基于LabVIEW的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了多種應(yīng)用環(huán)境下的多點(diǎn)溫度測(cè)量，設(shè)計(jì)一種基于LabVIEW的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，利用RTD作為溫度傳感器，連續(xù)采集傳感器信號(hào)，經(jīng)過N19219四通道RTD輸入模塊進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，通過USB接入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行信號(hào)的連續(xù)采集測(cè)量，實(shí)時(shí)顯示各通道信號(hào)并進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的分析處理。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量系統(tǒng)的精度為0.01℃，有效測(cè)量范圍為0～+300℃，驗(yàn)證其有效可行。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;多通道;RTD;溫度測(cè)量;采集

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的工藝參數(shù)之一，而且在許多工程項(xiàng)目中溫度指標(biāo)也是不可或缺的重要參數(shù)。例如碳化鐵反應(yīng)速率隨操作時(shí)的變化而升降，反應(yīng)過程中操作溫度的高低不但影響反應(yīng)完成所需的時(shí)間，還影響到轉(zhuǎn)化率的大小。因此，準(zhǔn)確、方便地獲取溫度數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。而在水文氣象、機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)、糧倉、土壤、農(nóng)場(chǎng)、礦業(yè)、智能家居配套等領(lǐng)域，需要在多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和測(cè)量，因此，多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)和測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)工作原理

針對(duì)多點(diǎn)溫度測(cè)量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于虛擬儀器平臺(tái)LabVIEW的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)，選擇貼片式Pt1000鉑電阻作為溫度傳感器，通過NI9219數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，運(yùn)用硬件濾波和軟件濾波技術(shù)提高多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性，并在上位機(jī)軟件界面用波形圖表的方式實(shí)時(shí)顯示整個(gè)測(cè)量過程中每個(gè)通道的溫度變化情況，測(cè)量結(jié)束，對(duì)整個(gè)測(cè)量過程的原始數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行記錄和保存。

多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)由4個(gè)Pt1000鉑電阻、NI9219數(shù)據(jù)采集卡、NI USB-9162模塊外盒連接器、計(jì)算機(jī)組成。

Pt1000是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。Pt后數(shù)字1000表示它在0℃時(shí)阻值為1000Ω，在300℃時(shí)它的阻值約為2 120.515 Ω，并且Pt1000的阻值隨著溫度上升成線性增漲。Pt1000鉑電阻引出導(dǎo)線采用三線制，減小了導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差;NI9219數(shù)據(jù)采集卡是24位的通用模擬輸入數(shù)據(jù)采集模塊，可以對(duì)RTD信號(hào)進(jìn)行采集和調(diào)理，經(jīng)過NI USB～9162模塊外盒連接器接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以同時(shí)采集4路溫度信號(hào)，在上位機(jī)軟件界面上可以設(shè)置采樣模式、采樣率和采樣數(shù)，采樣的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，在整個(gè)測(cè)量過程中界面可以利用波形圖表實(shí)時(shí)顯示各通道的溫度測(cè)量變化值以及整個(gè)測(cè)量過程中溫度最大值、最小值和平均值，測(cè)量過程結(jié)束，可以對(duì)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

NI 9219各通道間相互隔離，4個(gè)24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可同時(shí)對(duì)4個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行采樣。由于鉑熱電阻Pt1000輸出的是低壓信號(hào)，且其信號(hào)容易被噪聲干擾，因此，NI9219數(shù)據(jù)采集卡須對(duì)Pt1000輸出的是低壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和濾波，NI9219某一路通道的輸入電路如圖2所示。

NI9219可以同時(shí)采集4路溫度信號(hào)，每路由EX+和EX-端口分別對(duì)應(yīng)Pt1000的引腳，LO端口為各通道共地端，與系統(tǒng)中的其他模塊相隔離。通道經(jīng)濾波后，由一個(gè)24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其采樣。3線RTD模式下，NI9219提供激勵(lì)電流，電流值隨EX+和EX-端子間負(fù)載值變化。此模式下，如所有導(dǎo)線具有相同的阻值，可對(duì)線性阻抗誤差進(jìn)行補(bǔ)償。NI 9219為負(fù)接線端提供2x電壓增益，ADC使用此電壓值作為負(fù)端參考電壓，用于消除正負(fù)接線端問線性誤差。NI 9219的激勵(lì)電路具有過壓保護(hù)和過流保護(hù)功能，發(fā)生過壓及過流情況時(shí)，模塊自動(dòng)禁用電路。故障排除后，通道可自動(dòng)恢復(fù)。模塊支持低功耗休眠模式，處于休眠模式時(shí)無法與其它模塊通信，休眠模式下系統(tǒng)功耗較低，散熱量也低于正常工作模式。

2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

上位機(jī)軟件界面可以對(duì)多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括采集物理通道及電阻類型配置、電流激勵(lì)源及電流激勵(lì)值的設(shè)置，采樣模式、采樣率及每通道采樣數(shù)設(shè)定、被測(cè)目標(biāo)溫度范圍、測(cè)量起始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間等參數(shù)設(shè)定。

在進(jìn)行測(cè)量的過程中，上位機(jī)波形圖表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4個(gè)通道的溫度變化，并且每個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值，以便于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)快速得出初步的測(cè)量結(jié)論，測(cè)量結(jié)束將保存當(dāng)次測(cè)量的所有原始數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后期的分析處理。軟件界面如圖4所示。

多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存4個(gè)階段。

其中系統(tǒng)配置環(huán)節(jié)主要是對(duì)NI9219數(shù)據(jù)采集卡物理通道及電阻類型的配置、電流激勵(lì)源及電流激勵(lì)值的設(shè)置，被測(cè)目標(biāo)溫度范圍、測(cè)量起始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間等參數(shù)設(shè)定。

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)是系統(tǒng)按照測(cè)量者對(duì)采樣模式、采樣率及每通道采樣數(shù)進(jìn)行設(shè)定，NI9219數(shù)據(jù)采集卡瀆取模擬輸入通道任務(wù)中的4個(gè)波形數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，上位機(jī)波形圖表實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里的溫度數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記，并且實(shí)時(shí)顯示每個(gè)通道采集數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值，便于測(cè)量者直觀地查看和初步分析。雖然整個(gè)系統(tǒng)是利用NI9219的DAQmx驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行配置，避免了電壓數(shù)據(jù)換算到溫度數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)計(jì)算過程，在一定程度上能夠降低信號(hào)干擾，但是，在進(jìn)行電阻-溫度數(shù)據(jù)采集的過程中，由于電磁干擾或零點(diǎn)漂移會(huì)引起電壓的上下浮動(dòng)，從而使測(cè)量的溫度值會(huì)出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果精度降低。本系統(tǒng)在上位機(jī)軟件部分，在LabVIEW的程序框圖中利用公式節(jié)點(diǎn)編程，在1s時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集1 000個(gè)溫度值，計(jì)算其算術(shù)平均值，將平均值作為采樣結(jié)果。這樣可以有效的抑制溫度值的跳動(dòng)，通過提升數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和每通道采樣數(shù)，達(dá)到提高測(cè)量結(jié)果的精度的目的。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，將其寫入TDMS文件中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查看、提取、處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

將基于LabVIEW的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)放在高精度的恒溫槽內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，高精度的恒溫槽是廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局方法所在2009年根據(jù)課題組工作需要建立的，設(shè)備由高精度恒溫槽、一等鉑金熱電偶、高精度溫度測(cè)量電橋和交流穩(wěn)樂設(shè)備等組成，精確度為0.01℃.如圖5所示。

調(diào)節(jié)設(shè)定恒溫槽參數(shù)，將4個(gè)RTD的探頭放置于恒溫槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，沒置采樣點(diǎn)數(shù)為500，采樣頻率為1 Hz，進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)試，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從多次多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)在恒溫槽內(nèi)測(cè)量結(jié)果中可以看出，4個(gè)通道被測(cè)點(diǎn)溫度差值最大的為0.02℃，整個(gè)恒溫槽內(nèi)最大差值為0.028 ℃，達(dá)到預(yù)設(shè)的目的，通過多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。

4 結(jié)束語

文中介紹的基于LabVIEW的多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度為0.01℃，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的有效測(cè)量范圍為0～+300℃。系統(tǒng)采用可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象溫度的功能，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集的功能，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)功能，測(cè)量過程易于操作且無需人為干預(yù)，可靠性高，能夠很好的實(shí)時(shí)多任務(wù)同步運(yùn)行，更好的保證多點(diǎn)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴(kuò)展性。并且利用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，可以在其基甜上快速的進(jìn)行二次開發(fā)，提高了開發(fā)效率，體現(xiàn)了虛擬儀器在多點(diǎn)溫度測(cè)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣闊前景。