基于K型熱電偶的溫度測量系統及實驗研究

王利，楊斌，伍先明，謝江懷，王鵬程，李俏

（廣東理工學院，廣東肇慶526100）

檢測與測試

基于K型熱電偶的溫度測量系統及實驗研究

王利，楊斌，伍先明，謝江懷，王鵬程，李俏

（廣東理工學院，廣東肇慶526100）

針對K型熱電偶測溫的特性結合虛擬儀器技術和熔融沉積成型設備的實際工況，并考慮實驗的可操作性，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺，通過熱電偶冷端補償的方法設計了一種可靠性高、用途廣泛的溫度測量系統，該系統的設計對虛擬儀器技術在快速成型溫度測量領域的應用具有一定的借鑒和參考價值。

虛擬儀器；LabVIEW；熱電偶;溫度測量；快速成型

熱電偶作為使用最廣泛的測溫元件之一，具有結構簡單、制造容易、穩定性好、使用方便、靈敏度高等優點，熱電偶測溫一般由熱電偶、顯示儀表、連接導線三部分組成。K型熱電偶作為一種溫度傳感器，由鎳鉻-鎳硅兩種不同材料的導體構成回路，當加熱熱電偶的熱端時，會使其冷、熱端的溫度不同，繼而在熱電偶的回路中產生熱電勢，其可以用來直接測量0℃～1 300℃范圍的液體蒸汽、氣體以及固體表面的溫度。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種有效的方法，然而隨著現代測試技術不斷發展，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺的虛擬儀器測量技術在現代測控領域扮演著越來越重要的角色[1]。

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling）3D增材打印技術作為3D打印的主要方式，具有成型快、綠色環保、成本低等優點[2]。熔融沉積造型將半流動狀態的材料按CAD分層數據控制的路徑逐層擠出堆積并凝固成型[3]。溫度對成型過程的產品質量和精度有著重要的影響，因此如何將熱電偶測溫技術與虛擬儀器技術相結合在快速成型溫度測試領域里進行應用成為一個新課題。針對上述問題，本文采用虛擬儀器平臺設計了熱電偶溫度測量系統，基于LabVIEW和Proteus軟件平臺的虛擬儀器對快速成型過程的溫度信號進行自動采集、報警、分析、保存等，中間過程不需人工參與，簡化了操作步驟，與傳統儀器相比具有更廣闊的應用前景。

1 系統測溫原理及總體設計

式中，k為波爾茲曼常數；e為電子電荷量，nA、nB為A、B材料的自由電子密度；σA、σB為A、B材料的湯姆遜系數[5]。

由于熱電偶的標準分度表是在其冷端溫度T0為0℃的條件下測的熱電勢，只有滿足T0=0℃的條件下才能使用分度表，根據中間溫度定理[6]：

式中，完成冷端補償；EAB（T，0）為冷端補償后的熱電勢；EAB（T，T0）為直接測量得出的熱電勢；EAB（T0，0）為冷端溫度T0相對0℃的熱電勢。

1.2 系統總體設計

系統的總體結構如圖1所示，主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括數據采集卡、熱電偶、調理電路、計算機，軟件基于LabVIEW和Proteus軟件平臺作為開發平臺。

1.1 熱電偶測溫原理

熱電偶測溫原理為賽貝克效應，當兩個接觸點的溫度不同時，由兩種不同導體組成的回路中就會產生熱電動勢EAB（T，T0）[4]：

圖1 系統總體結構

2 系統軟件設計

熱電偶溫度測量系統軟件是基于LabVIEW和Proteus軟件平臺作為開發平臺，LabVIEW是基于圖形化G語言的一款測試系統開發工具[7]，Proteus是將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。該溫度測量系統軟件包括溫度數據采集模塊、溫度監測模塊、熱電偶冷端補償模塊等，主要完成數據的采集、處理、顯示、冷端補償、存儲等功能。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊采用PCI-2300采集卡，采集卡集成了數據采集接口模塊、數組模塊、首末通道設置模塊。數據采集接口讀取數據的方式為批量讀取，數組的功能是將一個通道作為一個集合傳遞給數據采集接口，首末通道的功能是在數據采集時用來指定一路或多路通道采集。

2.2 溫度監測模塊

溫度監測模塊主要實現對數據的處理、分析、顯示、存儲等功能。實際應用中，溫度信號混有一些尖峰或非平穩的白噪聲信號，小波分析能同時在時頻域內對信號進行分析，有效地去除噪聲[8]。

軟件部分要執行的任務主要包括儀表參數的設置與讀取、數據采集與實時顯示、數據分析與結果保存等。圖2所示的是K型熱電偶溫度測量系統電路圖，圖3所示的是熱電偶溫度采集程序框圖，圖4所示的是溫度測量系統界面，系統需要設置的參數有存儲文件名、采樣時間、一次采樣組數和采樣率，最后的結果以lvm文件保存，熱電偶的溫度值將在趨勢圖上進行實時顯示，溫度平均值通過界面仿真溫度計和數碼管顯示，單擊開始將進入下一次的采樣階段，單擊停止則程序終止結束采樣。

圖2 K型熱電偶溫度測量系統電路圖

圖3 熱電偶溫度采集程序框圖

圖4 溫度測量系統界面

3 系統實驗研究

3.1 實驗方案

為了驗證系統的可應用性，利用該系統對熔融沉積成型試件冷卻過程的溫度進行了測試，每組的溫度數據均在面板上實時顯示，由于當熱電偶測得的電壓信號受到零點漂移或電磁干擾的影響，會引起溫度信號的上下跳動，為了避免由此帶來的測量誤差，因此將實驗測試采樣率設置為1 Hz，采樣組數為10組，每組100個數據，取每組數據的算術平均值為測溫系統的溫度測試結果，以此減少跳動誤差對測量結果帶來的影響，系統采樣結束后結果將會自動進行保存。

實驗方案采用自主設計的熱電偶溫度測量系統對熔融沉積成型試件冷卻過程的溫度進行了測試，圖5所示的是測溫實驗設備連接示意圖。

圖5 測溫實驗設備連接示意圖

3.2 實驗結果

實驗采用了2組熱電偶，一組熱電偶連接在系統數據采集卡上，使用自主設計的熱電偶溫度測量系統進行測溫，另一組熱電偶連接在數字顯示儀上，數字顯示儀會將測得的溫度實時進行顯示。K型熱電偶測溫系統實驗數據如表1所示，測溫系統實驗整體布局如圖6所示。通過對測試過程中兩組熱電偶測得的溫度進行對比分析，實驗結果表明測溫系統的測量誤差小于±0.5℃，具有較好的穩定性和測量精度。

表1 K型熱電偶測溫系統實驗數據

圖6 測溫系統實驗整體布局

4 結束語

通過系統的實驗可知，該系統動態特性良好，輸出結果可靠，實驗結果表明，系統可以完成溫度采集、信號處理、數據存儲等功能，利用LabVIEW和Proteus軟件平臺結合熱電偶冷端補償電路可以實現較高精度的溫度測量和具有良好的人機界面，系統不僅適合于K型熱電偶，進行改進后還可以滿足其他類型熱電偶的測溫需要。基于LabVIEW軟件平臺的虛擬儀器技術正成為現代測控技術的發展方向，引領著現代測試技術向高速采集、方便快捷、性能穩定、人機交互界面友好的方向發展。

[1]靖蘇銅，趙福堂.基于LabVIEW的熱電偶溫度測量系統[J].儀表與計量技術，2005（6）：37-39.

[2]余東滿，李曉靜，王笛.熔融沉積快速成型工藝過程分析及應用[J].機械設計與制造，2011（8）：65-67.

[3]閆東升，曹志清，孔改榮.FDM工藝送絲驅動機構的摩擦驅動力分析[J].北京化工大學學報，2003，30（3）：71-73.

[4]石明江，張禾，何道清.基于K型熱電偶數據擬合的溫度測量系統設計[J].制造業自動化，2012（7）：122-124.

[5]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京：科學出版社，2006. [6]沙占權，葛家怡，王彥朋.熱電偶冷端溫度補償電路的優化設計[J].電測與儀表，2003，451（7）：26-28.

[7]劉偉，申焱華，黃夏旭.基于虛擬儀器的熱電偶溫度測試與分析系統[J].自動化儀表，2007，28（3）：65-69.

[8]付立華，王剛，張曉玫.基于LabVIEW的溫度監測系統及軟件設計[J].河南工程學院學報，2014，26（1）：67-70.

Temperature Measurement System and Experimental Research Based on K-type Thermocouple

WANG Li，YANG Bin，WU Xian-ming，XIE Jiang-huai，WANG Peng-cheng，LI Qiao
（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing Guangdong 526100，China）

According to the characteristics of K type thermocouple measurement combined with the virtual instrument technology and actual working conditions of fused deposition molding equipment，and taking into account the experimental operation，by the way of thermocouple cold junction compensation，a highly reliable，widely used temperature measurement system was designed based on the LabVIEW and Proteus software platform. The design of system has certain reference value for the application of virtual instrument technology in the field of rapid prototyping temperature measurement.

virtual instrument；LabVIEW；thermocouple；temperature measurement；rapid prototyping

TP212；TP274

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0201-03

廣東理工學院機械設計制造及其自動化專業綜合改革試點項目（編號：ZYGG2015001）

王利（1987-），男，四川內江人，碩士，助教，研究方向為數字化設計與制造；楊斌（1970-），男，遼寧撫順人，副教授，碩士，研究方向為自動控制。