基于LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了多種應(yīng)用環(huán)境下的多點溫度測量，設(shè)計一種基于LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，利用RTD作為溫度傳感器，連續(xù)采集傳感器信號，經(jīng)過N19219四通道RTD輸入模塊進行信號調(diào)理，通過USB接入計算機，進行信號的連續(xù)采集測量，實時顯示各通道信號并進行溫度數(shù)據(jù)的分析處理。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，測量系統(tǒng)的精度為0.01℃，有效測量范圍為0～+300℃，驗證其有效可行。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;多通道;RTD;溫度測量;采集

溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中常見的工藝參數(shù)之一，而且在許多工程項目中溫度指標(biāo)也是不可或缺的重要參數(shù)。例如碳化鐵反應(yīng)速率隨操作時的變化而升降，反應(yīng)過程中操作溫度的高低不但影響反應(yīng)完成所需的時間，還影響到轉(zhuǎn)化率的大小。因此，準(zhǔn)確、方便地獲取溫度數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。而在水文氣象、機房動力環(huán)境監(jiān)測、糧倉、土壤、農(nóng)場、礦業(yè)、智能家居配套等領(lǐng)域，需要在多個監(jiān)測點進行溫度監(jiān)測和測量，因此，多點溫度監(jiān)測和測量系統(tǒng)的設(shè)計具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)工作原理

針對多點溫度測量的特點，設(shè)計基于虛擬儀器平臺LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)，選擇貼片式Pt1000鉑電阻作為溫度傳感器，通過NI9219數(shù)據(jù)采集卡進行采集，運用硬件濾波和軟件濾波技術(shù)提高多通道溫度測量系統(tǒng)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(jié)束，對整個測量過程的原始數(shù)據(jù)結(jié)果進行記錄和保存。

多通道溫度測量系統(tǒng)由4個Pt1000鉑電阻、NI9219數(shù)據(jù)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(shù)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(dǎo)線采用三線制，減小了導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差;NI9219數(shù)據(jù)采集卡是24位的通用模擬輸入數(shù)據(jù)采集模塊，可以對RTD信號進行采集和調(diào)理，經(jīng)過NI USB～9162模塊外盒連接器接入計算機進行數(shù)據(jù)采集。整個測量系統(tǒng)可以同時采集4路溫度信號，在上位機軟件界面上可以設(shè)置采樣模式、采樣率和采樣數(shù)，采樣的起始時間和結(jié)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(jié)束，可以對測量的原始數(shù)據(jù)進行記錄保存，以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。多通道溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 多通道溫度測量系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

NI 9219各通道間相互隔離，4個24位模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡須對Pt1000輸出的是低壓信號進行調(diào)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(yīng)Pt1000的引腳，LO端口為各通道共地端，與系統(tǒng)中的其他模塊相隔離。通道經(jīng)濾波后，由一個24位的模數(shù)轉(zhuǎn)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(dǎo)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(fā)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(fù)。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(tǒng)功耗較低，散熱量也低于正常工作模式。

2.2 軟件流程設(shè)計

基于LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

上位機軟件界面可以對多通道溫度測量系統(tǒng)各項參數(shù)進行設(shè)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(shè)置，采樣模式、采樣率及每通道采樣數(shù)設(shè)定、被測目標(biāo)溫度范圍、測量起始時間及結(jié)束時間等參數(shù)設(shè)定。

在進行測量的過程中，上位機波形圖表可以實時監(jiān)測4個通道的溫度變化，并且每個通道的溫度數(shù)據(jù)用不同的顏色進行標(biāo)記，實時顯示每個通道采集數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值，以便于測量現(xiàn)場快速得出初步的測量結(jié)論，測量結(jié)束將保存當(dāng)次測量的所有原始數(shù)據(jù)，以便進行后期的分析處理。軟件界面如圖4所示。

多通道溫度測量系統(tǒng)設(shè)計可以分為系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存4個階段。

其中系統(tǒng)配置環(huán)節(jié)主要是對NI9219數(shù)據(jù)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(shè)置，被測目標(biāo)溫度范圍、測量起始時間及結(jié)束時間等參數(shù)設(shè)定。

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)是系統(tǒng)按照測量者對采樣模式、采樣率及每通道采樣數(shù)進行設(shè)定，NI9219數(shù)據(jù)采集卡瀆取模擬輸入通道任務(wù)中的4個波形數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，上位機波形圖表實時讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里的溫度數(shù)據(jù)，每個通道的溫度數(shù)據(jù)用不同的顏色進行標(biāo)記，并且實時顯示每個通道采集數(shù)據(jù)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(tǒng)是利用NI9219的DAQmx驅(qū)動程序?qū)?shù)據(jù)采集模塊進行配置，避免了電壓數(shù)據(jù)換算到溫度數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)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(xiàn)小范圍的波動，導(dǎo)致測量的結(jié)果精度降低。本系統(tǒng)在上位機軟件部分，在LabVIEW的程序框圖中利用公式節(jié)點編程，在1s時間內(nèi)連續(xù)采集1 000個溫度值，計算其算術(shù)平均值，將平均值作為采樣結(jié)果。這樣可以有效的抑制溫度值的跳動，通過提升數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和每通道采樣數(shù)，達到提高測量結(jié)果的精度的目的。

數(shù)據(jù)存儲環(huán)節(jié)實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)存儲功能，將其寫入TDMS文件中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查看、提取、處理。

3 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

將基于LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)放在高精度的恒溫槽內(nèi)進行穩(wěn)定性實驗，高精度的恒溫槽是廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局方法所在2009年根據(jù)課題組工作需要建立的，設(shè)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(wěn)樂設(shè)備等組成，精確度為0.01℃.如圖5所示。

調(diào)節(jié)設(shè)定恒溫槽參數(shù)，將4個RTD的探頭放置于恒溫槽內(nèi)進行測試，沒置采樣點數(shù)為500，采樣頻率為1 Hz，進行多次反復(fù)測試，得到的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

從多次多通道溫度測量系統(tǒng)在恒溫槽內(nèi)測量結(jié)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(nèi)最大差值為0.028 ℃，達到預(yù)設(shè)的目的，通過多次實驗數(shù)據(jù)表明，測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好。

4 結(jié)束語

文中介紹的基于LabVIEW的多通道溫度測量系統(tǒng)測量精度為0.01℃，有實驗數(shù)據(jù)支持的有效測量范圍為0～+300℃。系統(tǒng)采用可實時監(jiān)測被測對象溫度的功能，實現(xiàn)了PC機自動測量和數(shù)據(jù)采集的功能，還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(yù)，可靠性高，能夠很好的實時多任務(wù)同步運行，更好的保證多點溫度測量數(shù)據(jù)的處理與顯示系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴展性。并且利用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，可以在其基甜上快速的進行二次開發(fā)，提高了開發(fā)效率，體現(xiàn)了虛擬儀器在多點溫度測量監(jiān)測領(lǐng)域的廣闊前景。