彭 登,羅賢虎 ,徐 行

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510760)

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

彭 登,羅賢虎 ,徐 行

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510760)

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(kāi)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(guò)NI9219 四通道RTD輸入模塊進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,通過(guò)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.

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(jiàn)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(guò)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(cāng)、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[1-2].

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)[3-4],選擇貼片式Pt1000鉑電阻作為溫度傳感器,通過(guò)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(guò)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(guò)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1 000表示它在0℃時(shí)阻值為1 000Ω,在300 ℃時(shí)它的阻值約為2 120.515Ω,并且Pt1000的阻值隨著溫度上升成線性增漲[5].Pt1000鉑電阻引出導(dǎo)線采用三線制,減小了導(dǎo)線電阻帶來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中溫度最大值、最小值和平均值,測(cè)量過(guò)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[6-7].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.

圖1 多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure diagram of multichannel temperature measurement system

圖2 NI 9219 某通道的輸入電路和3線RTD模式接線電路Fig. 2 NI 9219's one channel input circuit and 3 wire RTD model wiring circuit

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,NI 9219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)接線端間線性誤差.NI 9219的激勵(lì)電路具有過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能,發(fā)生過(guò)壓及過(guò)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(wú)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[8].

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[9-10].

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(guò)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.

圖3 多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)的軟件流程圖Fig. 3 Multichannel temperature measurement system software flow chart

圖4 多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面Fig. 4 Multichannel temperature measurement system PC software interface

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[11-12].

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)采集卡讀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(guò)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(guò)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(guò)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[13].

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(xiě)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)壓設(shè)備等組成,精確度為0.01 ℃,如圖5所示.

圖5 高精度的溫度校驗(yàn)恒溫槽Fig. 5 High precision temperature calibration thermostatic bath

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,設(shè)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.

表1 多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)在恒溫槽內(nèi)測(cè)量結(jié)果Tab.1 Multichannel temperature measurement system experimental measurements in the thermostatic bath

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(guò)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(yǔ)

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(guò)程易于操作且無(wú)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(kāi)發(fā)環(huán)境,可以在其基礎(chǔ)上快速的進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),提高了開(kāi)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.

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Design of multichannel temperature measurement system base on LabVIEW

PENG Deng, LUO Xian-hu, XU Xing
(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China)

For a multi-point temperature measurement under various application environments, designed a multichannel temperature measurement system based on LabVIEW. The design of system software is based on the LabVIEW graphical development environment, used RTD as the temperature sensor to collect sensor signal continuously, processed signal through four-channel RTD input module of NI 9219, accessed to the computer via USB, you can easily collect and measure the signal continuously, real-time display each channel signal, analysed and processed data. The system test results show that the measuring system resolution is up to 0.01℃, valid measurement rangeaccuracy is up to 0～+300℃, verifies the feasibility of the system.

LabVIEW; multichannel; RTD; temperature measurement; acquisition

TN06

A

1674-6236(2014)07-0047-03

2013-08-09稿件編號(hào):201308068

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目資助(2006AA09A203, 2008AA09Z303)

彭 登(1987-),男,江西萍鄉(xiāng)人,碩士,工程師.研究方向:海洋地質(zhì)與地球物理調(diào)查技術(shù)方法.