第15章热电偶温度测量系统的设计.ppt

第15章 热电热电 偶温度测测量系统统的设计设计 15.1 设计设计 任务务1 15.2 电电路原理与设计设计 15.3 LabVIEW虚拟仪拟仪 器设计设计3 2 15.1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。 15.2电路原理与设计 表 15-1 K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 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03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15-5 PN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“Edit Model”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： 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 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 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 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176V253V。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138。当输入电压为176V、负载为138时，输出电压U1为 14.832V；当输入电压为220V、负载为138时，输出电压U0为 14.839V；当输入电压为253V，负载为138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： 15.2电路原理与设计 电流调整率 设输入信号为额定220V交流电，当输出满载（138） 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： 纹波电压： 在额定220V输入电压下，输出满载，即负载电阻为 138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。 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 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 15.3 LabVIEW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） 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 从开始菜单中运行“National Instruments LabVIE-W 8.2”， 在Getting Started窗口左 边的Files控件里，选择Blank VI建立一个新程 序。 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For Loop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。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图15-15 程序框图 15.3 LabVIEW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。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 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Show Connector，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 15.3 LabVIEW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： 把Multisim安装目录下SamplingLabVIEW Instrum-entsTemplatesInput文件夹拷贝到 另外一个地方。 在LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的 StarterInputIn-strument .lvproj工程，如图15 -17。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.vit中进行。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图15-17 StarterInputInstrument .lvproj工程图 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 打开Starter Input Instrument.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Update DATA选项进行修 改。按框图中的说明，在结构框中右键选择 Select a VI，把在L-abVIEW完成的子VI添加在 Update DATA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 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 注意虚拟仪器信息的设置也可在Instrument Templ-ate下proj3.vit的程序框图里设计，如图 15-19所示。打开Multisim Instr Info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_multisimInformation.vi。保存后查看工 程文件StarterInputInstrument.lvproj下的 SubVIs，它下面的子程序已被修改。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图15-19 ID号A置的另一种方法 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 打开Build Specifications，右键点击Source Distributi-on，选择属性设置，在保存目录和 支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重 命名，如proj3（.lib）。同时在原文件设置中 选择总是包括所有包含的条目，如图15-20所示 。属性设置完成并保存后，再在Source Distribution上点击右键，在弹出的菜单中选择 Build即可。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图15-20 属性设置 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 编译完成后，在Input文件夹下生成一个Build 文件夹，打开后把里面的文件复制到 Electronics WorkbenchEWB9下的 lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪 器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪 器下拉菜单下就会显示你所设计的模块。 打开热电偶的测温电路，把设计好的显示模块 接电路输出，电路调零后得如图15-21在不同温 度下的验证结果，可见误差较小。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 （a）20摄氏度 （b）50摄氏度 （d）90摄氏度（c）70摄氏度 习题与思考题 1.热电偶补偿电桥中，若没有所提到的三极管，请 用其它元件代替，并调整电桥电路，使补偿后的 输出误差最小。 2.试在MATLAB中用最小二乘法对表15-1的数据进行 拟和，以得到热电偶的近似模型。 3.本设计中LabVIEW虚拟仪器是如何对Multisim输 出的数据进行数据类型的转换的？ 习题与思考题