基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:為研究多通道溫度采集,設(shè)計(jì)了一種基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于ModbusRTU通信協(xié)議的DFM206系列6通道隔離輸入測(cè)量模塊,采集多路K型熱電偶信號(hào).上位機(jī)使用libmodbus庫實(shí)現(xiàn)與DFM206模塊的通信，系統(tǒng)軟件采用Qt進(jìn)行開發(fā),利用QcustomPlot實(shí)現(xiàn)溫度曲線顯示,溫度數(shù)據(jù)保存于MySQL數(shù)據(jù)庫中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)精度高、可靠性好,具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性與可移植性。可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)溫度采集場(chǎng)合。
0引言
　　K型熱電偶以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、測(cè)量精度較高.等優(yōu)勢(shì)[2]，成為冶金制造、化學(xué)工業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域廣泛使用的測(cè)溫元件,以K型熱電偶為溫度傳感器的多通道溫度測(cè)量技術(shù)得到了廣泛的研究與應(yīng)用。本文采用基于Modbus-RTU通信協(xié)議的DFM2066通道隔離信號(hào)采集模塊,采集多路K型熱電偶信號(hào),使用跨平臺(tái)的Qt開發(fā)上位機(jī)軟件,設(shè)計(jì)了一套多通道溫度采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)功能完善、可靠性好、測(cè)溫精度高,同時(shí)具有人機(jī)界面友好、可擴(kuò)展性及可移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1K型熱電偶測(cè)溫原理及信號(hào)采集
　　K型熱電偶由鎳鉻鎳硅兩種導(dǎo)體材料構(gòu)成閉合回路,同一導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì),不同導(dǎo):體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì),二者疊加為熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶兩端為兩個(gè)熱電極,溫度較高的為工作端,溫度較低的為冷端85]。熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)分度表是在其.冷端溫度T0=0℃時(shí)測(cè)得,由中間溫度定理:
 
　　式(1)中:EAB(T,0)為冷端補(bǔ)償后的熱電偶電動(dòng)勢(shì)，EAB(T,T0)為通過測(cè)量得到的熱電勢(shì),Em(T0,0)為冷端溫度相對(duì)于0℃時(shí)的熱電勢(shì)。對(duì)于K型熱電偶,溫度變化1℃所對(duì)應(yīng)的電壓變化為41pV,因此K型熱電偶的電壓一溫度關(guān)系為:
 
　　式(2)中:T為被測(cè)溫度,V(μV)為熱電偶電壓,T。為冷端溫度。系統(tǒng)采用基于ModbusRTU通信協(xié)議(RS485接口/從機(jī)模式)的DFM206系列6通道隔離輸人測(cè)量模塊采集多路K型熱電偶信號(hào)。DFM206模塊的每個(gè)通道都可以獨(dú)立、自由設(shè)置為測(cè)量電壓信號(hào)、電流信號(hào)等,具有穩(wěn)定性好、配置方便、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于K型熱電偶,其測(cè)量范圍為一200℃~1370℃,在不包含冷端補(bǔ)償精度的情況下,其測(cè)量精度可達(dá)±0.2%F.S。該模塊同時(shí)具有內(nèi)部冷端溫度傳感器,并可選擇多種冷端補(bǔ)償方式。
1.2系統(tǒng)構(gòu)成
　　系統(tǒng)上位機(jī)采用基于X86平臺(tái)與windows7操作系統(tǒng)的工業(yè)平板電腦,K型熱電偶信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線傳送至.DFM206模塊輸人通道,DFM206模塊的RS485通信接口經(jīng)TS8520高速隔離轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)的RS232接口(COM1)連接,通信協(xié)議為Modbus-RTU協(xié)議。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　多通道溫度采集系統(tǒng)軟件采用Qt進(jìn)行開發(fā),Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架010。以開源的libmodbus庫實(shí)現(xiàn)Modbus-RTU通信協(xié)議,采用QcustomPlot類實(shí)現(xiàn)溫度曲線顯示，溫度數(shù)據(jù)保存于MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)DFM206模塊配置參數(shù)及讀取數(shù)據(jù),具有實(shí)時(shí)多通道溫度數(shù)據(jù)及曲線顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。
2.1溫度曲線顯示
　　系統(tǒng)軟件采用QcustomPlot實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度曲線及歷史溫度曲線顯示。QcustomPlot是基于Qt的用于繪圖及數(shù)據(jù)可視化的C++部件,它沒有復(fù)雜的依賴關(guān)系,在Qt工程中引人相應(yīng)的頭文件即可使用。QcustomPlot可用于繪制各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的曲線、圖形及圖表,可高效地應(yīng)用于實(shí)時(shí)可視化應(yīng)用程序。QcustomPlot中與靜態(tài)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)曲線繪制相關(guān)的主要接口如表1所示。
 
2.2Modbus-RTU通信協(xié)議及軟件實(shí)現(xiàn).
　　系統(tǒng)軟件采用開源的libmodbus庫實(shí)現(xiàn)Modbus-RTU通信協(xié)議1。libmodbus庫是采用C語言編寫的開源免費(fèi)軟件庫,可實(shí)現(xiàn)基于Modbus-RTU與ModbusTCP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā),支持Win32.Linux等多種操作系統(tǒng),具有較強(qiáng)的可移植性。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)軟件所在的上位機(jī)工作于主機(jī)模式,DFM206模塊工作于從機(jī)模式。系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí),首先配置參數(shù)并建立Modbus通信連接,檢查DFM206模塊狀態(tài),確定模塊工作正常后開始讀取輸人寄存器(測(cè)量值)和參數(shù)寄存器(冷端溫度傳感器值等),將計(jì)算出的各通道溫度值實(shí)時(shí)顯示并繪制實(shí)時(shí)曲線,同時(shí)將數(shù)據(jù)保存至mysql數(shù)據(jù)庫。libmodbus庫實(shí)現(xiàn)ModbusRTU協(xié)議流程及系統(tǒng)軟件工作主流程分別如圖2(a)及圖2(b)所示。
 
3試驗(yàn)驗(yàn)證與分析
　　為驗(yàn)證多通道溫度采集系統(tǒng)的性能,將兩路K型熱電偶接人DFM206模塊的通道0及通道1,在室溫環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,設(shè)置采樣頻率為2Hz,將兩路溫度數(shù)據(jù)在軟件界面上實(shí)時(shí)顯示,繪制實(shí)時(shí)溫度曲線并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至mysql數(shù)據(jù)庫。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,輸出結(jié)果可靠,可完成多通道溫度采集、溫度曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能,系統(tǒng)實(shí)時(shí)溫度采集與顯示界面如圖3所示。
 
4結(jié)語
　　本文利用DFM206系列6通道隔離輸入測(cè)量模塊和Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序框架,設(shè)計(jì)了一套基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性,功能完善、人機(jī)界面友好,可引入更多的DFM206模塊以擴(kuò)充通道,具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。同時(shí),由于采用跨平臺(tái)的Qt開發(fā)系統(tǒng)軟件,使系統(tǒng)上位機(jī)可靈活采用基于X86的工控機(jī)或基于ARM的嵌人式平臺(tái)及Linux、Win32等各種操作系統(tǒng),具有較強(qiáng)的可移植性。