基于LabVIEW的溫度測試系統

張 華，鄭 賓* ，武曉棟

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051)

隨著科學技術的發展和測試水平的提高，人們對溫度測試系統的測試精度要求越來越高［1］。本溫度測試系統欲實現3通道溫度測試系統。3個測試通道獨立，能夠分別實時監測待測溫度?？蓱糜谄嚳照{、醫療儀器、糧食倉庫、樓宇智能控制，煤礦等場合。

1 溫度測試系統硬件設計

溫度測試系統實驗主要由溫度傳感器、溫度變送器、信號采集系統、顯示系統構成。溫度傳感器感受外界溫度得到模擬信號。模擬信號經過溫度變送器的放大濾波傳給AD采集卡。經AD轉換成為一定精度的數字信號存入計算機。硬件示意圖如圖1所示。

圖1 溫度測試系統總體硬件示意圖

1.1 溫度測量模塊

基于測試系統的工作原理選用北京賽億凌科技有限公司溫度傳感器STT-H，測量的溫度范圍為-40℃～+100℃。

溫度變送器采用的J型熱電偶溫度變送［3］，其工作電路圖如圖2所示。在溫度變化時，3路并聯溫度傳感器的輸出信號經過XTR101變為4 Ma～20 Ma，然后再由電流電壓變換器RCV420轉換為0～5 V輸出。為使熱電偶內阻的差異不影響熱電流的，加入了均衡電阻:R1，R2，R3(他們遠大約溫度傳感器的內阻)。

1.2 數據采集卡的選擇

NI Compact RIO是可重新配置的嵌入式控制和采集系統，包括一系列NI推出的RIO FPGA板卡(主要包括NI783X、NI781X、NI785X系列 FPGA板卡)和RIO計算機等產品。NI Compact RIO系統堅固的硬件架構中包含:I/O模塊、可重新配置現場可編程門陣列(FPGA)機箱、嵌入式控制器。本測試系統采用的是NI7831FPGA采集卡，具備8路16 bit AD。針對選定板卡，軟件開發平臺選用NI公司針對NI Compact RIO推出的LabVIEW RIO。其繼承了LabVIEW圖形化編程的特點。其軟件本身基于FPGA的原理構架，包含對IO的配置、時鐘管理、計數器設置、存儲塊設置、常用FIFO設置等功能。在編程時，編程人員可以直觀方便的對上述功能進行操作［4］。

圖2 變送器電路圖

2 溫度測試系統軟件設計

測試系統的核心部分是軟件部分，溫度測試系統共有3路模擬信號輸入，模擬信號輸入管腳選擇Connector0/AI0～Connector0/AI2。每一路 AI可以獨立操作，工作原理相同。以溫度測試系統單通道為例設計其作流程圖如圖3所示。第1步初始化，包括溫度測試AI通道聲明以及系統復位程序。第2步啟動溫度測試通道開關進入數據采集。第3步判斷該溫度測試結束號。第4步，在測試結束后判斷是否退出。

圖3 溫度測試系統單通道軟件流程圖

圖4 溫度測試實驗單路FPGA程序

圖5 通用測試系統溫度測試實驗上位機后面板程序

依據溫度測試系統單通道軟件流程圖，以AI0為例設計單路FPGA溫度采集程［5］如圖4所示。上位機程序如圖5和圖6所示。

圖6 通用測試系統溫度測試實驗界面程序

3 溫度測試系統實驗數據分析

測量永遠不可能得到真值，在估算誤差和評定測量結果時，用“約定真值”代替真值。一般用被測量的公認值。測量值的平均值和高等儀器的測量值作為被測量的“約定真值”［6］。在本系統的誤差評估中，以計量部門提供的恒溫溶液箱的溫度值為“約定真值”。本系統使用恒溫溶液箱進行溫度測量誤差分析，按國家一級溫度標準(-30℃ ～+70℃)每隔10℃測量一點，每點測量10次取平均值。由系統實際測量溫度與“約定真值”對比結果如表1所示。

表1 溫度測試系統實驗數據表℃

按照誤差的來源和性質不同，一般將誤差分為:誤粗大差、隨機誤差、和系統誤差。對本系統而言，粗大誤差只要實驗者采取嚴肅認真的態度，就可以消除;隨機誤差可以通過增加測量次數減少;系統誤差，可以以恒溫溶液箱測得值為標準，采用溫度標定和軟件補償來達到校正的目的。

恒溫溶液箱的精度為0.01℃，而本系統的測量精度為0.1℃，因此偏差均值應該估讀到精度為0.1℃，對應的修正值精度也為0.1℃。表4.5是對所選的10個溫度點修正后溫度偏差值的數據處理圖表。

如表2所示，誤差的大小和符號基本固定不變，系統存在恒定系統誤差0.2℃，此誤差可通過LabVIEW后期進行修正。一般要求實際測溫偏差小于0.05℃［7］。修正后溫度偏差值≤0.04℃，滿足實際測量精度要求。

表2 溫度測試系統實驗修正數據 ℃

4 結語

本溫度測試系統能夠完成對溫度測試的日益提高精度的要求，穩定性好，并通過實驗得到了驗證。該測試系統還具有良好的通用性，由于NI Compact RIO的結構性，可以對本系統做一些修改，用來測試其他項目［8-12］。

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