器”的概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界

17、面的软件进行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按照用户的需要定义仪器功能和结构，设计用户自己的仪器5。所以，在热电偶温度记录工作中，应用虚拟仪器技术可以提高工作效率，节约成本和提高准确性。因此如何能将热电偶温度测量记录及其技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度测试领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。虚拟仪器技术随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。20世纪80年代中期，美国国家仪器公司（National Instrument简称NI）首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器简称概念，并随之推出第一

18、批实用成果。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。 虚拟仪器的概念所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计等同常规仪器的各种功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析处理和显示功能。虚拟仪器技术强调软件在测控系统中的重要的地位，但也并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器测控系统通过信号采集设备和调理设备将计算机硬件和被测量硬件连接起来，再通过软件取代常规仪器硬件，将计算机硬件资源

19、与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件来实现对数据的显示、存储以及分析处理6。1.4.2虚拟仪器的结构虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集卡(DAQ)等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。按照

20、测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PXI和DAQ四种标准体系结构。（1）GPIB（General purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议己纳入国际工业标准IEEE488.1和IEEE 488.2。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE 488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到非常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传输速度一般低于500kb/s，不大适合于对系统速度要求较高的应用。（2）VXI（VME

21、busExtensionforinstrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Euro card标准(机械结构标准)和IEEE 488等标准的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI系统最多可包含256个装置，主要由主机箱、“0槽”控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用，可随意组成新系统。VXI的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。（3）PXI （PCI extension for Instrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开

22、放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。（4）DAQ （Data Acquisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-Based Instruments），实现“一机多型”和“一机多用” 6。虚拟仪器的技术优势虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是GPIBVXIPXI总线方式,二是PC插卡式LPT并行口式串口USB方式IEEE标准的1394口方式。美

23、国NI公司开发的LabVIEW和中国COINV开发的DASP虚拟仪器平台是国内外具有代表性的两个平台，其软件各有特点，互相不能替代、功能互补。LabVIEW平台是一个在国内外具有相当影响和大量用户的虚拟仪器开发平台，它对于一般仪器的开发商、学校仪器制造专业的教学以及一些特殊的用户是适宜的，但由于它是用于虚拟仪器二次开发的软件，而非可最终直接使用的仪器，这对大量的一般直接用户即只想用虚拟仪器马上直接测试分析试验结果的用户，有不方便的地方，也有局限性。DASP平台它是直接面向最终用户的虚拟仪器库，直接可以使用，不需要再进行编程加工，用起来非常的快捷方便，精度又很高，用户拿起来就可直接使用，但对于专

24、业仪器开发商或者仪器行业自己需开发虚拟仪器的用户，有一定的局限性。和常规仪器技术相比，NI虚拟仪器技术有四大优势7：（1）性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。（2）扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再受硬件仪器的限制。这些都得益于NI软件的灵活性，我们要做的只是更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进自

25、己的系统。在利用最新科技的时候，还可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品的设计时间。（3）开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。（4）无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的IO设备

26、提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。温度是表征设备状态的重要物理量，也是传热学中进行分析计算的重要参数，温度采集及记录是工业应用与教学实验中经常遇到的问题。为了解决上述这些问题，早期仪器仪表的开发者采用了有纸记录仪，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。进入21世纪以来，随着计算机技术、通信技术、微电子技术的高速发展，仪器测量技术也开始由传统仪器向计算机化方向迈进。和常规仪器技术相比，虚拟仪器技术有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成。例如

27、利用LabVIEW，可以产生独立运行的可执行文件。它遵循“软件即仪器”的概念，将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件进行有效结合，从而大大减少了仪器的硬件资源，并可以按照用户的需要定义仪器功能、结构，设计用户自己的仪器。这一创新使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样受到厂商的限制。虚拟仪器的出现彻底改变了传统的仪器观念，开辟了测控技术的新纪元。因此在热电偶温度记录工作中，如何能将热电偶温度采集记录技术有效的与LabVIEW虚拟仪器相结合就成了温度采集及记录领域的一个新课题，对测控技术的发展具有相当积极的意义。第二章 温度记录仪方案比较与选择

28、有纸温度记录仪有纸记录仪以独特的热打印记录方式和先进的微处理器控制技术，实现了无与伦比的高记录清晰度、高精度、高可靠性、多功能且便于操作。可连续记录和数字打印。该仪表的每个通道均可直接选择接收多种热电偶、热电阻、电压和电流信号，并可对被测信号进行数字显示及进行趋势记录和数字记录，能在本身打印的100mm宽的纸格上同时记录刻度值、时间及每一个信号的曲线，并将通道号印在各通道的轨迹旁。可通过键盘设定测量信号种类、小数点位置、显示范围、记录边界、报警值、回差、系统误差的校正、记录标尺、数据打印间隔、走纸速度、打印深度及时间等参数，并对所设参数加以保护。广泛应用于医药、石油、化工、冶金、电力等行业及科

29、研单位。STR1000有纸记录仪具有以下显著特点：高可靠性 、支持网络功能、强大的运算功能、多样的显示功能、友好的人机界面，操作更简便、丰富的报警功能、丰富的记录和打印功能、高可靠性、采用完全隔离技术8。无纸温度记录仪热电偶测温仪的硬件由热电偶传感器、集成温度传感器AD590、信号调理模块、数据采集卡及PC四部分组成，系统结构如图2.1。图热电偶测温系统结构框图热电偶采集被测温度信号并将其转化为电压信号，经仪表放大器放大，滤波电路滤波后输入到数据采集卡，转换为数字信号传给PC。集成温度传感器AD590测量实时环境温度实现冷端温度补偿。AD590是由美国模拟器件公司（AD）生产的恒流源式模拟集成

30、温度传感器的特点，测量误差小、采用二次查表法加线性插值实现温度的测量与显示9。方案比较与选择早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。虚拟仪器的设计中，硬件要求很低，成本低廉，程序为图形化语言，编程容易。这样，在仪器仪表的设计中，就可以省不少开发时间和不必要的浪费。除此之外，基于虚拟仪器的温度记录仪的设计中，用户还可以根据自己的需要定义仪器的功能，设计出符合自己要求的仪器仪表来。这样的虚拟仪器开发周期短，效率高。综上所述，本设计采用LabVIEW来实现热电偶温度的记录。

31、总体方案设计在工业过程控制中，温度是一个重要的测量参数，而热电偶具有准确度高、测温范围广和成本低廉等优点，使其成为工业应用中温度测量的首选。本设计针对传统热电偶非线性和冷端温度补偿方法的不足，为准确测量温度，将传统的热电偶测温技术与LabVIEW相结合起来，通过计算机运行LabVIEW 程序来分析处理输入数据，最终由计算机显示结果。利用LabVIEW实现了非线性和冷端温度的高精度实时补偿。热电偶对现场温度的测量、信号的调理到数据采集、数据分析，数据处理，最后到执行机构构成了一个完整的温度测量与控制系统。应用了软件的特点直接进行温度的测量。硬件中只需要把热电偶的两个接线端口接到数据采集卡上就行。

32、运行程序，就可以得出实际的温度。系统基本原理图如图2.2所示。图热电偶温度记录仪系统原理图温度由热电偶从热端进行采集，经过信号处理后，将数据送入数据采集卡。用基于LT1025的信号调理电路实现冷端温度补偿与线性化处理。LT1025是美国LINEAR公司生产的低功耗热电偶冷端补偿专用集成芯片，它既可用于E、J、K、R、S 和T型热电偶的冷端补偿，又可构成摄氏温度计，还可用于温度补偿网络中。其温度补偿准确度高达 。内部自带特殊的非线性校正电路，以确保在整个温度测量范围内LT1025都具有较高的补偿准确度。LT1025是专用的热电偶冷端温度补偿集成电路芯片，内部自带特殊的非线性校正电路，在070补偿

33、范围内具有很高的温度补偿准确度，其补偿绝对误差小于；该芯片的补偿输出信号为低阻抗，且独立于供电电压；它可和各种热电偶配套使用，所构成的测温系统结构简单、成本低廉、不需要调节，可广泛应用于电子测量、工业仪表等领域的温度测量。本系统采用NI公司生产的PCI6221数据采集卡，即应用虚拟仪器PC_DAQ系统。PC_DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI计算机本身的总线，故将数据采集卡(DAQ)插入计算机的空槽中即可。PCI6221是一种低廉的M系列数据采集卡，在计算机上使用的板卡。它可以采集模拟信号，数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟

34、输出的功能，该数据采集卡具有高性能的数据采集与控制功能。 温度记录仪分为有纸记录仪和无纸记录仪，早期的温度记录仪都是有纸类型的，随着计算机的普及和广泛应用，无纸温度记录仪产生，并因为其更准确地数据记录、更方便的数据存储、更便捷的数据分析功能，所占市场份额逐年猛增。本设计采用基于LabVIEW的热电偶温度记录仪，在热电偶温度记录仪的设计中运用到了基于LT1025的测温电路与PCI6221数据采集卡对数据的采集。第三章 热电偶温度记录仪硬件设计热电偶型号的选择工艺上比较成熟是标准化热电偶，其能批量生产、性能稳定、应用广泛而且具有统一的分度表，并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互

35、相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶，标准化热电偶的名称，分度号，测量范围，精确度等级及允许偏差如表3.1所示。表3.1标准化热电偶分度表10 热电偶名称分度号热电偶识别E(100,0)（mV）测温范围（）对分度表允许偏差（）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白硬013001600III600负亮白软6000.25%t铂铑13-铂R正较硬013001600II11000.25%t铂铑30-铂B正较硬016001800III6009004负稍软8000.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁012001300II-401300负稍亲磁III-200-4

36、0镍铬硅-镍硅N正不亲磁-20012001300I-401100负稍亲磁II-401300镍铬-康铜E正暗绿-200760850II40900负亮黄III-20040铜-康铜T正红色-200350400II-403501负银白色III-200401铁-康铜J正亲磁-200600750II-40750负不亲磁本设计选用比较常用的S型热电偶与K型热电偶，S型热电偶具有准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点； K型热电偶的测温范围宽、线性度好、热电动势较大、灵敏度高、抗氧化能力较强，在氧化和还原气氛中输出热电势都比较稳定。热电偶的发展现状热电偶由两种不同金属或合金组成闭合回路。它们的一端通

37、常焊接在一起形成接点，称为测量端(工作端或热端)。而另一端置于被测温场中其参考端恒定在某一温度下(通常为0)，然后通过连接导线与测量仪表相连。由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶中就有电动势产生用测量仪表测得电动势的数值后，便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。热电偶作为测温元件，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。在工作时，只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用来测量-2001600范围内的温度，有些热电偶甚至可测量2000以上温度。所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一。通过热电偶冷端补偿进行温度测量是一种传统、有效的方法，

38、广大技术工作人员在实际的测量检测中已经积累了较多的经验11。然而广泛应用于工业和科研中的热电偶传感器。由于受到测量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护套管材料玷污等情况的影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变化。当热电特性变化超过规定的范围时，热电偶指示的温度便会失真，测温误差越来越大12。除此之外由于热电偶热电势和温度之间的非线性以及冷端温度的不稳定，影响了测温精度。传统的冷端及非线性补偿方法主要有以下两种:一是基于硬件的补偿，但补偿电路复杂，成本较高，精度不够；二是基于软件的补偿，通过微机进行拟合或插值实现修正，普通的软件补偿对工作人员编程能力要求较高，计算量大，实时性不是很好。因

39、此，传统补偿方法在很多场合已经不能适应现代测温的要求13。3.1.2 热电偶的发展趋势国内外的许多研究机构和制造商,根据工业过程自动化的检测和控制要求,不断设计和制造出许多新的热电偶、热电阻,目前的发展趋势大致如下。（1）产品结构铠装化铠装热电偶与热电阻具有寿命长、可弯曲、热响应时间小、耐震动等的优点,倍受用户的青睐。它也将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式。（2）产品结构安装套管化由于热电偶与热电阻检测元件实现了铠装化,因此可以做到整机与套管分离成两部分,用户可以预先将套管安装在工业过程设备上,热电偶或热电阻可以在不停机情况下安装或拆卸,设备中的介质不会泄漏,既可靠又安全。（3）检测

40、、信号转换和现场显示一体化随着电子产品小型化,原来作为直流420mA或15V标准信号传输的热电偶或热电阻系列的温度变送器(实际上应该叫信号转换器)也已小型化,可以安装在现场的热电偶或热电阻接线盒内与热电偶或热电阻成为一体。对于热电偶来说只需用两根普通导线连接而不必使用较为昂贵的补偿导线；对于热电阻来说不必再使用三根导线检测。信号转换和显示成为一体的带转换器和带显示的热电偶与热电阻则可满足现场显示需要14。近年来,现场总线已广泛应用于许多自动化控制领域,带智能型转换器的热电偶与热电阻也已面世。它采用二线制420mA或数字化输出,通过手持终端操作器接在420mA任意位置,实现数字信号通讯的现场或远

41、距离重调。它还具有PID的控制功能。在这种情况下,420mA作为控制输出,过程变量是测量的温度值,设置则可由操作者直接或使用一个可组态的设置操作器来调整,其输出信号可接到执行单元；同时信号的数字部分提供过程变量、输出、设置和其他转换参数或PID参数。热电偶冷端温度补偿与线性化处理方法本设计用LT1025来实现冷端温度补偿，由于LT1025内部自带特殊的非线性校正电路，本设计LT1025实现线性化处理。LT1025是美国LINEAR公司生产的低功耗热电偶冷端补偿专用集成芯片，它既可用于E、J、K、R、S 和T型热电偶的冷端补偿，又可构成摄氏温度计，还可用于温度补偿网络中。其温度补偿准确度高达 。

42、热电偶冷端温度补偿原理在热电偶冷热端电势关系中，有如下公式：其中，t为实测温度； t0为冷端温度； 为冷端温度为0时，热电偶电势输出；为冷端温度为t0时，热电偶电势输出；为冷端补偿电势。上式中可以直接从热电偶输出中检测到，只要获取冷端温度t0，就可以由分度表换算出,进而求出。完成了冷端电势补偿，并通过分度表可换算出实测温度t15。 LT1025的结构和工作原理LT1025的内部结构框图如图3.1所示。它主要由温度传感器、非线性校正电路，即弓形校正电压、缓冲器以及精密电阻分压器组成。LT1025的供电电压为:436V，典型供电电流为80A。当供电电压低于10V 时，其芯片内部功耗引起的温升小于0

43、.1缓冲器的作用是提高输出能力，输出为低阻抗，且独立于供电电压。缓冲器的输出分为两路：一路以10mV/直接从端口输出;另一路通过精密电阻分压器输出，用于和不同型号的热电偶相配。LT1025的工作温度范围为070。图3.1 LT1025的内部结构框图16在宽温度范围内，U由于热电偶的斜率会变化，从而产生相对于固定斜率的准抛物线式测温误差。为消除该项影响，在LT1025 中专门设计了一个非线性校正电路，其原理如下：式中：系数. 单位为mV/ 修正系数. 单位为 mV/2UmV T被测对象的温度. 单位为式中第一项为相对于0 的线性项，第二项为相对于室温的偏差二次非线性修正项，其实质为抛物线方程。在

44、0510-410-410-410-310-3 (S)、110-3 (T)。当直接输出10 mV/10-4。在测温要求不高时，各热电偶的修正系数可近似认为10-4。这样的电路结构使得LT1025在一个很宽的温度范围内均保持足够高的补偿准确度，其补偿误差。LT1025的各项性能指标，均是在假设芯片内部无温升的前提下获得的。在低电压供电时，这种温升可以忽略。 LT1025在K型热电偶测温中的应用K型热电偶测温电路原理如图3.2。当LT1025所测温度大于或等于0时，V0端不必接入R4，而是悬空直接输出10mV/。当测温为01000时，其输出为010V， PCI6221数据采集卡可直接进行采集。图3.

45、2 K型热电偶测温电路原理如图16 LT1025在S型热电偶测温中的应用S型热电偶测温电路原理如图。R5和稳压器主要用于失调的修正电压，其输出为10 mV/。当测温为01000时，其输出为010V，PCI6221数据采集卡可直接进行采集。图3.2 S型热电偶测温电路原理如图10数据采集卡的选择数据采集就是将被测对象的各种参量通过相应传感元件做适当转换后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到计算机进行数据处理或存储记录的过程。数据采集是仪器分析的基础，必须有硬件的支撑。计算机数据采集系统通过传感器获取信号并送给数据采集卡进行A/D转换，然后能进行存储。用于数据采集的成套设备称为

46、数据采集系统，它是虚拟仪器与被测对象联系的桥梁，是获取信息的重要途径。本系统采用NI公司生产的PCI6221数据采集卡，即应用虚拟仪器PC_DAQ系统。PC_DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用PCI计算机本身的总线，故将数据采集卡(DAQ)插入计算机的空槽中即可。PCI6221是一种低廉的M系列数据采集卡，在计算机上使用的板卡。它可以采集模拟信号，数字信号，拥有定时器的功能，同时还具有模拟输出的功能，该数据采集卡具有高性能的数据采集与控制功能。对于采集卡的设置包括，数据采集卡的通道设置、被测信号的输入方式和被测信号的输入范围设置；设计中主要使用的是该采集卡的模拟输入与模拟输出的功能。PCI6221数据采集卡具有十六个模拟输入通道，两个模拟输出通道。十六个模拟输入通道ai0ai15，其内部模数转换器是16Bit逐步逼近式，可以将其设定为十六个单端信号输入方式或八个差动信号输入方式。该卡具有三种不同的模拟输入模式：单端有参考地输入(RSE)，单端无参考地输入(NRSE)，差分输入(