热电偶温度测量系统的设计

第15章热电偶温度测量系统的设计15.1设计任务115.2电路原理与设计15.3LabVIEW虚拟仪器设计3215.1设计任务15.1设计任务本设计用K型热电偶设计量程范围为0～100℃的温度显示器，并在电路设计中加入冷端补偿器对冷端温度进行补偿，最后利用LabVIEW设计虚拟仪器显示测量温度值。通过本设计须掌握以下几点：1）了解K型热电偶测量温度的方法，和电桥补偿法。2）掌握利用热电偶的原理建立仿真模型。3）会使用LabVIEW进行编程。15.2电路原理与设计15.2.1传感器模型的建立◆热电偶是把温度转化为电势大小的热电式传感器。表15-1为K型热电偶的分度表，这是在冷端温度为0℃时测定的数值。对大量数据进行分析，可得热电偶的数学模型如下：式中：tR表示测量温度；tAMR表示测温参考点。41/(151)outRAMRVVCtt15.2电路原理与设计表15-1K型热电偶的分度表15.2电路原理与设计◆根据上式在Multisim中建立热电偶的仿真模型如图15-1所示。图15-1热电偶模型◆以上模型只是对热电偶性能的一个近似，是线性的，而实际热电偶的具有一定的非线性。（a）热电偶示意图（b）冷端温度为0℃时的模型（c）冷端温度为室温时的模型电桥补偿热电偶模型图15-2电桥补偿15.2.2温度补偿电路的设计◆若用热电偶测量温度时，热电偶的工作端（热端）被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在0℃的环境中。若冷端温度不是0℃，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。◆本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图15-2所示。15.2电路原理与设计◆三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系数的PN结。三极管可选用9013，由于Multisim器件库中没有，选用三极管2N2222代替。◆电桥中R3的值应和R4的值相等，调节滑动变阻器使上面的左右两桥臂的总电阻值也相等，才能使电桥平衡。调整电桥上下两臂的电阻的比值，可调节输出电压的大小，即补偿电压的大小，合理选择这个比值，可使补偿电路的电压正好等于热电偶自由端温度上升而降低的电压值，从而起到电压补偿的作用。图12-2（a）框图面板及函数模板15.2电路原理与设计15.2电路原理与设计◆注意：电桥调零时，应使三极管2N2222的参数测量温度为0摄氏度，即此时自由端温度为0摄氏度，不用进行温度补偿。◆补偿电路的输出端接HB/SC连接器，将该电路全部选中，鼠标右键点击该电路然后选择用子电路替换，将该子电路的名称设为K，子电路模块的两输出端分别为补偿电路的正负输出端。图12-2（b）前面板及控件模板15.2电路原理与设计15.2.3放大电路设计◆放大电路部分与13.2.3节的金属应变片放大电路相似，由仪用放大和比例放大环节组成，如图15-3所示，其中RW1可调节仪用放大器的放大倍数，RW2用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。15.2电路原理与设计图15-3电路设计15.2电路原理与设计15.2.4直流稳压源设计◆电路中的供电电源都采用15V直流电源直接供电，实际应用中需要设计直流稳压电路来实现交-直流的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图15-4所示。图15-4直流稳压源电路15.2电路原理与设计图12-3修饰子模块15.2.5综合电路仿真◆综合电路如图15-3所示，下面我们主要来对各子电路模块进行仿真分析。1）热电偶及热电偶补偿子电路分析◆在图15-2的电桥补偿电路中，对三极管2N2222进行温度参数扫描分析，扫描参数设为temp（温度），从0℃～3℃每隔1℃扫描一个值。输出电压值为三极管的集电极与发射极电压之差，扫描的分析是瞬态分析。分析的结果如图15-5所示，温度每增加1℃，三极管两端电压下降约2mV。15.2电路原理与设计图15-5PN结负温度特性15.2电路原理与设计◆补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开如图15-6所示的属性设置对话框，单击“EditModel”按钮，可打开元件模型编辑窗口，如图15-7所示，将参数测量温度设为0℃，然后调节滑动变阻器RW，使电桥两输出端12盒IO2之间的电压近似为0。当自由端温度（即环境温度）为25℃时，将模拟环境温度的V1的值设为25V，将三极管的参数测量温度设为25℃，然后对电路进行参数扫描分析，其设置如图15-8所示。图12-4图标编辑15.2电路原理与设计图15-6三极管2N2222属性设置对话框图15-7元件模型编辑窗口15.2电路原理与设计图12-7连接器和显示器件关联（a）分析参数设置（b）输出端设置图15-8参数扫描设置15.2电路原理与设计◆选择模拟温度变化的电压源作为扫描对象，在0V到100V的范围内，每隔10V扫描一次，设置扫描直流工作点，输出变量选择子电路的两输出端之差，如图15-8（b）所示。扫描结果如图15-9所示，将该仿真数据与表15-1的K型热电偶分度表进行比较，可知经补偿后，在表15-1所列的各温度下，子电路总的输出电压和分度表中的值基本相符。◆注意：因仿真中所用的仿真模型只是对热电偶的近似，所以在自由端温度为0摄氏度的情况下，热电偶模型的输出电压值就有误差，而补偿电桥的设计只是保证0摄氏度时仿真电桥电路的输出为0，所以仿真子电路输出的电压值和K型热电偶分度表的相应值会有一定误差。15.2电路原理与设计图15-9参数扫描分析结果15.2电路原理与设计2）直流稳压源子电路分析下面对这个电路进行如下仿真：①桥式整流输出电压：整流桥输出接负载后，用示波器观察波形如图15-10所示。正弦波经整流后输出单一方向的波动。图15-10整流桥输出15.2电路原理与设计②滤波后输出电压整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图15-11所示。由图可以看到，交流成分减小，但仍然存在小的波动。图15-11滤波后输出15.2电路原理与设计③接三端稳压后输出接三端稳压后，正端接负载后输出电压如图15-12所示。输出电压基本稳定。图15-12稳压源输出15.2电路原理与设计④电压调整率输入220V交流电，变化范围为＋15%～－20%，所以电压波动范围为176V～253V。在额定输入电压下，当输出满载时，调整输出电阻，使电流约为最大输出电流，即0.1A，得满载时电阻为138Ω。当输入电压为176V、负载为138Ω时，输出电压U1为14.832V；当输入电压为220V、负载为138Ω时，输出电压U0为14.839V；当输入电压为253V，负载为138Ω时，输出电压U2为14.842V。●取U为U1和U2中相对U0变化较大的值，则U=14.832，所以电压调整率：0014.83214.8390.007100%100%100%0.05%14.83914.839vUUSU15.2电路原理与设计⑤电流调整率设输入信号为额定220V交流电，当输出满载（138Ω）时，输出电压U0为14.839V；当输出空载时，输出电压U为15.26V；当输出为50%满载时，输出电压U0为14.98所以电压调整率：⑥纹波电压：在额定220V输入电压下，输出满载，即负载电阻为138Ω时，在示波器中观察输出波形，如图15-13所示。因只选择了观察交流成分，所以所观察到的信号即纹波电压信号，其峰峰值为2.143nV。0015.2614.980.28100%100%100%1.9%14.9814.98IUUSU15.2电路原理与设计图15-13波纹电压示意图15.2电路原理与设计⑦输出抗干扰电路分析图15-14(a)为未加抗干扰电路前系统的幅频响应图，可以看到交流成分的幅值很小。当输出加了抗干扰电路后，输出的幅频响应如图15-14(b)所示，可以看到高频噪声得到一定程度的抑制。(a)(b)图15-14抗干扰电路交流分析15.2电路原理与设计◆电路分析完成后，对电路进行仿真得到实验结果如表15-2所示。表15-2实验数据15.3LabVIEW虚拟仪器设计15.3.1数据显示子程序设计将上节中表15-2的数据经MATLAB多项式拟和后，得下式：（15-2）反解得到:（15-3）30.78970.049210TU10000.04920.7897UT15.3LabVIEW虚拟仪器设计①从开始菜单中运行“NationalInstrumentsLabVIE-W8.2”，在GettingStarted窗口左边的Files控件里，选择BlankVI建立一个新程序。②框图程序的绘制：设计的子程序框图如图15-15所示。本设计关于数据的转换采用第三种方法设计程序框图，用这种方法设计的子程序在接口电路设计时不用考虑数据转换。由设计2的方法想到利用ForLoop进行两次自动索引，便可以使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。15.3LabVIEW虚拟仪器设计图15-15程序框图15.3LabVIEW虚拟仪器设计◆图中U0为时域信号采集器，它将电压的波形提取出来，再将连续电压值作为VI的输入。时域信号的采集器由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来，否则数据在里层For循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式15-3在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出包括电压数显和温度计。15.3LabVIEW虚拟仪器设计③定义图标与连接器◆双击右上角图标进行编辑后，用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择ShowConnector，定义连接。◆建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。连接器输入只有一个，与时域波形采集器相关联，输出有两个，分别与电压数显模块和温度计相关联。完成上述工作后，将设计好的VI保存。下次调用该VI时，图标与端口如图15-16所示。图15-16子VI图标15.3LabVIEW虚拟仪器设计15.3.2接口电路的设计与编译◆子程序设计好后，需要设计接口电路。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步：①把Multisim安装目录下SamplingLabVIEWInstrum-entsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个地方。②在LabVIEW中打开步骤①中所拷贝的StarterInputIn-strument.lvproj工程，如图15-17。接口电路的设计是在StarterInputInstrument.vit中进行。15.3LabVIEW虚拟仪器设计图15-17StarterInputInstrument.lvproj工程图15.3LabVIEW虚拟仪器设计③打开StarterInputInstrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的UpdateDATA选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键选择SelectaVI，把在L-abVIEW完成的子VI添加在UpdateDATA框中即可。此时只能添加功能，不可修改框图面板的原状，如图15-18所示。由于数据的转换在子VI的设计中已经实现，所以子VI的输入直接与Multisim的输出数据相连即可。为子VI的输出创建指示器，并设置室温T0为25。框图面板设计好后，在前面板中还需进一步地调整，并用控制模板下的修饰（Decorations）子模板对界面进行美化。最后保存修改，并重命名为proj3.vit。图15-18数据处理部分框图15.3LabVIEW虚拟仪器设计15.3LabVIEW虚拟仪器设计④注意虚拟仪器信息的设置也可在InstrumentTempl-ate下proj3.vit的程序框图里设计，如图15-19所示。打开MultisimInstrInfo子程序设置各项，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标识，同时把输入端口数设为1，因为只有一个电压输入；把输出端口设为0，此模块不需要向Multisim输出。修改后选另存为后把它重命名为proj3_m