王利，楊斌，伍先明，謝江懷，王鵬程，李俏

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶526100）

檢測與測試

基于K型熱電偶的溫度測量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究

王利，楊斌，伍先明，謝江懷，王鵬程，李俏

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶526100）

針對(duì)K型熱電偶測溫的特性結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和熔融沉積成型設(shè)備的實(shí)際工況，并考慮實(shí)驗(yàn)的可操作性，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺(tái)，通過熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔO(shè)計(jì)了一種可靠性高、用途廣泛的溫度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)虛擬儀器技術(shù)在快速成型溫度測量領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

虛擬儀器；LabVIEW；熱電偶;溫度測量；快速成型

熱電偶作為使用最廣泛的測溫元件之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、穩(wěn)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(dǎo)線三部分組成。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(dǎo)體構(gòu)成回路，當(dāng)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，其可以用來直接測量0℃～1 300℃范圍的液體蒸汽、氣體以及固體表面的溫度。通過熱電偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行溫度測量是一種有效的方法，然而隨著現(xiàn)代測試技術(shù)不斷發(fā)展，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺(tái)的虛擬儀器測量技術(shù)在現(xiàn)代測控領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色[1]。

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling）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)[2]。熔融沉積造型將半流動(dòng)狀態(tài)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑逐層擠出堆積并凝固成型[3]。溫度對(duì)成型過程的產(chǎn)品質(zhì)量和精度有著重要的影響，因此如何將熱電偶測溫技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合在快速成型溫度測試領(lǐng)域里進(jìn)行應(yīng)用成為一個(gè)新課題。針對(duì)上述問題，本文采用虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)了熱電偶溫度測量系統(tǒng)，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺(tái)的虛擬儀器對(duì)快速成型過程的溫度信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)采集、報(bào)警、分析、保存等，中間過程不需人工參與，簡化了操作步驟，與傳統(tǒng)儀器相比具有更廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)測溫原理及總體設(shè)計(jì)

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；e為電子電荷量，nA、nB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(shù)[5]。

由于熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)分度表是在其冷端溫度T0為0℃的條件下測的熱電勢，只有滿足T0=0℃的條件下才能使用分度表，根據(jù)中間溫度定理[6]：

式中，完成冷端補(bǔ)償；EAB（T，0）為冷端補(bǔ)償后的熱電勢；EAB（T，T0）為直接測量得出的熱電勢；EAB（T0，0）為冷端溫度T0相對(duì)0℃的熱電勢。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶、調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)，軟件基于LabVIEW和Proteus軟件平臺(tái)作為開發(fā)平臺(tái)。

1.1 熱電偶測溫原理

熱電偶測溫原理為賽貝克效應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同時(shí)，由兩種不同導(dǎo)體組成的回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢EAB（T，T0）[4]：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

熱電偶溫度測量系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW和Proteus軟件平臺(tái)作為開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW是基于圖形化G語言的一款測試系統(tǒng)開發(fā)工具[7]，Proteus是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。該溫度測量系統(tǒng)軟件包括溫度數(shù)據(jù)采集模塊、溫度監(jiān)測模塊、熱電偶冷端補(bǔ)償模塊等，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、冷端補(bǔ)償、存儲(chǔ)等功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用PCI-2300采集卡，采集卡集成了數(shù)據(jù)采集接口模塊、數(shù)組模塊、首末通道設(shè)置模塊。數(shù)據(jù)采集接口讀取數(shù)據(jù)的方式為批量讀取，數(shù)組的功能是將一個(gè)通道作為一個(gè)集合傳遞給數(shù)據(jù)采集接口，首末通道的功能是在數(shù)據(jù)采集時(shí)用來指定一路或多路通道采集。

2.2 溫度監(jiān)測模塊

溫度監(jiān)測模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析、顯示、存儲(chǔ)等功能。實(shí)際應(yīng)用中，溫度信號(hào)混有一些尖峰或非平穩(wěn)的白噪聲信號(hào)，小波分析能同時(shí)在時(shí)頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，有效地去除噪聲[8]。

軟件部分要執(zhí)行的任務(wù)主要包括儀表參數(shù)的設(shè)置與讀取、數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果保存等。圖2所示的是K型熱電偶溫度測量系統(tǒng)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(tǒng)界面，系統(tǒng)需要設(shè)置的參數(shù)有存儲(chǔ)文件名、采樣時(shí)間、一次采樣組數(shù)和采樣率，最后的結(jié)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，溫度平均值通過界面仿真溫度計(jì)和數(shù)碼管顯示，單擊開始將進(jìn)入下一次的采樣階段，單擊停止則程序終止結(jié)束采樣。

圖2 K型熱電偶溫度測量系統(tǒng)電路圖

圖3 熱電偶溫度采集程序框圖

圖4 溫度測量系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可應(yīng)用性，利用該系統(tǒng)對(duì)熔融沉積成型試件冷卻過程的溫度進(jìn)行了測試，每組的溫度數(shù)據(jù)均在面板上實(shí)時(shí)顯示，由于當(dāng)熱電偶測得的電壓信號(hào)受到零點(diǎn)漂移或電磁干擾的影響，會(huì)引起溫度信號(hào)的上下跳動(dòng)，為了避免由此帶來的測量誤差，因此將實(shí)驗(yàn)測試采樣率設(shè)置為1 Hz，采樣組數(shù)為10組，每組100個(gè)數(shù)據(jù)，取每組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值為測溫系統(tǒng)的溫度測試結(jié)果，以此減少跳動(dòng)誤差對(duì)測量結(jié)果帶來的影響，系統(tǒng)采樣結(jié)束后結(jié)果將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行保存。

實(shí)驗(yàn)方案采用自主設(shè)計(jì)的熱電偶溫度測量系統(tǒng)對(duì)熔融沉積成型試件冷卻過程的溫度進(jìn)行了測試，圖5所示的是測溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖。

圖5 測溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用了2組熱電偶，一組熱電偶連接在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡上，使用自主設(shè)計(jì)的熱電偶溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行測溫，另一組熱電偶連接在數(shù)字顯示儀上，數(shù)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整體布局如圖6所示。通過對(duì)測試過程中兩組熱電偶測得的溫度進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測溫系統(tǒng)的測量誤差小于±0.5℃，具有較好的穩(wěn)定性和測量精度。

表1 K型熱電偶測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 測溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整體布局

4 結(jié)束語

通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可知，該系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性良好，輸出結(jié)果可靠，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以完成溫度采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，利用LabVIEW和Proteus軟件平臺(tái)結(jié)合熱電偶冷端補(bǔ)償電路可以實(shí)現(xiàn)較高精度的溫度測量和具有良好的人機(jī)界面，系統(tǒng)不僅適合于K型熱電偶，進(jìn)行改進(jìn)后還可以滿足其他類型熱電偶的測溫需要?；贚abVIEW軟件平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)正成為現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展方向，引領(lǐng)著現(xiàn)代測試技術(shù)向高速采集、方便快捷、性能穩(wěn)定、人機(jī)交互界面友好的方向發(fā)展。

[1]靖蘇銅，趙福堂.基于LabVIEW的熱電偶溫度測量系統(tǒng)[J].儀表與計(jì)量技術(shù)，2005（6）：37-39.

[2]余東滿，李曉靜，王笛.熔融沉積快速成型工藝過程分析及應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（8）：65-67.

[3]閆東升，曹志清，孔改榮.FDM工藝送絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦驅(qū)動(dòng)力分析[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（3）：71-73.

[4]石明江，張禾，何道清.基于K型熱電偶數(shù)據(jù)擬合的溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012（7）：122-124.

[5]何道清.傳感器與傳感器技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006. [6]沙占權(quán)，葛家怡，王彥朋.熱電偶冷端溫度補(bǔ)償電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電測與儀表，2003，451（7）：26-28.

[7]劉偉，申焱華，黃夏旭.基于虛擬儀器的熱電偶溫度測試與分析系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2007，28（3）：65-69.

[8]付立華，王剛，張曉玫.基于LabVIEW的溫度監(jiān)測系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)[J].河南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，26（1）：67-70.

Temperature Measurement System and Experimental Research Based on K-type Thermocouple

WANG Li，YANG Bin，WU Xian-ming，XIE Jiang-huai，WANG Peng-cheng，LI Qiao
（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing Guangdong 526100，China）

According to the characteristics of K type thermocouple measurement combined with the virtual instrument technology and actual working conditions of fused deposition molding equipment，and taking into account the experimental operation，by the way of thermocouple cold junction compensation，a highly reliable，widely used temperature measurement system was designed based on the LabVIEW and Proteus software platform. The design of system has certain reference value for the application of virtual instrument technology in the field of rapid prototyping temperature measurement.

virtual instrument；LabVIEW；thermocouple；temperature measurement；rapid prototyping

TP212；TP274

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0201-03

廣東理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：ZYGG2015001）

王利（1987-），男，四川內(nèi)江人，碩士，助教，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造；楊斌（1970-），男，遼寧撫順人，副教授，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制。