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為了多種應用環境下的多點溫度測量，設計一種基于LabVIEW的多通道溫度測量系統。系統是基于LabVIEW圖形化開發環境，利用RTD作為溫度傳感器，連續采集傳感器信號，經過N19219四通道RTD輸入模塊進行信號調理，通過USB接入計算機，進行信號的連續采集測量，實時顯示各通道信號并進行溫度數據的分析處理。系統測試結果表明，測量系統的精度為0.01℃，有效測量范圍為0～+300℃，驗證其有效可行。 溫度是工業生產和科學實驗中常見的工藝參數之一，而且在許多工程項目中溫度指標也是不可或缺的重要參數。例如碳化鐵反應速率隨操作時的變化而升降，反應過程中操作溫度的高低不但影響反應完成所需的時間，還影響到轉化率的大小。因此，準確、方便地獲取溫度數據就顯得尤為重要。而在水文氣象、機房動力環境監測、糧倉、土壤、農場、礦業、智能家居配套等領域，需要在多個監測點進行溫度監測和測量，因此，多點溫度監測和測量系統的設計具有十分重要的意義。 1 系統工作原理 針對多點溫度測量的特點，設計基于虛擬儀器平臺LabVIEW的多通道溫度測量系統，選擇貼片式Pt1000鉑電阻作為溫度傳感器，通過NI9219數據采集卡進行采集，運用硬件濾波和軟件濾波技術提高多通道溫度測量系統的抗干擾性，并在上位機軟件界面用波形圖表的方式實時顯示整個測量過程中每個通道的溫度變化情況，測量結束，對整個測量過程的原始數據結果進行記錄和保存。 多通道溫度測量系統由4個Pt1000鉑電阻、NI9219數據采集卡、NI USB-9162模塊外盒連接器、計算機組成。 Pt1000是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。Pt后數字1000表示它在0℃時阻值為1000Ω，在300℃時它的阻值約為2 120.515 Ω，并且Pt1000的阻值隨著溫度上升成線性增漲。Pt1000鉑電阻引出導線采用三線制，減小了導線電阻帶來的附加誤差;NI9219數據采集卡是24位的通用模擬輸入數據采集模塊，可以對RTD信號進行采集和調理，經過NI USB～9162模塊外盒連接器接入計算機進行數據采集。整個測量系統可以同時采集4路溫度信號，在上位機軟件界面上可以設置采樣模式、采樣率和采樣數，采樣的起始時間和結束時間，在整個測量過程中界面可以利用波形圖表實時顯示各通道的溫度測量變化值以及整個測量過程中溫度最大值、最小值和平均值，測量過程結束，可以對測量的原始數據進行記錄保存，以便進行后續的數據處理。多通道溫度測量系統結構框圖如圖1所示。 圖1 多通道溫度測量系統結構框圖 2 多通道溫度測量系統整體設計 2.1 硬件電路設計 NI 9219各通道間相互隔離，4個24位模數轉換器(ADC)可同時對4個模擬輸入通道進行采樣。由于鉑熱電阻Pt1000輸出的是低壓信號，且其信號容易被噪聲干擾，因此，NI9219數據采集卡須對Pt1000輸出的是低壓信號進行調理和濾波，NI9219某一路通道的輸入電路如圖2所示。 NI9219可以同時采集4路溫度信號，每路由EX+和EX-端口分別對應Pt1000的引腳，LO端口為各通道共地端，與系統中的其他模塊相隔離。通道經濾波后，由一個24位的模數轉換器對其采樣。3線RTD模式下，NI9219提供激勵電流，電流值隨EX+和EX-端子間負載值變化。此模式下，如所有導線具有相同的阻值，可對線性阻抗誤差進行補償。NI 9219為負接線端提供2x電壓增益，ADC使用此電壓值作為負端參考電壓，用于消除正負接線端問線性誤差。NI 9219的激勵電路具有過壓保護和過流保護功能，發生過壓及過流情況時，模塊自動禁用電路。故障排除后，通道可自動恢復。模塊支持低功耗休眠模式，處于休眠模式時無法與其它模塊通信，休眠模式下系統功耗較低，散熱量也低于正常工作模式。 圖2 NI 9219某通道的輸入電路和3線RTD模式 2.2 軟件流程設計 基于LabVIEW的多通道溫度測量系統軟件流程圖如圖3所示。 圖3 多通道溫度測量系統軟件流程圖 上位機軟件界面可以對多通道溫度測量系統各項參數進行設定，包括采集物理通道及電阻類型配置、電流激勵源及電流激勵值的設置，采樣模式、采樣率及每通道采樣數設定、被測目標溫度范圍、測量起始時間及結束時間等參數設定。 在進行測量的過程中，上位機波形圖表可以實時監測4個通道的溫度變化，并且每個通道的溫度數據用不同的顏色進行標記，實時顯示每個通道采集數據的最大值、最小值及平均值，以便于測量現場快速得出初步的測量結論，測量結束將保存當次測量的所有原始數據，以便進行后期的分析處理。軟件界面如圖4所示。 圖4 多通道溫度測量系統上位機軟件界面 多通道溫度測量系統設計可以分為系統配置、數據采集、數據處理和數據保存4個階段。 其中系統配置環節主要是對NI9219數據采集卡物理通道及電阻類型的配置、電流激勵源及電流激勵值的設置，被測目標溫度范圍、測量起始時間及結束時間等參數設定。 數據采集環節是系統按照測量者對采樣模式、采樣率及每通道采樣數進行設定，NI9219數據采集卡瀆取模擬輸入通道任務中的4個波形數據。 數據處理環節，上位機波形圖表實時讀取數據緩沖區里的溫度數據，每個通道的溫度數據用不同的顏色進行標記，并且實時顯示每個通道采集數據的最大值、最小值及平均值，便于測量者直觀地查看和初步分析。雖然整個系統是利用NI9219的DAQmx驅動程序對數據采集模塊進行配置，避免了電壓數據換算到溫度數據的數學計算過程，在一定程度上能夠降低信號干擾，但是，在進行電阻-溫度數據采集的過程中，由于電磁干擾或零點漂移會引起電壓的上下浮動，從而使測量的溫度值會出現小范圍的波動，導致測量的結果精度降低。本系統在上位機軟件部分，在LabVIEW的程序框圖中利用公式節點編程，在1s時間內連續采集1 000個溫度值，計算其算術平均值，將平均值作為采樣結果。這樣可以有效的抑制溫度值的跳動，通過提升數據采集卡的采樣率和每通道采樣數，達到提高測量結果的精度的目的。 數據存儲環節實現原始數據存儲功能，將其寫入TDMS文件中，方便后續的數據查看、提取、處理。 3 實驗結果和數據分析 將基于LabVIEW的多通道溫度測量系統放在高精度的恒溫槽內進行穩定性實驗，高精度的恒溫槽是廣州海洋地質調查局方法所在2009年根據課題組工作需要建立的，設備由高精度恒溫槽、一等鉑金熱電偶、高精度溫度測量電橋和交流穩樂設備等組成，精確度為0.01℃.如圖5所示。 調節設定恒溫槽參數，將4個RTD的探頭放置于恒溫槽內進行測試，沒置采樣點數為500，采樣頻率為1 Hz，進行多次反復測試，得到的實驗數據如表1所示。 圖5 高精度的溫度校驗恒溫槽 表1 多通道溫度測量系統在恒溫槽內測量結果 從多次多通道溫度測量系統在恒溫槽內測量結果中可以看出，4個通道被測點溫度差值最大的為0.02℃，整個恒溫槽內最大差值為0.028 ℃，達到預設的目的，通過多次實驗數據表明，測量系統的穩定性很好。 4 結束語 文中介紹的基于LabVIEW的多通道溫度測量系統測量精度為0.01℃，有實驗數據支持的有效測量范圍為0～+300℃。系統采用可實時監測被測對象溫度的功能，實現了PC機自動測量和數據采集的功能，還實現了數據的實時顯示和存儲功能，測量過程易于操作且無需人為干預，可靠性高，能夠很好的實時多任務同步運行，更好的保證多點溫度測量數據的處理與顯示系統的實時性、可靠性和擴展性。并且利用標準的數據采集模塊和LabVIEW圖形化開發環境，可以在其基甜上快速的進行二次開發，提高了開發效率，體現了虛擬儀器在多點溫度測量監測領域的廣闊前景。 |
