LabVIEW平臺上的溫度自動檢測裝置研究

張光華，栗 健，趙 玲

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學計算機與信息科學技術學院，黑龍江 大慶 163318)

LabVIEW平臺上的溫度自動檢測裝置研究

張光華1，栗 健1，趙 玲2

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學計算機與信息科學技術學院，黑龍江 大慶 163318)

針對油田開發的技術需求，分析了溫度檢測裝置的總體結構，探討了溫度檢測裝置系統的編寫程序及功能原理，構建了基于虛擬儀器LabVIEW的溫度自動檢測裝置系統。根據相關信號參數，對比了現有的溫度檢測裝置的特點。在油田開發作業中，溫度檢測技術的提高不僅關系到油田生產活動，更是推動其生產效率提升的重要基石。研究表明，當油田的周邊環境溫度發生改變時，晶體參數就會發生改變，使得靜態工作點變得不穩定，嚴重時還會導致電路停止正常的工作。結合LabVIEW技術，對溫度檢測裝置進行系統測試后，證明了該新型溫度檢測裝置能夠實現多臺溫度儀表的同時檢測、多檢測點不間斷檢測，以及溫度儀表檢測的自動化和對電信號的采集。

LabVIEW； 溫度檢測； 虛擬儀器； 自動化； 信號采集； 檢測裝置； 數據轉換； 人機界面

0 引言

溫度是工業生產和科學研究試驗中的一項重要參數[1]，其不僅廣泛應用于工農業，也同樣應用于醫療、國防等領域。在各種工程項目中，溫度是不可或缺的參數[2]。溫度檢測技術是目前各種檢測技術的重點之一，其在檢測產品質量、產業安全等方面發揮了重要作用[3]。隨著科學技術的進步，溫度檢測技術更是具備了對溫度參數進行統計等新功能[4]。在溫度檢測的領域中，與虛擬儀器技術相結合，所研制的基于虛擬儀器的溫度檢測系統已成為重要的組成部分[5]。

本文通過LabVIEW平臺，完成對溫度信號的數據采集處理以及圖形顯示，從而實現對傳感器儀表的數據檢測[6]。

1 溫度檢測系統檢測過程及組成

1.1 溫度檢測系統檢測過程

首先通過控制器收集實時溫度參數，對收集到的參數進行一系列處理后傳輸給上位機。使用虛擬儀器LabVIEW進行控件讀取，通過串口讀出溫度參數，并在進行格式轉換的同時在前面板上顯示，還可以進一步實現轉換成華氏溫度等操作；通過對采集卡接收的信號進行數據處理、圖形顯示，并將采集處理后的數據與檢驗檢測綜合信息系統共享，實現了儀表檢驗檢測的自動出證。

1.2 溫度檢測系統組成

基于LabVIEW，以PC為上位機、控制器為下位機構建試驗裝置。

試驗裝置總體方案如圖1所示。

圖1 試驗裝置總體方案示意圖

由圖1可知，溫度檢測系統主要是由待測儀表、標準器、機電輔助、供電系統以及數據采集系統組成的。首先，將待測儀表安放到卡盤上，通過信號線快速連接頭完成儀表與接線背板的連接。然后，在機電輔助系統的控制下，待測儀表依次進入恒溫箱中進行溫度測定。在測定時，需注意對待測儀表的溫度、電流、電阻以及標準器的溫度進行數據收集。通過數字/模擬轉換后，使之成為數據采集卡需要收集的信號，并交給軟件系統進行最終處理。

溫度檢測系統的原理如圖2所示。

圖2 溫度檢測系統原理示意圖

2 虛擬儀器及LabVIEW

2.1 虛擬儀器

虛擬儀器是在計算機、現代測控以及信號處理等諸多技術的基礎上，由電子測量技術與計算機技術深度聯系、結合之后產生。其代表了測控技術的發展方向[7]，也是最具發展前景的電子儀器之一[8]。其基于通用PC建立的可編程儀器及系統[9]，不再依托復雜的編程過程，而是采用新型的圖形化的編程形式，根據工程的實際需求構建虛擬的測量儀器與信號分析處理軟件[10]。虛擬儀器的產生帶動了計算機的發展，使其能夠通過程序實現一部分硬件的功能[11]。

虛擬儀器是一種以計算機為核心的硬件平臺[12]，是由硬件和應用軟件相互結合而實現的，硬件是其構成的基礎。它的硬件主要是由硬件接口電路以及計算機兩部分組成，其中硬件接口電路主要負責對測量到的輸入信號進行處理；而計算機則主要負責對數據的分析和處理。

應用軟件是虛擬儀器中必不可少的組成部分，要組成完整的基于虛擬儀器的軟件系統，則必須包括I/O接口軟件、驅動程序和應用軟件三個部分，缺一不可。其中，I/O接口軟件不但是I/O接口設備與驅動程序之間的必要溝通橋梁，而且是未來實現虛擬儀器的開放和統一的基礎和核心；應用軟件可以通過驅動程序完成對虛擬儀器的操控；驅動程序的本質為運用，其通過調用I/O軟件提供的函數數據庫VISA來完成對虛擬儀器的日常管理以及操控，所以，驅動程序是應用程序與I/O軟件的紐帶[13]。

2.2 LabVIEW

虛擬儀器中的應用軟件配套開發環境大致分為兩種類型：一種是適合具有豐富編程經驗人員的文本語言式平臺；另一種則是目前主流的、由NI公司創造的圖形化編程平臺——LabVIEW。

虛擬儀器LabVIEW屬于程序開發環境，其總體上類似于C語言以及BASIC開發環境[14]，但其本質是圖形化的編程軟件。目前來看，LabVIEW是國際上使用較為廣泛、集數據采集以及控制開發于一體的開發環境之一，是具有代表性的圖形化編程語言[15]。它對各種函數進行采集、分析和存儲[16]，具有數據采集、數據分析、信號生成、信號處理以及輸入輸出控制等多種功能。相比于傳統文本，它的界面更加直觀和友好[17]。在LabVIEW程序中，有前面板以及程序框圖兩個基本部分，其中前面板用來直觀顯示數據、時間等用戶所需的信息，而所編寫的程序則是位于程序框圖內[18]。

虛擬儀器LabVIEW最初是為了方便測試測量而設計的，現在LabVIEW廣泛應用于測試測量領域。目前，大多數的主流測試儀器及數據側及設備都具備專用的LabVIEW驅動程序，廣大用戶也應用著測試測量領域中各種不同類型的LabVIEW程序工具包，這使得程序開發更加方便快捷。

3 系統結構

3.1 硬件結構

硬件系統結構如圖3所示。

圖3 硬件系統結構示意圖

硬件系統實現對待測儀表溫度、電流和電阻以及標準器電阻、溫度等信號的采集。對于溫度變送器來說，溫度的測量過程就是對電流信號的測量。首先，將測得的溫度信號轉化為電流信號，并送入放大濾波電路進行處理；然后，把處理后的信號送入采集卡中的模擬輸入端，由A/D采集卡選擇通道，把接收到的模擬信號轉變成計算機能夠分辨的數字信號；最后，將數字信號經過輸出通道傳入計算機作后續處理。溫度檢測的硬件設備主要包含了控制器、串口等。

3.2 軟件功能

溫度檢測裝置通過對溫度儀表進行參數采集，并與標準的鉑電阻溫度計進行溫度對比，實現對待檢的溫度儀表的檢測。

軟件系統總體設計框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統總體設計框圖

系統軟件系統所要實現的具體功能如下。

①基礎數據庫的錄入、維護，如試驗參數、文檔路徑、待測儀表的參數、標準器電阻參數等；

②被檢儀表與標準器參數曲線的實時顯示；

③采集數據的存儲、讀取；

④被檢儀表與標準器的數據對比和實時顯示；

⑤數據的處理、共享使用以及數據的打印和輸出功能。

其中，數據的采集、顯示及處理是系統軟件功能的重要構成部分。

首先，數據采集是該裝置實施的關鍵和保證。若要正確地完成溫度儀表的檢測，就必須準確地采集被檢儀表的電阻、電流、溫度以及標準器的溫度值，并對其作詳細的對比。收集溫度參數時還需要對收集的溫度參數進行儲存，在儲存時可以改變它的儲存路徑[19]。

然后，將系統收集到的溫度參數傳入溫度顯示系統進行參數處理[20]。數據顯示模塊主要完成被檢儀表和標準器參數的實時顯示以及曲線對比顯示等功能。它將采集的數據實時顯示，并且繪制出每個被檢溫度儀表和標準器之間的實時曲線對比圖，從而直觀地顯示每個被檢溫度儀表的實時狀態。

最后，數據導出模塊主要完成處理后的被檢溫度儀表的實時數據存儲、數據導出、曲線打印和數據共享功能，并與檢驗檢測綜合信息管理系統互聯互通，實現溫度儀表檢測的自動出證。

4 系統測試及結果分析

4.1 系統測試

在所設計的溫度檢測裝置中，用五塊測溫表對設定好溫度的恒溫箱進行溫度測量，隨后收集測量所得溫度并與恒溫箱的設定溫度進行對比。

溫度檢測裝置結構如圖5所示。

圖5 溫度檢測裝置結構示意圖

為了取得更準確的測量數據，本文在測量時采用了多路測量的方法。表1為恒溫箱的設定溫度以及五塊測量表的檢測溫度值的對比情況。

表1 溫度數值對比

4.2 結果分析

由表1可以看出在一段時間內溫度的變化情況，通過分析表中數據可知基于LabVIEW的溫度自動檢測系統程序的準確性。通過觀察恒溫箱與測溫表的溫度數值對比，可以準確得知在檢測時間內溫度的數值，證明構建的溫度檢測系統實現了溫度的實時監測、自動存儲等預期的功能。該系統運行平穩、采集時間設定靈活，可以應用于不同領域的溫度檢測。

5 結束語

本文設計了一套溫度儀表自動化檢測裝置，通過對接收的信號進行數據處理、圖形顯示，同時采集處理后的數據與檢驗檢測綜合信息系統進行共享，實現了儀表檢驗檢測的自動出證。該溫度檢測裝置不但能科學、合理地檢測溫度，而且可以通過自動化技術避免油田開發中由于溫度漂移所造成的不必要的資源浪費，提高了參數準確率，提升了產業效率。

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Study on the Automatic Temperature Detection Device Based on LabVIEW

ZHANG Guanghua1，LI Jian1，ZHAO Ling2

(1.School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.School of Computer and Information Science and Technology,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Aiming at the technical requirements of oil field development,the overall structure of temperature detection device is analyzed,the programming procedures and functional principle of temperature detecting system are discussed,and the temperature detecting device based on the virtual instrument LabVIEW is constructed.According to the relevant signal parameters,the features of existing temperature detecting devices are compared.In the development operations of oil field，the improvement of temperature detection technology is not only related to the significance of oil production activities,but also is an important cornerstone to promote the production efficiency.Researches show that the parameters of crystal may be changed when ambient temperature of oil field changes,thus the static operating point becomes unstable,and in severe cases,it may lead the circuits to stop working.Combining with LabVIEW,the systematic test of temperature detecting device is conducted,the results show that the multiple sets of temperature instruments can be detected by this new type of temperature detection device at the same time; and the uninterrupted detection of multiple detection points,and the automatic detection of temperature instruments and the collection of electrical signals can be realized.

LabVIEW；Temperature detection；Virtual instrument；Automation; Signal acquisition；Detection device; Data conversion; Human-machine interface

大慶市指導性科技計劃項目(zd-2016-061)

張光華(1979—)，男，博士，副教授，主要從事自動控制、信號處理以及無線通信方向的研究。E-mail：dqwzh@126.com。 栗健(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事電子通信工程方向的研究。E-mail：lidaolijian@163.com。

TH-39;TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706017

修改稿收到日期:2017-03-27