張 華，鄭 賓* ，武曉棟

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試水平的提高，人們對(duì)溫度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度要求越來(lái)越高［1］。本溫度測(cè)試系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)3通道溫度測(cè)試系統(tǒng)。3個(gè)測(cè)試通道獨(dú)立，能夠分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)溫度?？蓱?yīng)用于汽車(chē)空調(diào)、醫(yī)療儀器、糧食倉(cāng)庫(kù)、樓宇智能控制，煤礦等場(chǎng)合。

1 溫度測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要由溫度傳感器、溫度變送器、信號(hào)采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)構(gòu)成。溫度傳感器感受外界溫度得到模擬信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度變送器的放大濾波傳給AD采集卡。經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成為一定精度的數(shù)字信號(hào)存入計(jì)算機(jī)。硬件示意圖如圖1所示。

圖1 溫度測(cè)試系統(tǒng)總體硬件示意圖

1.1 溫度測(cè)量模塊

基于測(cè)試系統(tǒng)的工作原理選用北京賽億凌科技有限公司溫度傳感器STT-H，測(cè)量的溫度范圍為-40℃～+100℃。

溫度變送器采用的J型熱電偶溫度變送［3］，其工作電路圖如圖2所示。在溫度變化時(shí)，3路并聯(lián)溫度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)XTR101變?yōu)? Ma～20 Ma，然后再由電流電壓變換器RCV420轉(zhuǎn)換為0～5 V輸出。為使熱電偶內(nèi)阻的差異不影響熱電流的，加入了均衡電阻:R1，R2，R3(他們遠(yuǎn)大約溫度傳感器的內(nèi)阻)。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇

NI Compact RIO是可重新配置的嵌入式控制和采集系統(tǒng)，包括一系列NI推出的RIO FPGA板卡(主要包括NI783X、NI781X、NI785X系列 FPGA板卡)和RIO計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品。NI Compact RIO系統(tǒng)堅(jiān)固的硬件架構(gòu)中包含:I/O模塊、可重新配置現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)機(jī)箱、嵌入式控制器。本測(cè)試系統(tǒng)采用的是NI7831FPGA采集卡，具備8路16 bit AD。針對(duì)選定板卡，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用NI公司針對(duì)NI Compact RIO推出的LabVIEW RIO。其繼承了LabVIEW圖形化編程的特點(diǎn)。其軟件本身基于FPGA的原理構(gòu)架，包含對(duì)IO的配置、時(shí)鐘管理、計(jì)數(shù)器設(shè)置、存儲(chǔ)塊設(shè)置、常用FIFO設(shè)置等功能。在編程時(shí)，編程人員可以直觀(guān)方便的對(duì)上述功能進(jìn)行操作［4］。

圖2 變送器電路圖

2 溫度測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的核心部分是軟件部分，溫度測(cè)試系統(tǒng)共有3路模擬信號(hào)輸入，模擬信號(hào)輸入管腳選擇Connector0/AI0～Connector0/AI2。每一路 AI可以獨(dú)立操作，工作原理相同。以溫度測(cè)試系統(tǒng)單通道為例設(shè)計(jì)其作流程圖如圖3所示。第1步初始化，包括溫度測(cè)試AI通道聲明以及系統(tǒng)復(fù)位程序。第2步啟動(dòng)溫度測(cè)試通道開(kāi)關(guān)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集。第3步判斷該溫度測(cè)試結(jié)束號(hào)。第4步，在測(cè)試結(jié)束后判斷是否退出。

圖3 溫度測(cè)試系統(tǒng)單通道軟件流程圖

圖4 溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)單路FPGA程序

圖5 通用測(cè)試系統(tǒng)溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)上位機(jī)后面板程序

依據(jù)溫度測(cè)試系統(tǒng)單通道軟件流程圖，以AI0為例設(shè)計(jì)單路FPGA溫度采集程［5］如圖4所示。上位機(jī)程序如圖5和圖6所示。

圖6 通用測(cè)試系統(tǒng)溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)界面程序

3 溫度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測(cè)量永遠(yuǎn)不可能得到真值，在估算誤差和評(píng)定測(cè)量結(jié)果時(shí)，用“約定真值”代替真值。一般用被測(cè)量的公認(rèn)值。測(cè)量值的平均值和高等儀器的測(cè)量值作為被測(cè)量的“約定真值”［6］。在本系統(tǒng)的誤差評(píng)估中，以計(jì)量部門(mén)提供的恒溫溶液箱的溫度值為“約定真值”。本系統(tǒng)使用恒溫溶液箱進(jìn)行溫度測(cè)量誤差分析，按國(guó)家一級(jí)溫度標(biāo)準(zhǔn)(-30℃ ～+70℃)每隔10℃測(cè)量一點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量10次取平均值。由系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量溫度與“約定真值”對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表℃

按照誤差的來(lái)源和性質(zhì)不同，一般將誤差分為:誤粗大差、隨機(jī)誤差、和系統(tǒng)誤差。對(duì)本系統(tǒng)而言，粗大誤差只要實(shí)驗(yàn)者采取嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度，就可以消除;隨機(jī)誤差可以通過(guò)增加測(cè)量次數(shù)減少;系統(tǒng)誤差，可以以恒溫溶液箱測(cè)得值為標(biāo)準(zhǔn)，采用溫度標(biāo)定和軟件補(bǔ)償來(lái)達(dá)到校正的目的。

恒溫溶液箱的精度為0.01℃，而本系統(tǒng)的測(cè)量精度為0.1℃，因此偏差均值應(yīng)該估讀到精度為0.1℃，對(duì)應(yīng)的修正值精度也為0.1℃。表4.5是對(duì)所選的10個(gè)溫度點(diǎn)修正后溫度偏差值的數(shù)據(jù)處理圖表。

如表2所示，誤差的大小和符號(hào)基本固定不變，系統(tǒng)存在恒定系統(tǒng)誤差0.2℃，此誤差可通過(guò)LabVIEW后期進(jìn)行修正。一般要求實(shí)際測(cè)溫偏差小于0.05℃［7］。修正后溫度偏差值≤0.04℃，滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量精度要求。

表2 溫度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)修正數(shù)據(jù) ℃

4 結(jié)語(yǔ)

本溫度測(cè)試系統(tǒng)能夠完成對(duì)溫度測(cè)試的日益提高精度的要求，穩(wěn)定性好，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。該測(cè)試系統(tǒng)還具有良好的通用性，由于NI Compact RIO的結(jié)構(gòu)性，可以對(duì)本系統(tǒng)做一些修改，用來(lái)測(cè)試其他項(xiàng)目［8-12］。

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