基于K型熱電偶的溫度測量系統及實(shí)驗

摘要:針對K型熱電偶測溫的特性結合虛擬儀器技術(shù)和熔融沉積成型設備的實(shí)際工況，并考慮實(shí)驗的可操作性,基于LabVIEW和Proteus軟件平臺,通過(guò)熱電偶冷端補償的方法設計了一種可靠性高、用途廣泛的溫度測量系統，該系統的設計對虛擬儀器技術(shù)在快速成型溫度測量領(lǐng)域的應用具有一定的借鑒和參考價(jià)值。
　　熱電偶作為使用最廣泛的測溫元件之一，具有結構簡(jiǎn)單、制造容易、穩定性好、使用方便、靈敏度高.等優(yōu)點(diǎn),熱電偶測溫一般由熱電偶、顯示儀表、連接導線(xiàn)三部分組成。K型熱電偶作為一種溫度傳感器,由鎳鉻-鎳硅兩種不同材料的導體構成回路,當加熱熱電偶的熱端時(shí),會(huì )使其冷、熱端的溫度不同,繼而在熱電偶的回路中產(chǎn)生熱電勢，其可以用來(lái)直接測量0C~1300℃范圍的液體蒸汽、氣體以及固體表面的溫度。通過(guò)熱電偶冷端補償進(jìn)行溫度測量是一種有效的方法,然而隨著(zhù)現代測試技術(shù)不斷發(fā)展,基于LabVIEW和Proteus軟件平臺的虛擬儀器測量技術(shù)在現代測控領(lǐng)域扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。
　　熔融沉積成型(FusedDepositionModeling)3D增材打印技術(shù)作為3D打印的主要方式，具有成型快、綠色環(huán)保、成本低等優(yōu)點(diǎn)四。熔融沉積造型將半流動(dòng)狀態(tài)的材料按CAD分層數據控制的路徑逐層擠出堆積并凝固成型。溫度對成型過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量和精度有著(zhù)重要的影響，因此如何將熱電偶測溫技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結合在快速成型溫度測試領(lǐng)域里進(jìn)行應用成為一個(gè)新課題。針對上述問(wèn)題,本文采用虛擬儀器平臺設計了熱電偶溫度測量系統，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺的虛擬儀器對快速成型過(guò)程的溫度信號進(jìn)行自動(dòng)采集、報警、分析、保存.等,中間過(guò)程不需人工參與，簡(jiǎn)化了操作步驟，與傳統儀器相比具有更廣闊的應用前景。
1系統測溫原理及總體設計
1.1熱電偶測溫原理
　　熱電偶測溫原理為賽貝克效應，當兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同時(shí)，由兩種不同導體組成的回路中就會(huì )產(chǎn)生熱電動(dòng)勢E_AB(T,T0):
 
　　式中,k為波爾茲曼常數;e為電子電荷量,n、ng為A、B材料的自由電子密度;σA、σB為A、B材料的湯姆遜系數。
　　由于熱電偶的標準分度表是在其冷端溫度T0為0℃的條件下測的熱電勢,只有滿(mǎn)足T0=0℃的條件下才能使用分度表，根據中間溫度定理:
 
　　式中,完成冷端補償;E_AB(T,0)為冷端補償后的熱電勢;EAn(T,T)為直接測量得出的熱電勢;E_AB(T0,0)為冷端溫度T0相對0℃的熱電勢。
1.2系統總體設計
　　系統的總體結構如圖1所示，主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括數據采集卡、熱電偶、調理電路、計算機,軟件基于LabVIEW和Proteus軟件平臺作為開(kāi)發(fā)平臺。
 
2系統軟件設計
　　熱電偶溫度測量系統軟件是基于LabVIEW和Proteus軟件平臺作為開(kāi)發(fā)平臺,LabVIEW是基于圖形化G語(yǔ)言的一-款測試系統開(kāi)發(fā)工具"，Proteus是將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合-的設計平臺。該溫度測量系統軟件包括溫度數據采集模塊、溫度監測模塊、熱電偶冷端補償模塊等，主要完成數據的采集、處理、顯示、冷端補償、存儲等功能。
2.1數據采集模塊
　　數據采集模塊采用PCI-2300采集卡，采集卡集成了數據采集接口模塊、數組模塊、首末通道設置模塊。數據采集接口讀取數據的方式為批量讀取，數組的功能是將一個(gè)通道作為一個(gè)集合傳遞給數據采集接口，首末通道的功能是在數據采集時(shí)用來(lái)指定一路或多路通道采集。
2.2溫度監測模塊
　　溫度監測模塊主要實(shí)現對數據的處理、分析、顯示、存儲等功能。實(shí)際應用中，溫度信號混有一些尖峰或非平穩的白噪聲信號，小波分析能同時(shí)在時(shí)頻域內對信號進(jìn)行分析,有效地去除噪聲。
　　軟件部分要執行的任務(wù)主要包括儀表參數的設置與讀取、數據采集與實(shí)時(shí)顯示、數據分析與結果保存等。圖2所示的是K型熱電偶溫度測量系統電路圖，圖3所示的是熱電偶溫度采集程序框圖,圖4所示的是溫度測量系統界面，系統需要設置的參數有存儲文件名、采樣時(shí)間、--次采樣組數和采樣率,最后的結果以lvm文件保存，熱電偶的溫度值將在趨勢圖上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，溫度平均值通過(guò)界面仿真溫度計和數碼管顯示，單擊開(kāi)始將進(jìn)入下一-次的采樣階段，單擊停止則程序終止結束采樣。
 
3系統實(shí)驗研究
3.1實(shí)驗方案
　　為了驗證系統的可應用性，利用該系統對熔融沉積成型試件冷卻過(guò)程的溫度進(jìn)行了測試，每組的溫度數據均在面板上實(shí)時(shí)顯示，由于當熱電偶測得的電壓信號受到零點(diǎn)漂移或電磁干擾的影響，會(huì )引起溫度信號的上下跳動(dòng)，為了避免由此帶來(lái)的測量誤差,因此將實(shí)驗測試采樣率設置為1Hz，采樣組數為10組,每組100個(gè)數據,取每組數據的算術(shù)平均值為測溫系統的溫度測試結果，以此減少跳動(dòng)誤差對測量結果帶來(lái)的影響，系統采樣結束后結果將會(huì )自動(dòng)進(jìn)行保存。
　　實(shí)驗方案采用自主設計的熱電偶溫度測量系統對熔融沉積成型試件冷卻過(guò)程的溫度進(jìn)行了測試，圖5所示的是測溫實(shí)驗設備連接示意圖。
 
3.2實(shí)驗結果
　　實(shí)驗采用了2組熱電偶，一組熱電偶連接在系統數據采集卡上，使用自主設計的熱電偶溫度測量系統進(jìn)行測溫,另一組熱電偶連接在數字顯示儀上，數字顯示儀會(huì )將測得的溫度實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。K型熱電偶測溫系統實(shí)驗數據如表1所示，測溫系統實(shí)驗整體布局如圖6所示。通過(guò)對測試過(guò)程中兩組熱電偶測得的溫度進(jìn)行對比分析，實(shí)驗結果表明測溫系統的測量誤差小于±0.5℃，具有較好的穩定性和測量精度。
 
4結束語(yǔ)
　　通過(guò)系統的實(shí)驗可知,該系統動(dòng)態(tài)特性良好,輸出結果可靠，實(shí)驗結果表明，系統可以完成溫度采集、信號處理、數據存儲等功能，利用LabVIEW和Proteus軟件平臺結合熱電偶冷端補償電路可以實(shí)現較精度高的溫度測量和具有良好的人機界面，系統不僅適合于K型熱電偶，進(jìn)行改進(jìn)后還可以滿(mǎn)足其他類(lèi)型熱電偶的測溫需要?；贚abVIEW軟件平臺的虛擬儀器技術(shù)正成為現代測控技術(shù)的發(fā)展方向，引領(lǐng)著(zhù)現代測試技術(shù)向高速采集、方便快捷、性能穩定、人機交互界面友好的方向發(fā)展。