基于LabVIEW的便攜式溫度測量裝置的研究

陳洪俠 張海波 高巍

黑龍江省計(jì)量檢定測試院幾何量所, 哈爾濱 150036

基于LabVIEW的便攜式溫度測量裝置的研究

陳洪俠 張海波 高巍

黑龍江省計(jì)量檢定測試院幾何量所, 哈爾濱 150036

介紹一種基于LabVIEW的便攜式溫度測量裝置（以下簡稱《裝置》），主要包括裝置的整體設(shè)計(jì)及其數(shù)據(jù)采集卡的穩(wěn)定性測試。該裝置具有便攜、高效、可移植性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

LabVIEW；虛擬儀器；溫度測量；數(shù)據(jù)采集

引言

現(xiàn)今溫度在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源以及人們的日常生活中均起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)體積龐大，所需要的硬件設(shè)備較多，使用時(shí)受人員、地點(diǎn)、空間等諸多因素的影響較大。而虛擬儀器技術(shù)的易開發(fā)、靈活性強(qiáng)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，將其和傳統(tǒng)測量系統(tǒng)結(jié)合起來，就可以利用虛擬儀器技術(shù)［1］并結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，來完成數(shù)據(jù)采集和處理功能，還可以根據(jù)用戶自身的需要來對系統(tǒng)的功能和作用進(jìn)行自我定義和修改，節(jié)省了大量的人力、物力，使得對于數(shù)據(jù)采集和處理變得更加簡單、方便。

1 裝置的整體配置

《裝置》的硬件采用8槽NI cDAQ-9172機(jī)箱，內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集卡4塊NI 9217，NI 9217連接的溫度傳感器可采用四線制鉑電阻，可實(shí)現(xiàn)1～15路溫度測量?！堆b置》設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

圖2 裝置的前面板

《裝置》的軟件設(shè)計(jì)也是該裝置的核心部分采用NI公司的LabVIEW軟件［2］開發(fā)平臺完成的。所實(shí)現(xiàn)的功能有：1）溫度物理信號的采集；2）測量數(shù)據(jù)的計(jì)算處理；3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；4）測量報(bào)告的自動生成等。程序的前面板及部分框圖如圖2和圖3所示?？梢钥闯觯懊姘寰哂辛己玫?、簡潔的“人機(jī)對話”功能［3］，使用者可以輕松的設(shè)定各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)采集卡穩(wěn)定性測試

為了驗(yàn)證《裝置》的穩(wěn)定性，我們對溫度采集卡“NI9217”進(jìn)行了長期考核。

“NI9217”這塊數(shù)據(jù)采集卡自帶了信號調(diào)理部分（激勵(lì)電流源、工頻內(nèi)置去噪）所以很容易實(shí)現(xiàn)四通道3線或4線RTD溫度測量，特別適合現(xiàn)場使用。我們在便攜式溫度測量裝置中（cDAQ）使用了四塊該模塊，構(gòu)成15通道溫度測量裝置，并用其閑置的一個(gè)測量通道來考核該模塊的長期穩(wěn)定性。

這里所說的長期穩(wěn)定性是指：在環(huán)境溫度為20±5℃的條件下，考察半年或一年的測量數(shù)據(jù)的相對變化情況（模擬一個(gè)溫度測量）。

2.1 測量方法如下：

2.1.1 選擇一個(gè)精密電阻

精密電阻選用北京718廠生產(chǎn)的RII-8型1/4W金屬鉑電阻。電阻的標(biāo)稱值為150歐；溫度系數(shù)為5ppm/℃。這樣就可以忽略了環(huán)境溫度變化對模擬溫度測量的影響。

2.1.2 將這個(gè)電阻按4線制的方式接入NI 9217的測量通道，來模擬溫度測量。

2.1.3 長期測量記錄模擬溫度的測量值，分析最后的結(jié)果。

測量條件：采樣速率：10次/秒，沒有采用去噪功能。

用精密電阻模擬4線溫度測量，大約每隔一、兩天記錄測量結(jié)果一次（節(jié)假日除外），測量進(jìn)行了20個(gè)星期，測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度采集卡穩(wěn)定性測試前面板

2.2 測試結(jié)果我們得出以下結(jié)論：

2.2.1 NI 9217在環(huán)境溫度為（20±5）℃時(shí)的長期穩(wěn)定性很好，測試期間經(jīng)歷了夏季和冬季供暖期室溫的變化。從測量數(shù)據(jù)來看，板卡測量通道包括信號調(diào)理部分對環(huán)境的適應(yīng)能力都很理想，20個(gè)星期的變化量為0.01℃。

2.2.2 有望提高溫度的測量精度

NI 9217技術(shù)手冊［4］給出的溫度測量準(zhǔn)確度是：（0.15～0.20）℃（環(huán)境溫度：（25±5）℃），若對鉑電阻進(jìn)行溫度誤差修正，可以將溫度測量精度提高到0.1℃。在小溫差測量方面更具價(jià)值。

2.2.3 不足

由于測量條件的限制，不能考核環(huán)境溫度變化更大時(shí)的影響。試驗(yàn)僅針對的是某個(gè)模塊的某一通道。

由于電阻溫度系數(shù)的影響，測量結(jié)果包含了這個(gè)影響在內(nèi)，但是20個(gè)星期的變化量為0.03℃這個(gè)結(jié)論還是可信的。

3 總結(jié)

該《裝置》的主要技術(shù)特點(diǎn)：

3.1 應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，體現(xiàn)了“軟件就是儀器”

LabVIEW圖形化的設(shè)計(jì)方法，不僅提供簡潔的程序設(shè)計(jì)手段、降低了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，同時(shí)在程序的GUI設(shè)計(jì)［5］和數(shù)據(jù)處理能力上也提供了強(qiáng)大的支持，分析結(jié)果顯示更加直觀、明確。

3.2 應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，硬件電路設(shè)計(jì)得到最簡化

《裝置》的硬件設(shè)計(jì)，采用了高性能、簡單的數(shù)據(jù)采集模塊，所以幾乎無需設(shè)計(jì)硬件電路。因此，《裝置》實(shí)現(xiàn)、替代了傳統(tǒng)測試時(shí)使用的多種儀器，大大降低測試系統(tǒng)費(fèi)用。

3.3 便攜、靈活、可移植性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)，可滿足現(xiàn)場測試需求

到現(xiàn)場測量只須攜帶筆記本電腦、《裝置》機(jī)箱以及溫度傳感器即可完成，且即插即用方便靈活，給現(xiàn)場檢定工作帶來了極大的方便。所選數(shù)據(jù)采集卡可測多個(gè)參數(shù)，如需測量其他參數(shù)只需更改軟件即可實(shí)現(xiàn)。

因此該裝置具有便攜高效、性能穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場測試要求、可擴(kuò)展性及可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于有溫度測試要求的各個(gè)行業(yè)。

[1]楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW的程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005

[2]National Instruments Co,LabVIEW Programmer Reference Manual[Z].1998

[3]陳洪俠，范龍江.基于虛擬儀器技術(shù)的三相工頻諧波信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)量技術(shù)，2010（2）; 19～21

[4] NI 9217Operating Instructions and Specifications[Z].2008

[5]阮奇楨.我和LabVIEW.[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.066