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1、第第1515章章 热电偶温度测量系统的设计热电偶温度测量系统的设计15.1 15.1 设计任务设计任务115.2 15.2 电路原理与设计电路原理与设计15.3 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计虚拟仪器设计3215.1设计任务15.115.1设计任务设计任务 本设计用本设计用K K型热电偶设计量程范围为型热电偶设计量程范围为0 0100100的温度显示器，并在电路设计中加入冷端补偿器对的温度显示器，并在电路设计中加入冷端补偿器对冷端温度进行补偿，最后利用冷端温度进行补偿，最后利用LabVIEWLabVIEW设计虚拟仪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：器显示测量温度值。通
2、过本设计须掌握以下几点：1 1）了解）了解K K型热电偶测量温度的方法，和电桥补偿法。型热电偶测量温度的方法，和电桥补偿法。2 2）掌握利用热电偶的原理建立仿真模型。）掌握利用热电偶的原理建立仿真模型。3 3）会使用）会使用LabVIEWLabVIEW进行编程。进行编程。15.2电路原理与设计15.2.1 15.2.1 传感器模型的建立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。表热电偶是把温度转化为电势大小的热电式传感器。表1 15-15-1为为K K型热电偶的分度表，这是在冷端温度为型热电偶的分度表，这是在冷端温度为00时测时测定的数值。对大量数据进行分析，可得热电偶的数学
3、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：模型如下： 式中：式中：t tR R表示测量温度；表示测量温度；t tAMRAMR表示测温参考点。表示测温参考点。 41/(15 1)outRAMRVVCtt15.2电路原理与设计 表表 15-1 K15-1 K型热电偶的分度表型热电偶的分度表15.2电路原理与设计根据上式在根据上式在MultisimMultisim中建立热电偶的仿真模型如图中建立热电偶的仿真模型如图15-115-1所示。所示。 图图15-1 15-1 热电偶模型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，而实以上模型只是对热电偶性能的一个近似，是线性的，而实
4、际热电偶的具有一定的非线性。际热电偶的具有一定的非线性。（a a）热电偶示意图）热电偶示意图（b b）冷端温度为）冷端温度为00时的模型时的模型（c c）冷端温度为）冷端温度为室温时的模型室温时的模型图图15-2 15-2 电桥补偿电桥补偿15.2.2 15.2.2 温度补偿电路的设计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）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）通常被放在被放置在待测温场中，而自由端（冷端）通常被放在00的环境中。若冷端温度不是的环境中。若冷端温度不是00，则会产生测量误，则会产生测量误差，此时要进行冷端补偿。差，
5、此时要进行冷端补偿。本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图本设计的冷端补偿采用电桥补偿，如图15-215-2所示。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三极管基极与集电极相连，相当于一个负温度系数的数的PNPN结。三极管可选用结。三极管可选用90139013，由于，由于MultisimMultisim器件器件库中没有，选用三极管库中没有，选用三极管2N22222N2222代替。代替。电桥中电桥中R R3 3的值应和的值应和R R4 4的值相等，调节滑动变阻器的值相等，调节滑动变阻器使上面的左右两桥臂的总电阻值也相等，才能使使上面的左右两桥臂的总电阻值也相等，才能使
6、电桥平衡。调整电桥上下两臂的电阻的比值，可电桥平衡。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。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，应使三极管注意：电桥调零时，应使三极管2N22222N2222的参数测的参数测量温度为量温度为0 0摄氏度，即此时自由端温度为摄氏度，即
7、此时自由端温度为0 0摄氏度，摄氏度，不用进行温度补偿。不用进行温度补偿。补偿电路的输出端接补偿电路的输出端接HB/SCHB/SC连接器，将该电路全连接器，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替换，将该子电路的名称设为K K，子电路模块的两，子电路模块的两输出端分别为补偿电路的正负输出端。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 15.2.3 放大电路设计放大电路设计放大电路部分与放大电路部分与13.2.313.2.3节的金属应变片放大电路相节的金属
8、应变片放大电路相似，由仪用放大和比例放大环节组成，如图似，由仪用放大和比例放大环节组成，如图15-315-3所所示，其中示，其中R RW1W1可调节仪用放大器的放大倍数，可调节仪用放大器的放大倍数，R RW2W2用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比用于电路调零。电路设计好后，要进行电桥、比例放大的调零和增益的调整。例放大的调零和增益的调整。15.2电路原理与设计 图图15-3 15-3 电路设计电路设计15.2电路原理与设计15.2.4 15.2.4 直流稳压源设计直流稳压源设计电路中的供电电源都采用电路中的供电电源都采用15V15V直流电源直接供电，直流电源直接供电，实际应用中需要设计
9、直流稳压电路来实现交实际应用中需要设计直流稳压电路来实现交- -直流直流的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路的转换，以及稳定供电电压。直流稳压电源电路如图如图15-415-4所示。所示。 图图15-4 15-4 直流稳压源电路直流稳压源电路15.2电路原理与设计图12-3 修饰子模块 15.2.5 15.2.5 综合电路仿真综合电路仿真综合电路如图综合电路如图15-315-3所示，下面我们主要来对各子所示，下面我们主要来对各子电路模块进行仿真分析。电路模块进行仿真分析。1 1）热电偶及热电偶补偿子电路分析）热电偶及热电偶补偿子电路分析 在图在图15-215-2的电桥补偿电路中，对三极管的
10、电桥补偿电路中，对三极管2N22222N2222进进行温度参数扫描分析，扫描参数设为行温度参数扫描分析，扫描参数设为temptemp（温（温度），从度），从0033每隔每隔11扫描一个值。输出电压扫描一个值。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。分析的结果如图分析是瞬态分析。分析的结果如图15-515-5所示，温所示，温度每增加度每增加11，三极管两端电压下降约，三极管两端电压下降约2mV2mV。15.2电路原理与设计图图15-5 PN15-5 PN结负温度特性结负温度特性15.2电路原理与设计补偿电桥电路应首先调零，调零的
11、方法是首先双补偿电桥电路应首先调零，调零的方法是首先双击三极管，打开如图击三极管，打开如图15-615-6所示的属性设置对话框，所示的属性设置对话框，单击单击“Edit Model”Edit Model”按钮，可打开元件模型编辑窗按钮，可打开元件模型编辑窗口，如图口，如图15-715-7所示，将参数测量温度设为所示，将参数测量温度设为00，然，然后调节滑动变阻器后调节滑动变阻器RWRW，使电桥两输出端，使电桥两输出端1212盒盒IO2IO2之间的电压近似为之间的电压近似为0 0。当自由端温度（即环境温。当自由端温度（即环境温度）为度）为2525时，将模拟环境温度的时，将模拟环境温度的V1V1的
12、值设为的值设为2525V V，将三极管的参数测量温度设为，将三极管的参数测量温度设为2525，然后对，然后对电路进行参数扫描分析，其设置如图电路进行参数扫描分析，其设置如图15-815-8所示。所示。 图12-4 图标编辑15.2电路原理与设计图图15-6 15-6 三极管三极管2N22222N2222属性设置对话框属性设置对话框图图15-7 15-7 元件模型编辑窗口元件模型编辑窗口15.2电路原理与设计图12-7 连接器和显示器件关联（a a）分析参数设置）分析参数设置（b b）输出端设置）输出端设置图图15-8 15-8 参数扫描设置参数扫描设置15.2电路原理与设计选择模拟温度变化的电
13、压源作为扫描对象，在选择模拟温度变化的电压源作为扫描对象，在0V0V到到100V100V的范围内，每隔的范围内，每隔10V10V扫描一次，设置扫描直扫描一次，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，流工作点，输出变量选择子电路的两输出端之差，如图如图15-815-8（b b）所示。扫描结果如图）所示。扫描结果如图15-915-9所示，将该所示，将该仿真数据与表仿真数据与表15-115-1的的K K型热电偶分度表进行比较，型热电偶分度表进行比较，可知经补偿后，在表可知经补偿后，在表15-115-1所列的各温度下，子电路所列的各温度下，子电路总的输出电压和分度表中的值基本相符。总的输
14、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似，所以在自由端温度为0 0摄氏度的情况下，热电摄氏度的情况下，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只是保证0 0摄氏度时仿真电桥电路的输出为摄氏度时仿真电桥电路的输出为0 0，所以，所以仿真子电路输出的电压值和仿真子电路输出的电压值和K K型热电偶分度表的相型热电偶分度表的相应值会有一定误差。应值会有一定误差。 15.2电路原理与设计 图图15-9 15-9 参数扫描分析结果参数扫描分析结果
15、15.2电路原理与设计2 2）直流稳压源子电路分析）直流稳压源子电路分析 下面对这个电路进行如下仿真：下面对这个电路进行如下仿真： 桥式整流输出电压：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整流桥输出接负载后，用示波器观察波形如图15-1015-10所示。所示。正弦波经整流后输出单一方向的波动。正弦波经整流后输出单一方向的波动。图图15-10 15-10 整流桥输出整流桥输出15.2电路原理与设计 滤波后输出电压滤波后输出电压 整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图整流桥后接滤波器，输出接电阻后电路输出波形如图15-115-11 1所示。由图可以看到，交流成分减小，
16、但仍然存在小的所示。由图可以看到，交流成分减小，但仍然存在小的波动。波动。图图15-11 15-11 滤波后输出滤波后输出15.2电路原理与设计 接三端稳压后输出接三端稳压后输出 接三端稳压后，正端接负载后输出电压如图接三端稳压后，正端接负载后输出电压如图15-1215-12所示。输所示。输出电压基本稳定。出电压基本稳定。图图15-12 15-12 稳压源输出稳压源输出15.2电路原理与设计 电压调整率电压调整率 输入输入220V220V交流电，变化范围为交流电，变化范围为15%15%20%20%，所以电压波动范，所以电压波动范围为围为176V176V253V253V。在额定输入电压下，当输出
17、满载时，调整输出。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，即电阻，使电流约为最大输出电流，即0.1A0.1A，得满载时电阻为，得满载时电阻为138138。当输入电压为当输入电压为176V176V、负载为、负载为138138时，输出电压时，输出电压U1U1为为14.832V14.832V；当；当输入电压为输入电压为220V220V、负载为、负载为138138时，输出电压时，输出电压U0U0为为14.839V14.839V；当输；当输入电压为入电压为253V253V，负载为，负载为138138时，输出电压时，输出电压U2U2为为14.842V14.842V。取取U U
18、为为U1U1和和U2U2中相对中相对U0U0变化较大的值，则变化较大的值，则U=14.832U=14.832，所以电压调，所以电压调整率：整率：0014.832 14.8390.007100%100%100% 0.05%14.83914.839vU USU15.2电路原理与设计 电流调整率电流调整率 设输入信号为额定设输入信号为额定220V220V交流电，当输出满载（交流电，当输出满载（138138）时，）时，输出电压输出电压U0U0为为14.839V14.839V；当输出空载时，输出电压；当输出空载时，输出电压U U为为15.2615.26V V；当输出为；当输出为50%50%满载时，输出电
19、压满载时，输出电压U0U0为为14.9814.98所以电压调所以电压调整率：整率： 纹波电压：纹波电压： 在额定在额定220V220V输入电压下，输出满载，即负载电阻为输入电压下，输出满载，即负载电阻为138138时，时，在示波器中观察输出波形，如图在示波器中观察输出波形，如图15-1315-13所示。因只选择了观所示。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，其峰峰值为峰值为2.143nV2.143nV。0015.26 14.980.28100%100%100% 1.9%14.9814.98IU USU15.2电路原理与设计图
20、图15-13 15-13 波纹电压示意图波纹电压示意图15.2电路原理与设计 输出抗干扰电路分析输出抗干扰电路分析 图图15-14(a)15-14(a)为未加抗干扰电路前系统的幅频响应图，可以看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的幅频响应如图15-14(b)15-14(b)所示，可以看到高频噪声得到一所示，可以看到高频噪声得到一定程度的抑制。定程度的抑制。(a)(b)图图15-14 15-14 抗干扰电路交流分析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
21、路进行仿真得到实验结果电路分析完成后，对电路进行仿真得到实验结果如表如表15-215-2所示。所示。 表表15-2 15-2 实验数据实验数据15.3 LabVIEW虚拟仪器设计15.3.1 15.3.1 数据显示子程序设计数据显示子程序设计 将上节中表将上节中表15-215-2的数据经的数据经MATLABMATLAB多项式拟和后，多项式拟和后， 得下式：得下式： （15-215-2） 反解得到反解得到: : （15-315-3）30.78970.049210TU10000.04920.7897UT15.3 LabVIEW虚拟仪器设计从开始菜单中运行从开始菜单中运行“National Inst
22、ruments LabVIE-National Instruments LabVIE-W 8.2”W 8.2”， 在在Getting StartedGetting Started窗口左边的窗口左边的FilesFiles控件里，控件里，选择选择Blank VIBlank VI建立一个新程序。建立一个新程序。框图程序的绘制：框图程序的绘制： 设计的子程序框图如图设计的子程序框图如图15-1515-15所示。本设计关于数所示。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方法设计的子程序在接口电路设计时不用考
23、虑数据转换。由设计据转换。由设计2 2的方法想到利用的方法想到利用For LoopFor Loop进行两进行两次自动索引，便可以使数据变为单个值显示，这次自动索引，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，否则输出将不再是数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。单个数值。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计图图15-15 15-15 程序框图程序框图15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图中图中U U0 0为时域信号采集器，它将电压的波形提为时域信号采集器，它将电压的波形提取出来，再
24、将连续电压值作为取出来，再将连续电压值作为VIVI的输入。时域信的输入。时域信号的采集器由控制模板号的采集器由控制模板I/OI/O模块里的波形函数经矩模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层阵化而成。连续的电压波形在外层ForFor循环内必须循环内必须加一个波形元素提取模块把加一个波形元素提取模块把Y Y值提取出来，否则数值提取出来，否则数据在里层据在里层ForFor循环中不能利用自动索引，达不到数循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式据转换的目的。根据式15-315-3在里层在里层ForFor循环中用常循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出包括电压数显数和运算函数构
25、建程序框图，输出包括电压数显和温度计。和温度计。15.3 LabVIEW虚拟仪器设计定义图标与连接器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，在快捷菜单中选择面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择Show Show ConnectorConnector，定义连接。，定义连接。建立前面板上的控件和连接器窗口的端子关联。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，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输出有两个，分别与电压数显模块
26、和温度计相关联。完成上述工作后，将设计好的联。完成上述工作后，将设计好的VIVI保存。下次保存。下次调用该调用该VIVI时，图标与端口如图时，图标与端口如图15-1615-16所示。所示。图图15-16 15-16 子子VIVI图标图标15.3 LabVIEW虚拟仪器设计15.3.2 15.3.2 接口电路的设计与编译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：口电路的设计与编译分以下几步：把把MultisimMultisim安装目录下安装目录下SamplingLabVIEW Instrum-Samp
27、lingLabVIEW Instrum-entsTemplatesInputentsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个地文件夹拷贝到另外一个地方。方。在在LabVIEW LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的中打开步骤中所拷贝的StarterInputIn-StarterInputIn-strument .lvprojstrument .lvproj工程，如图工程，如图15-1715-17。接口电路的设计。接口电路的设计是在是在Starter Input Instrument.vitStarter Input Instrument.vit中进行。中进行。15.3 LabVIEW虚拟
28、仪器设计图图15-17 StarterInputInstrument .lvproj15-17 StarterInputInstrument .lvproj工程图工程图15.3 LabVIEW虚拟仪器设计打开打开Starter Input Instrument.vitStarter Input Instrument.vit的框图面板，完成接的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择口框图的设计。在数据处理部分，选择CASECASE结构结构下拉菜单中的下拉菜单中的Update DATAUpdate DATA选项进行修改。按框图选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键选择中的说明，在
29、结构框中右键选择Select a VISelect a VI，把在，把在L L-abVIEW-abVIEW完成的子完成的子VIVI添加在添加在Update DATAUpdate DATA框中即可。框中即可。此时只能添加功能，不可修改框图面板的原状，此时只能添加功能，不可修改框图面板的原状，如图如图15-1815-18所示。由于数据的转换在子所示。由于数据的转换在子VIVI的设计中的设计中已经实现，所以子已经实现，所以子VIVI的输入直接与的输入直接与MultisimMultisim的输出的输出数据相连即可。为子数据相连即可。为子VIVI的输出创建指示器，并设的输出创建指示器，并设置室温置室温T
30、0T0为为2525。框图面板设计好后，在前面板中。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（还需进一步地调整，并用控制模板下的修饰（DecDecorationsorations）子模板对界面进行美化。最后保存修改，）子模板对界面进行美化。最后保存修改，并重命名为并重命名为proj3.vitproj3.vit。 图图15-18 15-18 数据处理部分框图数据处理部分框图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注意虚拟仪器信息的设置也可在Instrument Templ-Instrument Templ-at
31、eate下下proj3.vitproj3.vit的程序框图里设计，如图的程序框图里设计，如图15-1915-19所示。所示。打开打开Multisim Instr InfoMultisim Instr Info子程序设置各项，在仪器子程序设置各项，在仪器IDID中和显示名称中填入唯一的标识，同时把输入端中和显示名称中填入唯一的标识，同时把输入端口数设为口数设为1 1，因为只有一个电压输入；把输出端口，因为只有一个电压输入；把输出端口设为设为0 0，此模块不需要向，此模块不需要向MultisimMultisim输出。修改后选输出。修改后选另存为后把它重命名为另存为后把它重命名为proj3_mult
32、isimInformation.viproj3_multisimInformation.vi。保存后查看工程文件保存后查看工程文件StarterInputInstrument.lvprojStarterInputInstrument.lvproj下下的的SubVIsSubVIs，它下面的子程序已被修改。，它下面的子程序已被修改。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图图15-19 ID15-19 ID号号A A置的另一种方法置的另一种方法15.3 LabVIEW虚拟仪器设计打开打开Build SpecificationsBuild Specifications，右键点击，右键点击Source
33、 Distributi-Source Distributi-onon，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，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，如都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj3proj3（.lib.lib）。同时在原文件设置中选择总是包括所有）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图包含的条目，如图15-2015-20所示。属性设置完成并保所示。属性设置完成并保存后，再在存后，再在Source DistributionSource Distribution上点击右键，在弹出上点击右键，在弹出的菜单中选择的菜单中选择BuildB
34、uild即可。即可。 15.3 LabVIEW虚拟仪器设计 图图15-20 15-20 属性设置属性设置15.3 LabVIEW虚拟仪器设计编译完成后，在编译完成后，在InputInput文件夹下生成一个文件夹下生成一个BuildBuild文文件夹，打开后把里面的文件复制到件夹，打开后把里面的文件复制到Electronics WoElectronics WorkbenchEWB9rkbenchEWB9下的下的lvinstrumentslvinstruments文件夹中，这样文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开就完成了虚拟仪器的导入，当再打开MultisimMultisim时，时，在在
35、LabVIEWLabVIEW仪器下拉菜单下就会显示你所设计的仪器下拉菜单下就会显示你所设计的模块。模块。打开热电偶的测温电路，把设计好的显示模块接打开热电偶的测温电路，把设计好的显示模块接电路输出，电路调零后得如图电路输出，电路调零后得如图15-2115-21在不同温度下在不同温度下的验证结果，可见误差较小。的验证结果，可见误差较小。15.3 LabVIEW虚拟仪器设计（a a）2020摄氏度摄氏度 （b b）5050摄氏度摄氏度（d d）9090摄氏度摄氏度（c c）7070摄氏度摄氏度习题与思考题习题与思考题1. 1.热电偶补偿电桥中，若没有所提到的三极管，请热电偶补偿电桥中，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。输出误差最小。2. 2.试在试在MATLABMATLAB中用最小二乘法对表中用最小二乘法对表15-115-1的数据进行的数据进行拟和，以得到热电偶的近似模型。拟和，以得到热电偶的近似模型。3. 3.本设计中本设计中LabVIEWLabVIEW虚拟仪器是如何对虚拟仪器是如何对MultisimMultisim输出输出的数据进行数据类型的转换的？的数据进行数据类型的转换的？习题与思考题