孟 亮 郭秀媛 崔新強(qiáng) 路 斌

(新疆油田公司采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

熱電偶作為測(cè)溫元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫精度較高，用于測(cè)量－200～1600℃范圍內(nèi)的溫度，可就地測(cè)量和遠(yuǎn)傳。工作時(shí)，熱電偶只要與顯示儀表配合即可測(cè)量各種介質(zhì)的溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測(cè)溫元件之一［1］。通過熱電偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行溫度測(cè)量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術(shù)工作人員在實(shí)際的測(cè)量檢測(cè)中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。

隨著現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，以LabVIEW為軟件平臺(tái)的虛擬儀器測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置。因此，將熱電偶溫度測(cè)量技術(shù)與LabVIEW虛擬儀器相結(jié)合，形成虛擬儀器技術(shù)構(gòu)造測(cè)控平臺(tái)，可以節(jié)省大量硬件投資;利用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能，把多臺(tái)不同的儀器統(tǒng)一組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，既節(jié)省資源，又便于操作，具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)越性。

1 溫控系統(tǒng)總體構(gòu)成

溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the temperature control system

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫系統(tǒng)，在分析溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了傳感器技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能:一是對(duì)熱電偶和LM35兩通道的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，完成溫度測(cè)量;二是將最終得到的加熱器的實(shí)際溫度和預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，通過繼電器完成溫度控制。

溫度數(shù)據(jù)采集模塊主要用于實(shí)現(xiàn)第一個(gè)功能。該模塊需要一個(gè)精確的溫度傳感器，以滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。這里要求選用E型熱電偶作為加熱器的測(cè)溫元件，并且采用電壓輸出型集成溫度傳感器LM35對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償;最后將傳感器前端采集到的信號(hào)放大后，通過數(shù)據(jù)采集卡送入PC機(jī)上的LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

在實(shí)現(xiàn)第二個(gè)功能時(shí)，兩個(gè)模擬通道采集到的都是毫伏級(jí)電壓值，因此，需要經(jīng)過濾波放大等信號(hào)調(diào)理后，通過NI公司的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和接口裝置將電壓信號(hào)錄入LabVIEW軟件平臺(tái);通過軟件處理后，LabVIEW顯示溫度傳感器采集到的實(shí)時(shí)溫度值。此溫度值和預(yù)設(shè)的溫度值比較后，通過控制加熱器的繼電器開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。

1.1 溫控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括溫度測(cè)量、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和溫度控制幾部分電路。其中，溫度測(cè)量主要選用E型熱電偶來完成，數(shù)據(jù)采集主要借助PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和BNC-2120接口裝置。硬件系統(tǒng)主要完成對(duì)測(cè)溫傳感器熱電偶的選擇和熱電偶冷端補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，以及測(cè)溫和補(bǔ)償兩部分的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。加熱器的控制主要是選用固態(tài)繼電器的開關(guān)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

溫控系統(tǒng)硬件示意圖如圖2所示。

圖2 溫控系統(tǒng)硬件圖Fig.2 Hardware of the temperature control system

1.1.1 溫度傳感器的選擇

熱電偶作為測(cè)溫元件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫精度較高，可就地測(cè)量和遠(yuǎn)傳測(cè)量，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)溫度測(cè)量檢測(cè)與控制系統(tǒng)，因此，本設(shè)計(jì)選用E型熱電偶傳感器作為測(cè)溫元件。同時(shí)選用電壓輸出式集成溫度傳感器LM35來完成對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)償。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集就是將被測(cè)對(duì)象的各種參量通過各種傳感元件作適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示或存儲(chǔ)記錄的過程。

溫控系統(tǒng)選用NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E，將其直接插入到PC機(jī)的總線擴(kuò)展槽中，符合ISA總線接口規(guī)范。PCI-6024E的性能參數(shù)為:12位模擬輸入、16路單端/8路差分模擬輸入、12位精度、采樣率200 kS/s、±10 V和±5 V的輸入范圍、2路12位模擬輸出、32條數(shù)字I/O線、2路24位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，帶校準(zhǔn)認(rèn)證書，支持Windows2000/NT/Me/9x/XP的 NI-DAQ 驅(qū)動(dòng)軟件［2］。

1.1.3 溫度控制模塊設(shè)計(jì)

溫度控制模塊的溫度控制部分為一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，對(duì)控制精度要求高，因此溫度控制部分采用最簡(jiǎn)單的通、斷控制方式來實(shí)現(xiàn)恒溫保持。其中，固態(tài)繼電器具有體積小、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，因此本設(shè)計(jì)選用10 A固態(tài)繼電器(SSR)作為控制模塊開關(guān)器件，通過控制其打開與關(guān)斷的時(shí)序來控制加熱器件的工作時(shí)長(zhǎng)。由BNC 2120接口裝置的數(shù)字I/O口產(chǎn)生的高低電平控制固態(tài)繼電器的接通與斷開，固態(tài)直流輸入端的一端接BNC 2120的數(shù)字I/O口，另一端接GND。而交流輸出端與加熱器的電源線兩端相連。同時(shí)，并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻R7，用來防止過載電流，以保證系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)溫度控制功能［3］。

溫控控制模塊電路圖如圖3所示。

圖3 溫控控制模塊電路圖Fig.3 Circuitry of the temperature control module

1.2 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 溫控系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program of temperature control system

本設(shè)計(jì)使用了PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡和BNC2120接口裝置，使得數(shù)據(jù)采集和顯示變得簡(jiǎn)單，只要將熱電偶熱端和電壓型集成溫度傳感器LM35兩路數(shù)據(jù)濾波放大后，接至BNC2120的兩個(gè)模擬輸入通道輸入到PC機(jī)，就可以在LabVIEW軟件平臺(tái)上顯示電壓值。隨后進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，即 E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)，其中，E(t，t0)為熱端電動(dòng)勢(shì)，E(t0，0)為冷端電動(dòng)勢(shì)。最后查詢熱電偶分度表，得到最終測(cè)量的溫度值，將其與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，確定是否接通固態(tài)繼電器，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制［4］。

系統(tǒng)整體程序包括整個(gè)程序的運(yùn)行控制、事件結(jié)構(gòu)的設(shè)置和各種子程序命令的調(diào)用。通過各個(gè)模塊整合，將兩通道采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過平均算法后，除以各自的放大倍數(shù)得到原始數(shù)據(jù);再根據(jù)熱電偶電動(dòng)勢(shì)的公式計(jì)算得到其電動(dòng)勢(shì)，調(diào)用熱電偶電動(dòng)勢(shì)溫度轉(zhuǎn)換模塊(SubVI)，得到熱電偶所測(cè)的實(shí)際溫度;然后與預(yù)設(shè)溫度比較，調(diào)用控制模塊控制數(shù)字I/O的高低電平，以確定是否閉合固態(tài)繼電器，完成開關(guān)量動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制［5］。

2 系統(tǒng)調(diào)試

在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，先不進(jìn)行繼電器控制，而主要核查溫度測(cè)量是否準(zhǔn)確。按照硬件調(diào)試的方法接線，電熱器接通電源進(jìn)行加熱，預(yù)設(shè)溫度設(shè)為70℃，運(yùn)行程序并查看前面板界面，發(fā)現(xiàn)冷端溫度正確，熱電偶電動(dòng)勢(shì)與所測(cè)實(shí)際溫度保持一致。加接固態(tài)繼電器后，通過周期性檢測(cè)可知，溫度控制也得到了實(shí)現(xiàn)，被測(cè)溫度始終保持在70℃范圍內(nèi)［6］。至此本設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，取得了成功。

3 結(jié)束語

采用LabVIEW軟件平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)與傳統(tǒng)儀器構(gòu)建系統(tǒng)相比，虛擬儀器技術(shù)充分利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，以軟件技術(shù)為核心，使計(jì)算機(jī)具有數(shù)據(jù)信號(hào)采集、控制和分析的功能。此外，采用軟儀器取代傳統(tǒng)的電子儀器，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、集成功能完美等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)LabVIEW在圖形界面的設(shè)計(jì)上具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以設(shè)計(jì)出方便、易用的程序界面［7］。因此，該方法具有傳統(tǒng)方法無可比擬的優(yōu)越性。

［1］鄧甜甜.基于虛擬儀器的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國儀器儀表，2006(9):68－71.

［2］江偉.LabVIEW環(huán)境下溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2004(4):35－39.

［3］鄧焱.LabVIEW7.1測(cè)試技術(shù)與儀器應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:52 －59.

［4］王磊，陶梅.精通 LabVIEW8.0［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:26－39.

［5］雷振山.LabVIEW 7 Express實(shí)用技術(shù)教程［M］.北京:中國鐵道出版社，2004:12 －15.

［6］周求湛.虛擬儀器與LabVIEW 7 Express程序設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:7－68.

［7］劉君華.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003:1－65.