LabVIEW的測溫系統(tǒng)設計
LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境,由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的,類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼,而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序,產生的程序是框圖的形式。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/347797.htm溫度是機械工業(yè)生產和科學研究實驗中的一個非常重要的參數(shù),許多系統(tǒng)的工作都是在一定的溫度范圍內進行的,需要測量溫度和控制溫度的場合及其廣泛。
1 虛擬儀器技術與LabVIEW簡介
虛擬儀器[1](virtual instrument)是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式,一種是將計算機裝入儀器,其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小,這類儀器功能也越來越強大,目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托,實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。上面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。
虛擬技術、計算機通信技術與網絡技術是信息技術的三大核心技術,其中虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分。在虛擬儀器系統(tǒng)中,用靈活、強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件,用人的智力資源代替許多物質資源,特別是在系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特征的解析,使儀器中的一些硬件甚至整件儀器從系統(tǒng)中“消失”,而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。
LabVlEW是美國NI公司推出的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具,是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器軟件平臺之一,主要應用于儀器控制、數(shù)據采集、數(shù)據顯示等領域,可應用于Windows、Macintosh、UNIX等多種操作系統(tǒng)平臺。設計者可以像搭積木一樣,輕松組建測量系
統(tǒng),構造自己的儀器面板,而無需進行任何煩瑣的計算機代碼的編寫。即使用戶沒有多少編程經驗,同樣也能利用LabVIEW來開發(fā)自己的應用程序。
2 系統(tǒng)設計方案
虛擬溫度測試儀將被測對象的溫度轉換為電壓或電流等模擬信號,經信號調理電路進行功率放大、濾波等處理后,變換為可被數(shù)據采集卡采集的標準電壓信號。在數(shù)據采集卡內將模擬信號轉換為數(shù)字信號,并在數(shù)據采集指令下將其送入計算機總線,在PC機內利用已經安裝的虛擬儀器軟件對采集的數(shù)據進行所需的各種處理。其總體框架如圖1所示。
設計一個儀器,首先要考慮確定其功能,然后根據其功能確定需要設計前面板和程序框圖。在虛擬儀器中“儀器”的面板需要顯示在計算機屏幕上,根據需要可隨時進行修改,本文設計的虛擬溫度測試儀要實現(xiàn)如下功能:1)設置控制按鈕和顯示窗口,實時顯示溫度大小,可以對采集過程加以控制;2)設置預警信號,當溫度超過某個預設的溫度值時,該警示燈變亮;3)可以對采集到的溫度信號進行顯示、存儲和
打印,對采集到的溫度進行調用,以便分析處理和波形回放;4)以實時趨勢圖的形式直觀地看出溫度的變化過程,在實時趨勢圖中新數(shù)據連續(xù)擴展在已有數(shù)據的后面,波形連續(xù)向前推進。
2.1 傳感器的選擇
對溫度的測量而言,溫度傳感器的選擇是整個系統(tǒng)的第一步,也是直接影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。由于熱電阻線性度好。在-200~+500℃的溫度范圍內獲得廣泛應用。常用的鉑電阻的特點是精度高,性能穩(wěn)定可靠,被國際組織規(guī)定為-259~+500℃的溫度測量。其阻值與溫度的關系可以表示為:
式中RT,R0分別為T℃和0℃時的電阻值;A,B為常數(shù),A=3.908x10-3℃,B=5.802x10-7℃。
熱電阻傳感器需要外加電源將電阻值轉換為電壓值進行測量。通常通過平衡電橋將熱電阻溫度變化轉換為電壓的變化輸出。然后進行放大,通過測量電橋輸出電壓變化求得溫度值。
使用3根引線的熱電阻如圖2所示,其原理是:在使用平衡電橋對熱電阻Rt進行測量時由電阻體引出3根導線,l根的電阻與電源E串聯(lián),不影響橋路的平衡,另外2根的電阻被分別置于電橋的兩臂內,它們隨環(huán)境溫度變化對電橋的影響可以大部分抵消。
本文所測溫度變化范圍:-20~+120℃,精度要求0.5級。通過曲線擬合法對系統(tǒng)進行標定,即可求出測溫范圍內任一電壓對應的溫度。
2.2 溫度測試系統(tǒng)的信號調理
此溫度傳感器用溫度變送器進行信號調理,溫度變送器的工作原理是:采用熱電阻作為測溫元件,從測溫元件輸出的信號送到變送模塊,經過穩(wěn)壓濾波、運算放大、非線性校正和反方向保護等處理電路,轉換為與溫度成線性關系的4~20 mA電流信號輸出,在信號輸出端加一個220 Ω的電阻轉換成0.88~4.4 V的電壓信號輸出。
2.3 溫度測試系統(tǒng)的數(shù)據采集
模塊化設計數(shù)據采集,數(shù)據采集模塊的設計對后續(xù)的數(shù)據顯示和分析結果以及整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn),具有直接影響,利用NI公司的DAQ(Data AcquisitiON)卡及其驅動程序設計這一模塊,充分利用集成的功能全面的DAQ函數(shù)庫和子VI,設計可以實現(xiàn)對數(shù)據采集的控制,包括觸發(fā)控制、通道控制等的數(shù)據采集模塊。
2.4 溫度測試系統(tǒng)的程序框圖
在進行溫度測試時,先確定哪個通道對溫度信號進行采集,然后對系統(tǒng)進行調試,調試好后開始數(shù)據采集及存儲和備份,當溫度超過用戶所設定的極限值時,溫度測試系統(tǒng)會報警提示,當溫度在允許的范圍內時,測試系統(tǒng)對所采集的信號進行濾波分析、波形顯示、波形調整。具體流程圖和程序框圖如圖3、圖4所示。
圖4程序框圖中,case循環(huán)用來判斷是否執(zhí)行溫度測試程序,選擇哪種濾波,判斷是否超限報警。
3 結論
通過設置不同的前面板左邊的參數(shù)設置部分,包括溫度上下限設置和濾波設置,右邊為波形顯示部分,包括原始溫度波形顯示和調整后波形顯示以及圖形的局部細化、放大,還有指標值的數(shù)值顯示。得到如圖5所示的測量結果表明,該測量方法具有測量精度高、線性度好、時間短等優(yōu)點。
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