基于LabVIEW的多通道溫度測量系統設計

摘要：為了多種應用環(huán)境下的多點(diǎn)溫度測量，設計一種基于LabVIEW的多通道溫度測量系統。系統是基于LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用RTD作為溫度傳感器，連續采集傳感器信號，經(jīng)過(guò)N19219四通道RTD輸入模塊進(jìn)行信號調理，通過(guò)USB接入計算機，進(jìn)行信號的連續采集測量，實(shí)時(shí)顯示各通道信號并進(jìn)行溫度數據的分析處理。系統測試結果表明，測量系統的精度為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(shí)驗中常見(jiàn)的工藝參數之一，而且在許多工程項目中溫度指標也是不可或缺的重要參數。例如碳化鐵反應速率隨操作時(shí)的變化而升降，反應過(guò)程中操作溫度的高低不但影響反應完成所需的時(shí)間，還影響到轉化率的大小。因此，準確、方便地獲取溫度數據就顯得尤為重要。而在水文氣象、機房動(dòng)力環(huán)境監測、糧倉、土壤、農場(chǎng)、礦業(yè)、智能家居配套等領(lǐng)域，需要在多個(gè)監測點(diǎn)進(jìn)行溫度監測和測量，因此，多點(diǎn)溫度監測和測量系統的設計具有十分重要的意義。

1 系統工作原理

針對多點(diǎn)溫度測量的特點(diǎn)，設計基于虛擬儀器平臺LabVIEW的多通道溫度測量系統，選擇貼片式Pt1000鉑電阻作為溫度傳感器，通過(guò)NI9219數據采集卡進(jìn)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的抗干擾性，并在上位機軟件界面用波形圖表的方式實(shí)時(shí)顯示整個(gè)測量過(guò)程中每個(gè)通道的溫度變化情況，測量結束，對整個(gè)測量過(guò)程的原始數據結果進(jìn)行記錄和保存。

多通道溫度測量系統由4個(gè)Pt1000鉑電阻、NI9219數據采集卡、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(huì )隨著(zhù)溫度的變化而改變。Pt后數字1000表示它在0℃時(shí)阻值為1000Ω，在300℃時(shí)它的阻值約為2 120.515 Ω，并且Pt1000的阻值隨著(zhù)溫度上升成線(xiàn)性增漲。Pt1000鉑電阻引出導線(xiàn)采用三線(xiàn)制，減小了導線(xiàn)電阻帶來(lái)的附加誤差;NI9219數據采集卡是24位的通用模擬輸入數據采集模塊，可以對RTD信號進(jìn)行采集和調理，經(jīng)過(guò)NI USB～9162模塊外盒連接器接入計算機進(jìn)行數據采集。整個(gè)測量系統可以同時(shí)采集4路溫度信號，在上位機軟件界面上可以設置采樣模式、采樣率和采樣數，采樣的起始時(shí)間和結束時(shí)間，在整個(gè)測量過(guò)程中界面可以利用波形圖表實(shí)時(shí)顯示各通道的溫度測量變化值以及整個(gè)測量過(guò)程中溫度最大值、最小值和平均值，測量過(guò)程結束，可以對測量的原始數據進(jìn)行記錄保存，以便進(jìn)行后續的數據處理。多通道溫度測量系統結構框圖如圖1所示。

2 多通道溫度測量系統整體設計

2.1 硬件電路設計

NI 9219各通道間相互隔離，4個(gè)24位模數轉換器(ADC)可同時(shí)對4個(gè)模擬輸入通道進(jìn)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數據采集卡須對Pt1000輸出的是低壓信號進(jìn)行調理和濾波，NI9219某一路通道的輸入電路如圖2所示。

NI9219可以同時(shí)采集4路溫度信號，每路由EX+和EX-端口分別對應Pt1000的引腳，LO端口為各通道共地端，與系統中的其他模塊相隔離。通道經(jīng)濾波后，由一個(gè)24位的模數轉換器對其采樣。3線(xiàn)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，如所有導線(xiàn)具有相同的阻值，可對線(xiàn)性阻抗誤差進(jìn)行補償。NI 9219為負接線(xiàn)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(xiàn)端問(wèn)線(xiàn)性誤差。NI 9219的激勵電路具有過(guò)壓保護和過(guò)流保護功能，發(fā)生過(guò)壓及過(guò)流情況時(shí)，模塊自動(dòng)禁用電路。故障排除后，通道可自動(dòng)恢復。模塊支持低功耗休眠模式，處于休眠模式時(shí)無(wú)法與其它模塊通信，休眠模式下系統功耗較低，散熱量也低于正常工作模式。

2.2 軟件流程設計

基于LabVIEW的多通道溫度測量系統軟件流程圖如圖3所示。

上位機軟件界面可以對多通道溫度測量系統各項參數進(jìn)行設定，包括采集物理通道及電阻類(lèi)型配置、電流激勵源及電流激勵值的設置，采樣模式、采樣率及每通道采樣數設定、被測目標溫度范圍、測量起始時(shí)間及結束時(shí)間等參數設定。

在進(jìn)行測量的過(guò)程中，上位機波形圖表可以實(shí)時(shí)監測4個(gè)通道的溫度變化，并且每個(gè)通道的溫度數據用不同的顏色進(jìn)行標記，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)通道采集數據的最大值、最小值及平均值，以便于測量現場(chǎng)快速得出初步的測量結論，測量結束將保存當次測量的所有原始數據，以便進(jìn)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設計可以分為系統配置、數據采集、數據處理和數據保存4個(gè)階段。

其中系統配置環(huán)節主要是對NI9219數據采集卡物理通道及電阻類(lèi)型的配置、電流激勵源及電流激勵值的設置，被測目標溫度范圍、測量起始時(shí)間及結束時(shí)間等參數設定。

數據采集環(huán)節是系統按照測量者對采樣模式、采樣率及每通道采樣數進(jìn)行設定，NI9219數據采集卡瀆取模擬輸入通道任務(wù)中的4個(gè)波形數據。

數據處理環(huán)節，上位機波形圖表實(shí)時(shí)讀取數據緩沖區里的溫度數據，每個(gè)通道的溫度數據用不同的顏色進(jìn)行標記，并且實(shí)時(shí)顯示每個(gè)通道采集數據的最大值、最小值及平均值，便于測量者直觀(guān)地查看和初步分析。雖然整個(gè)系統是利用NI9219的DAQmx驅動(dòng)程序對數據采集模塊進(jìn)行配置，避免了電壓數據換算到溫度數據的數學(xué)計算過(guò)程，在一定程度上能夠降低信號干擾，但是，在進(jìn)行電阻-溫度數據采集的過(guò)程中，由于電磁干擾或零點(diǎn)漂移會(huì )引起電壓的上下浮動(dòng)，從而使測量的溫度值會(huì )出現小范圍的波動(dòng)，導致測量的結果精度降低。本系統在上位機軟件部分，在LabVIEW的程序框圖中利用公式節點(diǎn)編程，在1s時(shí)間內連續采集1 000個(gè)溫度值，計算其算術(shù)平均值，將平均值作為采樣結果。這樣可以有效的抑制溫度值的跳動(dòng)，通過(guò)提升數據采集卡的采樣率和每通道采樣數，達到提高測量結果的精度的目的。

數據存儲環(huán)節實(shí)現原始數據存儲功能，將其寫(xiě)入TDMS文件中，方便后續的數據查看、提取、處理。

3 實(shí)驗結果和數據分析

將基于LabVIEW的多通道溫度測量系統放在高精度的恒溫槽內進(jìn)行穩定性實(shí)驗，高精度的恒溫槽是廣州海洋地質(zhì)調查局方法所在2009年根據課題組工作需要建立的，設備由高精度恒溫槽、一等鉑金熱電偶、高精度溫度測量電橋和交流穩樂(lè )設備等組成，精確度為0.01℃.如圖5所示。

調節設定恒溫槽參數，將4個(gè)RTD的探頭放置于恒溫槽內進(jìn)行測試，沒(méi)置采樣點(diǎn)數為500，采樣頻率為1 Hz，進(jìn)行多次反復測試，得到的實(shí)驗數據如表1所示。

從多次多通道溫度測量系統在恒溫槽內測量結果中可以看出，4個(gè)通道被測點(diǎn)溫度差值最大的為0.02℃，整個(gè)恒溫槽內最大差值為0.028 ℃，達到預設的目的，通過(guò)多次實(shí)驗數據表明，測量系統的穩定性很好。

4 結束語(yǔ)

文中介紹的基于LabVIEW的多通道溫度測量系統測量精度為0.01℃，有實(shí)驗數據支持的有效測量范圍為0～+300℃。系統采用可實(shí)時(shí)監測被測對象溫度的功能，實(shí)現了PC機自動(dòng)測量和數據采集的功能，還實(shí)現了數據的實(shí)時(shí)顯示和存儲功能，測量過(guò)程易于操作且無(wú)需人為干預，可靠性高，能夠很好的實(shí)時(shí)多任務(wù)同步運行，更好的保證多點(diǎn)溫度測量數據的處理與顯示系統的實(shí)時(shí)性、可靠性和擴展性。并且利用標準的數據采集模塊和LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以在其基甜上快速的進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提高了開(kāi)發(fā)效率，體現了虛擬儀器在多點(diǎn)溫度測量監測領(lǐng)域的廣闊前景。