基于LabVIEW的熱電偶傳感器虛擬仿真實驗系統設計

龐啟　成妍妍　龍翠翠

關鍵詞：熱電偶傳感器;LabVIEW;虛擬仿真

中圖分類號：TP337 文獻標志碼：A

近年來，隨著高等職業院校的增加和招生規模的不斷擴大，對于設備經費投入巨大且儀器設備更新換代較快的高職應用技術型專業，部分學校現有實驗資源已不能完全滿足實踐教學需求。尤其在經濟欠發達地區，部分實驗儀器更新換代速度較慢，同時實驗耗材投入較大，有限的辦學經費已經導致實驗設備陳舊或短缺現象較為普遍，學校整體實驗條件已遠落后于發達地區。當前高職類專業學生中大部分存在基礎不扎實、動手能力弱、學習主動性不強等問題，實驗設備的短缺和落后問題對學生專業實踐能力的提升產生了極大的影響，已不利于學生自身專業知識學習和綜合發展。

LabVIEW以圖形化編程、簡單易操作、可根據實際需要修改虛擬儀器功能等[1]獨特優勢，在測試測量、仿真[2-3]等領域得到了極大的應用。高校實驗教學中，虛擬仿真實驗系統在輔助教學中的應用也越來越多[4-10]，一定程度上彌補了因實驗設備短缺給學生學習帶來的影響。基于LabVIEW軟件的熱電偶虛擬仿真實驗系統中，主要由“數據采集”“數據庫建立”“系數擬合和繪圖”“溫度解調”四個模塊組成，具備仿真溫度數據采集、實時觀測、系數擬合和數據分析等功能。數據觀測采集中，對冷端溫度不為零的情況進行了三種不同方式的修正處理，便于學生觀察冷端溫度對于實驗結果的影響，有助于學生對實驗基本原理的理解和掌握，在傳感器課程的實驗輔助教學中具有積極作用。

1實驗原理

1.1熱電偶工作基本原理

熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉換為電勢變化的裝置，兩種不同的導體（或半導體）材料A和B組成一個閉合回路，若兩個接觸點溫度T 和T 不同，則在回路中產生熱電勢，形成回路電流，如圖1所示。

電路中熱電勢的大小為：

總電勢中，忽略溫差電勢大小，冷端溫度T為恒定值時，熱電勢大小為：

1.2冷端溫度校正

熱電偶傳感器測溫時，均是在冷端溫度保持在0℃的情況下得到的，數據測量中使用的配套電路和相關顯示儀器都是根據這一關系曲線刻度，在冷端溫度不為零的情況下，需要對數值加以修正。

1.2.1熱電勢溫度修正法

若冷端溫度高于0℃，則溫度測量值要小于真實值，為求出真實溫度值，利用中間溫度法則進行修正得：

式（3）中，k為熱電偶修正系數，決定于熱電偶種類和被測溫度范圍，具體數值可以通過查看熱電偶k值表獲取。

2虛擬仿真系統設計

基于LabVIEW軟件平臺，以鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）為研究對象，設計了熱電偶虛擬仿真實驗系統，通過系統前面板的選項卡可以選擇需要的功能。為了模擬真實實驗，在待測溫度中加入了一定的隨機誤差數據，隨機誤差不大于對應參量值的1%，模擬數據為動態數據，每隔1s變化一次。待測溫度值固定時，可以在未對數據進行任何修正的“數據采集”界面，通過調節冷端溫度值觀測冷端溫度變化時電壓值的變化，直接感受冷端溫度的不穩定性對于實驗結果的影響。數據修正后，調節冷端溫度值恒為零，熱端溫度T逐漸升高時，采集多組溫度和電壓數據，建立熱電偶傳感器數據庫，擬合出電壓和溫度曲線系數。也可根據得到的電勢值，對應熱電偶分度表，測出待測溫度值。

2.1數據采集

圖3和圖4為冷端溫度T 不為零時數據采集前面板和程序界面。在采集界面上，冷端溫度可以在溫度計上自由設置，熱端溫度T在兩個表盤上選擇。左端表盤為熱端溫度T≥0 ℃時選用，右端表盤為熱端溫度T<0 ℃時選用，分開選用不同表盤，可以有效避免熱端溫度T 從零下向零上變化時，電壓值和熱端溫度不是完全線性的問題。冷端溫度T恒定，調整T時，可實時觀測到熱電勢的變化。數據采集完成后，在“創建數據庫”界面完成數據儲存，便于后期調用。

2.2數據擬合及分析

“數據庫建立”界面中，根據實驗需求完成對仿真實驗數據的分類儲存。圖5為“系數擬合及繪圖”前面板，該界面上可實現數據調取和系數擬合，在文件選擇處輸入數據儲存路徑，程序運行時，擬合曲線如圖5中所示，各曲線斜率值和截距見表1所列，數據記錄見表2所列。

數據顯示冷端溫度變化時，通過熱電勢溫度修正法、溫度修正法以及冷端溫度自動補償法修正后，擬合出的不同情況下熱電勢E和熱端溫度T的關系曲線基本為線性關系。以鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）電壓值為參考值，熱端溫度相同時，通過三種不同方式修正后的電壓值和參考電壓值趨于相等，基本消除了冷端溫度不為零對實驗結果的影響。其中，熱電勢溫度修正法和冷端溫度自動補償法得到的電壓值更接近于K型熱電偶分度表值，溫度誤差更小。熱端溫度T≥10 ℃時，各曲線線性度最好。

3結束語

基于LabVIEW軟件設計的熱電偶傳感器仿真實驗系統中，完成了冷端溫度的變化對于實驗結果影響的直接數據觀測，完成了冷端溫度修正后的數據采集、擬合和分析。實驗表明，虛擬仿真系統能夠實時反饋熱端溫度變化時熱電勢的變化，基本消除了冷端溫度不為零對實驗結果的影響，實驗效果較好，在傳感器實驗輔助教學中，有助于提升學生對理論知識和實驗原理的理解和掌握，具有一定的應用價值。