徐一清，周益民，周?chē)?guó)泉，倪涌舟

(浙江農(nóng)林大學(xué) 光機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 杭州 311300)

用非平衡電橋測(cè)鉑電阻溫度系數(shù)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中開(kāi)設(shè)比較普遍的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)[1-3]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要人工讀數(shù)，手動(dòng)記錄溫度和電壓數(shù)據(jù)，在另外的平臺(tái)使用第三方工具進(jìn)行繪圖和計(jì)算。這種方法步驟繁瑣，效率低下，采集的數(shù)據(jù)量少，只能看到數(shù)據(jù)本身，不能同步觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，更難以捕捉物理量快速變化過(guò)程中的細(xì)節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和信息技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化、信息化及相關(guān)資源的共享利用已成我國(guó)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)話題[4,5]。目前，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)在高校廣泛使用，尤其是在工程學(xué)和物理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域[6-10]。

基于美國(guó)國(guó)家儀器公司(簡(jiǎn)稱(chēng)NI)的NI USB-6210數(shù)據(jù)采集卡，用LabVIEW設(shè)計(jì)了鉑電阻溫度系數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[11，12]。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的諸多弊端，由“傳感器+NI數(shù)據(jù)采集卡+實(shí)驗(yàn)軟件LabVIEW+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了溫度和非平衡電橋輸出電壓數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上的自動(dòng)采集和處理，以及電壓溫度變化曲線實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)功能，實(shí)驗(yàn)求得的鉑電阻溫度系數(shù)與理論值相吻合。

1 實(shí)驗(yàn)原理

Pt100鉑電阻是一種利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化而變化的特性制成的溫度傳感器。鉑的物理化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，電阻率較高、線性度好，容易批量生產(chǎn)。因此鉑電阻大多用于工業(yè)檢測(cè)中的精密測(cè)溫，以及作為溫度標(biāo)準(zhǔn)使用[1]。在0～100 ℃范圍內(nèi)，鉑的輸出電阻Rt的表達(dá)式近似線性，為

Rt=R0(1+At).

(1)

式中，A為溫度系數(shù)，近似為3.85×10-3(℃)-1。R0為溫度0 ℃時(shí)，鉑電阻輸出的電阻值，Pt100鉑電阻R0=100 Ω。

使用非平衡電橋測(cè)量鉑電阻溫度系數(shù)的電路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。R1、R2為固定電阻，組成比例電阻；RP為可調(diào)電阻，用作平衡電阻；RT為鉑電阻Pt100；Uout為非平衡電橋的輸出電壓。當(dāng)電源的輸出電壓E一定時(shí)，非平衡電橋的輸出電壓

Uout=[RT/(R1+RT)-RP/(R2+RP)]E

(2)

令

I1=E/(R1+RT)

(3)

I2=E/(R2+RP)

(4)

則有

Uout=I1RT-I2RP

(5)

若取R1=R2，且R1?RT，R2?RP，則有

I1≈I2

(6)

Uout=I1(RT-RP)

(7)

設(shè)總電流為I，則

(8)

(9)

令RP等于鉑電阻在0 ℃(tp為0 ℃)時(shí)的阻值R0，并將式(1)代入式(9)，則有

(10)

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于NI數(shù)據(jù)采集卡的鉑電阻溫度系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由硬件電路、數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW上位機(jī)軟件三部分組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡是NI USB-6210，它是一款USB總線供電M系列多功能DAQ模塊，在高采樣率下也能保持高精度，是測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)應(yīng)用的理想選擇[13]。USB-6210引腳如圖2所示，該模塊提供了8路A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16位的差分式模擬信號(hào)輸入通道，采樣率可達(dá)250 kS/s。在實(shí)驗(yàn)中，AI 0通道采集非平衡電橋輸出電壓Uout，AI 1通道采集加熱爐溫度傳感器輸出信號(hào)，兩路信號(hào)均采用差分配置接線。

圖2 USB-6210引腳圖

按照?qǐng)D1(a)連接非平衡電橋測(cè)量電路，其中R1、R2、RP用ZX21型直流電阻箱設(shè)置，Rt為鉑電阻Pt100。取R1=R2=9 000 Ω，RP=100 Ω。開(kāi)啟直流穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)輸出電壓至毫安表讀數(shù)為4 mA，并且在以后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持總電流為4 mA不變。將鉑電阻Pt100插入加熱爐內(nèi)，所用加熱爐為FB203型恒流智能控溫實(shí)驗(yàn)儀，連接圖如圖3所示。將加熱爐設(shè)定溫度設(shè)置為100 ℃，然后將加熱選擇擋位開(kāi)關(guān)調(diào)至“低”，開(kāi)始持續(xù)均勻升溫。數(shù)據(jù)采集卡將采集的兩路差分信號(hào)通過(guò)USB接口傳輸至上位機(jī)。

圖3 FB203型恒流智能控溫實(shí)驗(yàn)儀連接圖

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)上位機(jī)系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，由前面板程序界面和后面板程序框圖兩部分組成[14]，軟件流程圖如圖4所示[15]?；贚abVIEW的測(cè)控程序包括參量設(shè)定、加熱爐溫度和非平衡電橋輸出電壓數(shù)據(jù)采集、溫度時(shí)間變化曲線和電壓時(shí)間變化曲線實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄及保存、數(shù)據(jù)分析計(jì)算和自動(dòng)游標(biāo)獲取任意位置數(shù)據(jù)等主要功能。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖

軟件的前面板如圖5所示，LabVIEW后面板程序設(shè)計(jì)與前面板功能一一對(duì)應(yīng)，如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件前面板圖

圖6 LabVIEW程序框圖

參量設(shè)定模塊可對(duì)采樣通道、采樣模式、采樣率等進(jìn)行設(shè)置；本實(shí)驗(yàn)設(shè)置采樣通道為AI 0和AI 1兩路通道，采樣模式設(shè)置為差分，和接線端保持一致，由于加熱爐升溫較為緩慢，采樣率設(shè)置為1 Hz；數(shù)據(jù)采集模塊可對(duì)加熱爐溫度和非平衡電橋輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為1秒采集一次數(shù)據(jù)，加熱爐從室溫加熱至94 ℃，共采集1230組數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示模塊上位機(jī)波形圖表實(shí)時(shí)顯示溫度和電壓數(shù)據(jù)，便于測(cè)量者直觀地查看和初步分析；數(shù)據(jù)處理模塊可實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里的溫度和電壓數(shù)據(jù)，繪制U-Δt變化曲線，用最小二乘法擬合計(jì)算曲線斜率和鉑電阻溫度系數(shù)；數(shù)據(jù)記錄模塊實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，通過(guò)LabVIEW中的簇功能將時(shí)間數(shù)據(jù)、溫度數(shù)值、電壓數(shù)值等數(shù)據(jù)捆綁到一起，再經(jīng)過(guò)移位寄存器變成數(shù)組存入到制定的Excel表格中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查看、提取和處理。另外U-Δt變化曲線圖增加了自動(dòng)游標(biāo)，可獲取任意位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)是利用LabVIEW的DAQmx驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行配置，由于采集的兩路信號(hào)強(qiáng)度較弱，均為毫伏級(jí)，在進(jìn)行溫度和電壓數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，電磁干擾或零點(diǎn)漂移會(huì)引起電壓的上下浮動(dòng)，從而使測(cè)量的數(shù)據(jù)值出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果精度降低，但誤差均在允許范圍之內(nèi)。

將LabVIEW程序采集的電壓溫度原始數(shù)據(jù)文件(excel格式，內(nèi)含1230個(gè)數(shù)據(jù))導(dǎo)入SigmaPlot軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[16]，可以得U-Δt曲線，使用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果：ελ=0.7626x-0.031，標(biāo)準(zhǔn)偏差ERMSE=0.000 6，相關(guān)系數(shù)R=0.999 6。擬合的精度較高，擬合曲線如圖7所示。擬合求出斜率k=0.762 6，與LabVIEW程序擬合的結(jié)果一致。

溫度/℃

4 結(jié) 語(yǔ)

基于NI數(shù)據(jù)采集卡的鉑電阻溫度系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量，智能分析與處理，還實(shí)現(xiàn)了電壓溫度變化曲線實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)功能，提高了實(shí)驗(yàn)的可視化和自動(dòng)化程度，更好的滿足了科研測(cè)試和教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。讓學(xué)生把實(shí)踐的重點(diǎn)放在對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程原理的理解和結(jié)果的分析探究上，而不是花費(fèi)更多的時(shí)間在數(shù)據(jù)記錄、計(jì)算和手工作圖上，從而提高了實(shí)驗(yàn)的效率，教學(xué)效果良好。