基于K型熱電偶的溫度測量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)

摘要:針對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,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。
　　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0C~1300℃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。
　　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。溫度對成型過程的產(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。針對上述問題,本文采用虛擬儀器平臺設(shè)計(jì)了熱電偶溫度測量系統(tǒng)，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺的虛擬儀器對快速成型過程的溫度信號進(jìn)行自動采集、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)
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產(chǎn)生熱電動勢E_AB(T,T0):
 
　　式中,k為波爾茲曼常數(shù);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(shù)。
　　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:
 
　　式中,完成冷端補(bǔ)償;E_AB(T,0)為冷端補(bǔ)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(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軟件平臺作為開發(fā)平臺。
 
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軟件平臺作為開發(fā)平臺,LabVIEW是基于圖形化G語言的一-款測試系統(tǒng)開發(fā)工具"，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-的設(shè)計(jì)平臺。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)對數(shù)據(jù)的處理、分析、顯示、存儲等功能。實(shí)際應(yīng)用中，溫度信號混有一些尖峰或非平穩(wěn)的白噪聲信號，小波分析能同時(shí)在時(shí)頻域內(nèi)對信號進(jìn)行分析,有效地去除噪聲。
　　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)有存儲文件名、采樣時(shí)間、--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。
 
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受到零點(diǎn)漂移或電磁干擾的影響，會引起溫度信號的上下跳動，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1Hz，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，以此減少跳動誤差對測量結(jié)果帶來的影響，系統(tǒng)采樣結(jié)束后結(jié)果將會自動進(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。
 
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。通過對測試過程中兩組熱電偶測得的溫度進(jìn)行對比分析，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。
 
4結(jié)束語
　　通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可知,該系統(tǒng)動態(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、信號處理、數(shù)據(jù)存儲等功能，利用LabVIEW和Proteus軟件平臺結(jié)合熱電偶冷端補(bǔ)償電路可以實(shí)現(xiàn)較精度高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。基于LabVIEW軟件平臺的虛擬儀器技術(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。