基于虚拟仪器的测温系统设计

测温系统设计

科技信息○IT技术论坛○SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2008年第33期

基于虚拟仪器的测温系统设计

刘

（1.河海大学常州校区机电学院热能与动力工程系

江苏

巍1

常州

刘珂琴2

213000；2.常州工学院光电工程学院

江苏

常州

213002）

【摘要】针对传统测温存在的若干问题，运用图形化编程语言LabVIEW设计了基于集成温度传感器AD590的虚拟测温系统。系统由软件控制数据采集装置获取传感器检测到的温度信号，实现数字滤波、显示实时温度值，生成温度趋势曲线、温度统计直方图等。实验结果表明，系统结构简单、界面良好、易于操作，测量准确、稳定可靠，可以满足工业测试的需要。

【关键词】虚拟仪器；AD590；温度检测；

LabVIEW

1.引言

在工业生产和科学实验过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。随着工业生产自动化程度越来越高，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的要求也越来越高[1]。由于测温时的会受到各种干扰，影响了测温精度，需要进行滤波。传统测温仪一般都是通过硬件电路实现，这样就存在电路复杂、成本较高、性能不够稳定等问题[2]。另外除了要显示实时温度外，往往还要能够方便的实现报警、显示温度变化趋势、对所测温度进行一定的统计分析等功能。因此传统的以硬件为主的测温系统在很多场合已不能适应现代测温的要求。

以虚拟仪器为代表的虚拟测试技术可以较好的解决这些问题。虚拟仪器[2][3]是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。软件开发是虚拟测试系统的关键部分，在众多的开发软件中又以美国国家仪器公司开发的图形化编程语言LabVIEW应用最广、功能最强[3]。

本文根据给定的测温要求，通过软、硬件技术组合，在LabVIEW平台上进行二次开发，设计了虚拟测温系统，利用软件实现了诸如温度显示、数字滤波、统计分析等多种功能，降低了仪器成本、提高了系统的稳定性。同时基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。

示及报警、生成温度趋势曲线和直方图等功能，程序设计思路如图2所示。下面对程序设计方法进行介绍。

3.1信号采集程序设计AD590测量温度信号，通过调理电路将温度信号转换为直流电压信号。该信号一般为变化缓慢的直流信号。设计中为了减小测量误差，在同一点连续采集多个数据取其平均值做为最后的测量结果。数据采集利用AISampleChannel.vi子程序实现，同时利用ForLoop连续采样100点，构成数组供后续的滤波程序使用。采集程序框图如图3所示。

图2软件部分技术路线图图3数据采集单元程序框图

2.AD590测温系统硬件设计

AD590是美国ADI公司生产的是恒流源式模拟集成温度传感器。它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测量误差小、动态阻抗高、传输距离远、体积小、功耗低等优点。AD590的测温范围是-55~+150℃，对应于热力学温度T每变化1K，输出电流就变化1μA。这表明其输出电流I（μA）与热力学温度T（K）严格成正比。同时在298.15K（对应于25.15℃）时输出电流恰好等于298.15μA。

由于要求测量的温度范围为-30～120℃，测量分辨率为0.5℃，此时AD590的输出电流在243.2~393.2μA之间变化。若选择取样电阻为1kΩ时，输出电压V590在243.2～393.2mV之间变化。由于虚拟测试系统采用的数据采集卡的满度输入设置为5V，放大器增益设置为10即可。同时当温度变化0.5℃时，AD590的输出电流为0.5μA，V590=0.5mV，则放大器的输出V0＝5mV。而数据采集卡的量化单位Q＝5/(212－1)＝1.22×10-3V＝1.22mV。显然U>Q，故增益取10可以同时满足量程和分辨力要求。

设计中选用美国PMI公司生产的电压运算放大器OP-07。OP-07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。使用OP-07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。AD590测温模块的调理电路如图1所示。

[2]

在数字化测控系统中，很多滤波任务

可以由数字滤波器承担。它与硬件滤波器相比具有使用灵活、修改方便，可提高可靠性、稳定性等优点。常用的数字滤波方法有很多种，比如算术平均值、中值滤波、中值平均滤波、小波消噪等[4]。根据本系统测量对象特点和测量精度，选用中值平均滤波法。

这种滤波法是中值滤波和算术平均值滤波两种方法的结合，即先用中值滤波法滤除由于脉冲干扰而有偏差的采样值，然后把剩下的采样值做算术平均。设n次采样值x1，x2，…，xn，按大小顺序排列为x(1)≤x(2)≤…≤x(n)，把最小的x(1)和最大的x(n)去掉，剩下的取算术平均值即为滤波后的值y。中值平均滤波法既可以去掉脉冲干扰，又可对采样值进行平滑处理，提高了数据处理质量，对于快、慢干扰均有效。

设计中将数字滤波程序做成子VI以供调用，同时在对采样值按大小排队和计算累加和时，考虑到程序的简洁采用了LabVIEW自带的公式节点。程序框图如图4所示。

3.2数字滤波的程序实现

图4中值平均滤波程序框图

图1AD590测温系统调理电路图

3.AD590测温系统软件设计

AD590测温系统软件部分主要完成数据采集、数字滤波、温度显

在工业测温中，除了显

示实时温度外，还要能够实现超限报警、温度信息管理等功能。因此需要记录一段时间内的温度值，生成温度变化趋势曲线，或者生成温度直方图，以便了解被测温度的变化趋势以及温度分布情况。设计中利用LabVIEW中的写电子表格格式文件函数WriteToSpreadsheetFile，将对应的测试时间、温度值记录在一个电子表格格式的文件下，同时生成温度变化趋势图。数据记录结束后，利用读电子表格格式文件函数ReadFromSpreadsheetFile，将记录的数据取出供后续直方图生成程序使用。

直方图生成程序采用位于Mathematics模板中的ProbabilityandStatistics子模板内的GeneralHistogram.vi实现。在LabVIEW中通过对GeneralHistogram.vi各端口的设置就可以很方便的生成输入序列的统计直方图。

3.3温度趋势图及直方图生成程序设计

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3.4测温系统用户界面设计虚

拟测温系统的用户界面用LabVIEW提供的控件进行优化设计，实现良好的人机交互功能。用户可以通过键盘和鼠标对各种控件进行操作，如旋动按钮，打开开关、显示数据等，使其操作类似于真实仪表的各种操作，甚至在某些方面更优于实际仪器。

AD590测温系统界面如图5所示。

表1AD590测温部分数据表

标准温度

顺测实测电压/

测得温度

回测实测电压/

测得温度

标准温度

顺测实测电压/

测得温度

回测实测电压/

测得温度

/℃01020304050

mv/℃mv/℃0

mv/℃mv/℃60

273.0283.0293.0303.1313.0323.4

-0.0510.119.929.94050.1

273.2282.9293.2303.3313.5323.2

60708090100110

333.0334.2353.0363.1373.3383.0

59.87079.889.9100.1109.8

333.2343.1353.1363.3373.4383.1

9.92030.140.250

69.979.990100.2109.9

由表1可知，相对于标准温度，最大示值误差为－0.2℃，故系统在测量范围内，线性度为0.18%。而对于同一温度点，顺测和回测的最大误差的绝对值为0.2℃，这表明系统具有较好的重复性。

5.结论

图5

AD590测温软件前面板图

4.实验

利用CSY2000型传感器与检测技术实验台提供的加热源（＜200℃可调）、高精度温度控制仪（控制精度±0.2℃）、AD590温度传感器进行了实验。将AD590插入被测温度源，放大器输出端通过导线和接口板输入端子相连，然后将接口板和数据采集卡相连。

在如图5所示的前面板上，输入信号采集通道，设置放大器增益，点击“显示结果”按钮，传感器输出电压和实际温度值通过表盘和数字两种方式显示在前面板上，并且存入以实验者名字命名的电子表格中，以供备查。

控制加热源，使被测温度不断上升和下降，测量各个不同点的温度值，前面板上自动显示温度变化趋势。测量完毕，设置被测温度的最大、最小值和直方图分组数，点击“生成直方图”按钮，在前面板上显示温度分布的统计直方图。

按照上述步骤进行了多次实验，此处给出一组数据，如表1所示。

实验表明，基于虚拟仪器的测温仪充分利用计算机强大的存储、计算功能，将由传统硬件完成的滤波等功能由软件来实现，简化了电路设计，提高了系统的稳定性和测量精度。同时还可以完成报警、显示温度变化趋势、对所测温度进行统计分析等智能式管理功能，完全可以满足现代测温的要求。科

【参考文献】

［１］崔志尚.温度计量与测试[M].北京:中国计量出版社,1998．

［２］刘君华.现代测试技术与系统集成[M].北京:电子工业出版社,2004．

［３］杨乐平,李海涛.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2003．［４］贺洪江,王柏盛.关于数据采集和数字滤波的研究[J].工矿自动化,2004,(03):

53-54．

作者简介：刘巍（1963－），男（汉族），江苏常州人，工程师，硕士，主要从事机械设计及自动化和热能工程方向的教学科研工作。

［责任编辑：张新雷］

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（上接第83页）3.对象适应原则：在进行教学媒体的选择与设计时，必须充分考虑不同年龄阶段学生的认知特点，绝不能套用某种固定的、僵化的模式。中学阶段应着重引导学生学习抽象概念，学会运用语言符号去揭示事物的内在规律，逐步发展学生的逻辑思维能力。根据中学生特点，可选用PPT、Flash、Frontpage等直观性强、交互性强的教学媒体来呈现信息技术教学内容。

总之，中学信息技术教学资源网的建设是一项长期而复杂的系统工程。只有在现代教育思想的统领下把现代信息技术、与中学信息技术课程内容高度整合，采用合理的建设思路，才能建成科学有效的教学资源网，才能被广大中学教师所接受、运用，也才能真正推动网络教学改革。科

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五、建设网络题库

网络题库基本功能包括：试题管理、组卷、统计分析、试卷库管理功能。题库设计应遵循以下基本原则：

1.内容上，题库中试题所涉及的内容，应符合中学信息技术教学大纲所规定的内容。

2.层次上，对于每一个项目的知识点，题库中应存放着考察不同能力层次的试题。

3.量的方面，对每一项目均应备有从不同角度进行考查的不同类型的、足够数量的试题，以求从各个侧面考查。

4.管理上必须实现科学化、动态化，同时做到对试题的时时更新。

【参考文献】

［１］曾亦琦.基于网络的教学信息资源库及其教学应用[J].广州师院学报(自然科学版)2006.6.21-22.

［２］包红兵.用新课程标准指导高中信息技术教学[J].中小学信息技术教育,

2003.5.9-19.

作者简介：毕春苗(1977—)，女，陕西扶风人，讲师，研究方向：教育技术基础理论与计算机教育应用。

［责任编辑：张慧］

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（上接第115页）安全。

（5）对于超浅埋大跨度隧道的施工，应严格按照“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则进行施工，保证施工安全。科

【参考文献】

［１］公路隧道施工技术规范（JTJ042—94）.北京：人民交通出版社，1995．［２］公路隧道设计规范（JTGD70—2004）.北京：人民交通出版社，2004．［３］黄成光.公路隧道施工.北京：人民交通出版社，2004．

作者简介：张国锋（1972.7—）中国铁建中铁十五局集团经营部，工程师。

［责任编辑：田瑞鑫］

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c294.html