热电偶数据采集安装盘可行性研究

热电偶数据采集安装盘可行性研究温度是表征物体冷热程度的物理量，是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。

许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。

热电偶是广泛应用于工业和科研领域中的一种测温传感器。

它的准确与否直接关系到制造商与用户的经济利益。

为了确保热电偶温度计测温的准确性，不仅在出厂时要对它进行严格检定，而且在随后的使用过程中还要进行周期性检定。

本论文利用现代计算机控制技术，以及丰富的软件资源，论述了一种标准热电偶微机自动检定系统的软件设计方法。

系统选用功能强大的 LabVIEW 虚拟仪器技术，构建了一个热电偶自动检定系统的软件。

依据系统功能需要，设计了初始设置、预警系统、时间设置、温度曲线和数据记录 5个版块，并由它们来组成总系统。

1.项目研究背景热电偶是目前工业生产过程中应用最广泛的温度测量仪器之一，其工作原理是将温度信号转换成电势信号，配以测量电势信号的仪表，便可以实现温度的测量或温度信号的变换，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体积小和易于维护等优点。

从 19 世纪发展至今己有一百多年历史，现己被广泛应用于石油、化工、水利、航空、航天、核电等行业领域。

从塞贝克发现热电效应算起，一百多年来，热电偶发展的历史大约经历了三个不同的阶段。

第一阶段为早期探索阶段。

时间从 1821 年起到第一次世界大战，经历了整整一个世纪。

在此期间，由于没有理论指导和经验可循，人们对热电偶材料的研究和当年塞贝克一样，全靠摸索。

采用的方法为配对法，即将感兴趣的待试材料直接配成热电偶，实测了近300种热电偶品种。

第二阶段为第一次世界大战后 40 年。

这个阶段的特点是对材料热电特性的研究十分重视。

研究方法除了配对法外，还出现了一种新方法—比较法。

比较法的核心是选择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极，各种被试材料分别与标准电极组成热电偶，测定这些热电偶的热电势—温度特性曲线。

二次世界大战前后，熔钢温度测定曾经是推动热电偶材料发展的强大动力。

几十年来，对炼钢过程的精炼温度、出钢温度、浇铸温度的测定和控制技术的探求，不仅推动了对新型热电偶材料的探索，而且促使对有关热偶丝的玷污、劣化变质、高温脆性和不均匀性等问题的研究日益深入。

第三阶段为 60 年代至今。

这个时期的特点是除了对材料性能和测试方法的研究很重视外，还十分重视对热电偶回路的基本理论及其应用的研究。

在研究的方法中，除了传统的配对法、比较法外，还出现了分析法。

分析法是以现代热电理论(非平衡态热力学、量子力学应用于热电效应的理论)为指导，综合冶金、物理、化学理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设计。

近 40 年来，在发展新型热电偶材料方面取得了不少成绩。

铠装热电偶材料得到普遍推广使用，产品规格和性能试验多己标准化。

随着现代科技的发展和各种尖端技术对测温的要求，改进和提高现有热电偶的精度和可靠性，国内外投入不少人力物力进行研究和开发，重点有两方面：其一，把热电偶作为一种测温仪器，大力改进热电偶的结构，检定方法，安装技术和性能试验，最大限度地发挥热电温度计的潜力和优点；另一方面，把热电偶作为一种特殊材料，研究其热电性与化学组成、杂质元素、物理缺陷和表面状态的关系，以提高测温精度，扩大测温范围，延长使用寿命。

2.项目研究必要性及社会意义长期以来，热电偶的检定需要人工手动控温、手动检侧，不但检定过程时间长，人员劳动强度大，而且原始数据量大，运算处理较复杂，容易出错。

检定工作的低效率，大大影响了企业产品质量，影响工作的正常进行。

因此，随着现代计算机技术的飞速发展，高效、准确和可靠这些指标已越来越成为热电偶检定工作的发展趋势和需要。

温度测量在冶金、石油、化工、机械制造、电子、国防以及国民经济其它部门都有十分重要的意义。

热电偶在工业测温和控制中是应用得最广泛的一种标准元件。

作为一种热电转换器件，其特性的好坏和指示值准确与否直接关系到产品的质量、安全防护和能源的损耗等情况。

由于应用的面广、量大，所以其测量误差太大将会对整个工业生产带来巨大的损失。

由于热电偶在随后分度时，特别是在测温过程中，处于温度梯度场中的热电极那部分长度内(热电偶的热电动势正是这部分电极的贡献)，在不同位置上将发生不均衡的物理冶金过程和化学反应，因而在热电极中导致化学成分、显微组织以及物理状态的不均匀，使热电极的热电特性发生变化。

这些变化使热电势的读数随时间逐渐漂移，或出现不可捉摸的变化。

因此，热电偶不仅在出厂时要进行严格检验，而且在随后的使用过程中还要进行周期性的检验或监督性的检定，必要时还需就地检定，以判明热电偶是否变质、超差。

传统的热电偶手动检定是一项辛苦的工作。

不但检定时间长，人员劳动强度大，而且原始数据量大，运算处理较繁杂，容易出错。

检定工作的低效率，大大影响了企业质量保证工作的正常进行。

本文充分利用了成熟的现代计算机控制技术，以及目前丰富的软件资源，论述了一种标准热电偶微机自动检定系统的软件部分的基本设计，为实现自动检定奠定了一定的基础。

3.国内外发展概况及发展趋势目前无论国内还是国外，都对行业标准化有了足够的重视，但在我国毕竟起步较晚，对计量技术自动化和标准化的建设才刚刚开始，介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥无几。

对国外先进检定设备的了解，只能靠已见刊的测量设备来推测。

总体上说，国外在检定精度上发展较快。

上个世纪末国内电子仪器仪表市场几乎完全被国外拥有先进技术的产品所占领。

近几年来，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起，国内对热电偶自动检定技术的研究正处于百家争鸣的时代，所研制的检定设备也层出不穷，花样不断翻新。

就调研和查阅所得的情况来看，可归纳为如下两大类： (1)微处理器型。

这种类型的检定设备，是以各种各样的微处理器为智能核心，自组专用CPU 系统，将检测、控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机箱内。

其优点是体积小，成本低，仪表自动化程度高。

其缺点是开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。

(2)通用微型计算机型。

这种类型的热电偶检定设备，直接利用目前迅速发展的微机控制技术进行开发，专门设计一个通信检测接口，利用计算机强大的智能控制和数据处理功能，结合可视化操作界面和高级程序设计语言，配合键盘、鼠标和打印机输入输出。

其优点是开发环境优越，技术难度和工作量小，检定精度高，人机交互界面友好，功能齐全完善，故易于推广使用。

其缺点是成本高，体积大，检定系统会占用一定的微机资源。

4.研究的技术支持以目前国内外现代工业中大批量生产和使用的温度传感器—标准热电偶作为研究对象，在充分调查研究同类产品在当前国内外市场发展情况的基础上，深入解析了它的热电特性、工作原理、分度和检定方法。

然后研究热电偶的温度测量实验，掌握其精度测量方法；熟悉热电偶的特性及其检定原理，掌握热电偶检定的方法；理解并应用LabVIEW，并与热电偶检定组成一个系统；用LabVIEW对热电偶的数据进行分析。

以这样一个软件平台设计一款热电偶数据采集程序，载入安装盘内以作为我们的产品。

一、热电偶数据采集系统热电偶测温系统的硬件由热电偶传感器、集成温度传感器、信号调理模块、数据采集卡及PC四部分组成，系统结构图如下所示。

本研究所生产的热电偶数据采集安装程序即应用在第四部分PC上。

热电偶采集被测温度信号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，转化为数字信号传给PC。

集成温度传感器测量实时环境温度实现冷端补偿，可使用美国模拟器件公司生产的恒流源式模拟集成温度传感器AD590，它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，测量误差小，体积小，微功耗，适合远距离测温，不需要进行非线性校正。

通过取样电阻将电流信号转换为电压信号，经放大后，由数据采集卡进入PC。

由基于LabVIEW的软件程序实现温度的测量和数据记录。

二、软件设计该系统将计算机强大的图形化编程软件和模块化硬件结合在一起，建立起具有灵活性的基于计算机的测量与控制应用方案，最终构建起满足自己需求的系统。

系统包含以下几个功能：数据采集，上限设定，温度报警，摄氏华氏转换，温度显示和文件记录。

温度信号由热电偶转换为电压信号，再经数据采集卡进入计算机，在计算机上运行的LabVIEW 程序对输入的数据进行分析处理，将结果由计算机显示并记录下来。

下面将对该系统的每个功能进行逐一介绍。

1.数据采集模块○数据采集模块实现把外界热电偶测得得温度，通过数据采集卡（NI USB-6008）把信号送到计算机内。

如图（一）为数据采集模块的界面，在该界面上需要设定采集卡的物理通道、测量的上下限、热电偶类型等参数，然后就可在右边的温度计上显示出当前测得的温度。

数据采集模块的程序框图如图（二）所示。

程序框图大体可以分为四步：一、创建任务:使用DAQmx Create Channel创建一个新的任务；二、读数据：使用DAQmx Read从指定的任务或虚拟通道读取采样值；三、消除任务：当任务完成后，使用DAQmx Clear Task来释放曾占用的任何资源；四、简易错误处理器。

图（一）、数据采集模块程序框图○2、数据显示模块把采集到得数据显示到一个示波器上，是采样的数据更加直观。

把温度和时间信号合成，创建成一个波形，然后把采集的温度的波形和上限的设定值的波形合成一个二维数据，一起在示波器上显示出来。

图（二）数据显示模块程序框图○3、数据处理模块数据处理模块主要实现的功能有华氏与摄氏的切换，并输出从运行到结束的温度的最大值，最小值及平均值。

当程序开始运行时，摄氏或华氏栏显示当前的温度值，程序停止后，平均值、最大值、最小值栏分别会显示出其相应的值。

图（三）数据处理模块程序框图○4、温度报警模块温度报警模块主要把测得的温度与用户设定的上限值进行比较，当温度超过上限值时，红灯亮，并在下面的字符串显示控件中显示当前的温度值。

当温度没有超限，即条件结构为假时，字符串显示为空，当温度超限，条件结构为真时，通过字符串连接模块，输出“温度超限，当前温度为xx度”的字样。

图（四）温度报警模块程序框图○5、数据记录模块文件存储模块主要实现对采样的数据进行记录，并以excel表格的形式表现出来。

该模块主要应用顺序结构，先把文件的标题写入表格中，然后在把采集的数据和时间一起记录下来，是文件的存储更加直观，更加人性化。