1、第15章 熱電偶溫度測量系統(tǒng)的設計15.1 設計任務本設計用K型熱電偶設計量程范圍為0100的溫度顯示器，并在電路設計中加入冷端補償器對冷端溫度進行補償，最后利用LabVIEW設計虛擬儀器顯示測量溫度值。通過本設計必須掌握以下幾點： 了解K型熱電偶測量溫度的方法和電橋補償法 掌握利用熱電偶的原理建立仿真模型 會使用LabVIEW進行編程15.2 電路原理與設計1傳感器模型的建立熱電偶是把溫度轉化為電勢大小的熱電式傳感器。表15-1為K型熱電偶的分度表，這是在冷端溫度為0時測定的數值。對大量數據進行分析，可得熱電偶的數學模型為 （15-1）式中，tR表示測量溫度；tAMR表示測溫參考點。表15-

2、1 K型熱電偶分度表（參考端溫度為0）溫度（）熱電動勢（mV）0102030405060708090000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418

3、.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.709根據式（15-1）在Multisim中建立熱電偶的仿真模型如圖15-1所示。圖15-1（a）所示為熱電偶示意圖；圖15-1（b）所示為測溫參考點即冷端溫度為0時的模型；圖15-1（c）所示為冷端溫度為室溫（25）時的模型。壓控電壓源模擬了式（15-1）的系數。圖15-1 熱電偶模

4、型以上模型只是對熱電偶性能的一個近似，是線性的，而實際熱電偶的特性表明它具有一定的非線性。2溫度補償電路的設計若用熱電偶測量溫度時，熱電偶的工作端（熱端）被放置在待測溫場中，而自由端（冷端）通常被放在0的環(huán)境中。若冷端溫度不是0，則會產生測量誤差，此時要進行冷端補償。本設計的冷端補償采用電橋補償，如圖15-3所示，當熱電偶自由端的溫度升高，導致輸出總電勢降低時，補償器感受到自由端的變化，產生一個電位差，其值正好等于熱電偶降低的電勢，兩者互相抵消以達到自動補償的目的。三極管基極與集電極相連，相當于一個負溫度系數的PN結。三極管可選用9013，由于Multisim器件庫中沒有，選用三極管2N222

5、2代替。圖15-3 電橋補償電橋中R3的值應和R4的值相等，調節(jié)滑動變阻器使上面的左、右兩橋臂的總電阻值也相等，才能使電橋平衡。調整電橋上下兩臂的電阻的比值，可調節(jié)輸出電壓的大小，即補償電壓的大小，合理選擇這個比值，可使補償電路的電壓正好等于熱電偶自由端溫度上升而降低的電壓值，從而起到電壓補償的作用。注意：電橋調零時，應使三極管2N2222的參數測量溫度為0，即此時自由端溫度為0，不用進行溫度補償。補償電路的輸出端接HB/SC連接器，將該電路全部選中，用鼠標右鍵單擊該電路，然后選擇用子電路替換，將該子電路的名稱設為“K”，子電路模塊的兩輸出端分別為補償電路的正、負輸出端。 3放大電路設計放大電

6、路部分與13.2節(jié)的金屬應變片放大電路相似，由儀用放大器和比例放大環(huán)節(jié)組成，如圖15-4所示，其中RW1可調節(jié)儀用放大器的放大倍數，RW2用于電路調零。電路設計好后，要進行電橋、比例放大的調零和增益的調整。圖15-4 放大電路設計4直流穩(wěn)壓源設計電路中的供電電源都采用15V直流電源直接供電。實際應用中，如果希望能通過市電來對電路進行供電，就需要設計直流穩(wěn)壓電路來實現AC/DC的轉換，以及穩(wěn)定供電電壓。直流穩(wěn)壓電源電路如圖15-4所示。220V市電經變壓器輸出24V AC。由于所需直流電壓與電網電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓進行處理。變壓器輸出端接橋式整流器，將

7、正弦波電壓轉換成單一方向的脈動電壓，它含有較大的交流分量，會影響負載電路的正常工作，如交流分量會混入輸入信號被放大電路放大，甚至在放大電路的輸出端所混入的電源交流分量大于有用信號，因而不宜直接作為電子電路的供電電源。解決的辦法是整流橋輸出接入電容構成低通濾波器，使輸出電壓平滑。由于濾波電容容量較大，因此一般均采用電解電容。此時，雖然輸出的支流電壓中交流分量較小，但當電網電壓波動或負載變化時，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。VD2、VD3為輸出端保護二極管，是防止輸出突然開路而加的放電通路。C3、C4屬于大容量

8、的電解電容，一般有一定的電感性，對高頻及脈沖干擾信號不能有效濾除，故在其兩端并連小容量的電容以解決這個問題。穩(wěn)壓電源最后輸出的直流電壓約15V。直流穩(wěn)壓電路的輸出端接HB/SC連接器，將該電路全部選中，用鼠標右鍵單擊該電路，然后選擇用子電路替換，將此子電路的名稱設為“Power”，子電路模塊的兩輸出端分別為直流穩(wěn)壓電路的15V電壓輸出端。圖15-4 直流穩(wěn)壓源電路5綜合電路仿真綜合電路如圖15-4所示，其中K模塊和Power模塊分別為熱電偶及熱電偶補償子電路與直流穩(wěn)壓源子電路模塊。主放大電路的分析方法在第6章已詳細介紹，這里不再重復。下面主要對各子電路模塊進行仿真分析。1）熱電偶及熱電偶補償子

9、電路分析 在圖15-3所示的電橋補償電路中，對三極管2N2222進行溫度參數掃描分析，掃描參數設為temp（溫度），從03每隔1掃描一個值。輸出電壓值為三極管的集電極與發(fā)射極電壓之差，掃描的分析是瞬態(tài)分析。分析的結果如圖15-5所示，溫度每增加1，三極管兩端電壓下降約2mV。圖15-5 PN結負溫度特性補償電橋電路應首先調零，調零的方法是首先雙擊三極管，打開如圖15-6所示的屬性設置對話框，單擊“Edit Model”按鈕，可打開元件模型編輯窗口，如圖15-7所示，將參數測量溫度設為0，然后調節(jié)滑動變阻器RW，使電橋兩輸出端12與IO2之間的電壓近似為0。當自由端溫度（即環(huán)境溫度）為25時，將

10、模擬環(huán)境溫度的V1的值設為25V，將三極管的參數測量溫度設為25，然后對電路進行參數掃描分析，其設置如圖15-8所示，選擇模擬溫度變化的電壓源作為掃描對象，在0100V的范圍內，每隔10V掃描一次，設置掃描直流工作點，輸出變量選擇子電路的兩輸出端之差，如圖15-8（b）所示。掃描結果如圖15-9所示，將該仿真數據與表15-1的K型熱電偶分度表進行比較，可知經補償后，在表15-1所列的各溫度下子電路總的輸出電壓和分度表中的值基本相符。圖15-6 三極管2N2222屬性設置對話框 圖15-7 元件模型編輯窗口（a）分析參數設置 （b）輸出端設置圖15-8 參數掃描設置注意：因仿真中所用的仿真模型只

11、是對熱電偶的近似，所以在自由端溫度為0的情況下，熱電偶模型的輸出電壓值就有誤差，而補償電橋的設計只是保證0時仿真電橋電路的輸出為0，所以仿真子電路輸出的電壓值和K型熱電偶分度表的相應值會有一定誤差。2）直流穩(wěn)壓源子電路分析（1）橋式整流輸出電壓：整流橋輸出接負載后，用示波器觀察波形，如圖15-10所示。正弦波經整流后輸出單一方向的波動。 圖15-9 參數掃描分析結果 圖15-10 整流橋輸出（2）濾波后輸出電壓：整流橋后接濾波器，輸出接電阻后電路輸出波形如圖15-11所示。由圖可以看出，交流成分減小，但仍然存在小的波動。（3）接三端穩(wěn)壓后輸出：接三端穩(wěn)壓后，正端接負載后的輸出電壓如圖15-12

12、所示。輸出電壓基本穩(wěn)定。（4）電壓調整率：輸入220V AC，變化范圍為15%20%，所以電壓波動范圍為176253V。在額定輸入電壓下，當輸出滿載時，調整輸出電阻，使電流約為最大輸出電流，即0.1A，得滿載時電阻為138。當輸入電壓為176V、負載為138時，輸出電壓U1為14.832V；當輸入電壓為220V、負載為138時，輸出電壓Uo為14.839V；當輸入電壓為253V，負載為138時，輸出電壓U2為14.842V。圖15-11 濾波后輸出圖15-12 穩(wěn)壓源輸出取U為U1和U2中相對Uo變化較大的值，則U=14.832，所以電壓調整率：（5）電流調整率：設輸入信號為額定220V AC

13、，當輸出滿載（138）時，輸出電壓Uo為14.839V；當輸出空載時，輸出電壓U為15.26V；當輸出為50%滿載時，輸出電壓Uo為14.98V，所以電流調整率：（6）紋波電壓：在額定220V AC下，輸出滿載，即負載電阻為138時，在示波器中觀察輸出波形，如圖15-13所示。因只選擇了觀察交流成分，所以所觀察到的信號即紋波電壓信號，其峰-峰值為2.143nV。（7）輸出抗干擾電路分析：圖15-14（a）所示為未加抗干擾電路前系統(tǒng)的幅頻響應圖，可以看到交流成分的幅值很小。當輸出加了抗干擾電路后，輸出的幅頻響應如圖15-14（b）所示，可以看到高頻噪聲得到一定程度的抑制。圖15-13 波紋電壓示

14、意圖（a）無抗干擾電路 （b）有抗干擾電路圖15-14 抗干擾電路交流分析電路分析完成后，對電路進行仿真得到實驗結果見表15-3。表15-3 實驗數據溫度/01020304050電壓/mV0.0495317.94615.84323.7431.63739.534溫度/60708090100電壓/mV47.43155.32863.22571.12279.01315.3 LabVIEW虛擬儀器設計1數據顯示子程序設計將15.2節(jié)中表15-3的數據經Matlab多項式擬合后，得式（15-3）： （15-3）反解得到 （15-4）根據式（15-4）可得建立本設計子VI的步驟如下。（1）從開始菜單中運行“

15、National Instruments LabVIEW 8.2”，在“Getting Started”窗口左邊的Files控件里，選擇Blank VI建立一個新程序。（2）框圖程序的繪制：設計的子程序框圖如圖15-15所示。本設計關于數據的轉換采用第三種方法設計程序框圖，用這種方法設計的子程序在接口電路設計時不用考慮數據轉換。由設計2的方法想到利用For Loop進行兩次自動索引，便可以使數據變?yōu)閱蝹€值顯示，這里省去了矩陣索引函數。需要注意的是，后面的數據通道不能設為自動索引，否則輸出將不再是單個數值。圖中Uo為時域信號采集器，它將電壓的波形提取出來，再將連續(xù)電壓值作為VI的輸入。時域信號的

16、采集器由控制模板I/O模塊里的波形函數經矩陣化而成。連續(xù)的電壓波形在外層For循環(huán)內必須加一個波形元素提取模塊把Y值提取出來，否則數據在里層For循環(huán)中不能利用自動索引，達不到數據轉換的目的。根據式（15-4）在里層For循環(huán)中用常數和運算函數構建程序框圖，輸出包括電壓數顯和溫度計。（3）定義圖標與連接器：雙擊右上角圖標進行編輯后，用鼠標右鍵單擊前面板窗口中的圖標窗格，在快捷菜單中選擇“Show Connector”，定義連接。建立前面板上的控件和連接器窗口的端子關聯(lián)。連接器輸入只有一個，與時域波形采集器相關聯(lián)，輸出有兩個，分別與電壓數顯模塊和溫度計相關聯(lián)。完成上述工作后，將設計好的VI保存。

17、下次調用該VI時，圖標與端口如圖15-16所示。圖15-15 子程序框圖2接口電路的設計與編譯子程序設計好后，需要設計接口電路。本設計中接口電路的設計與編譯分以下幾個步驟。（1）把Multisim安裝目錄下Sampling/LabVIEW Instruments/Templates/Input文件夾復制到另外一個地方。（2）在LabVIEW 中打開步驟（1）中所復制的Starter Input Instrument.lvproj工程，如圖15-17。接口電路的設計是在Starter Input Instrument.vit中進行的。 圖15-16 子VI圖標 圖15-17 StarterInp

18、utInstrument .lvproj工程圖（3）打開Starter Input Instrument.vit的框圖面板，完成接口框圖的設計。在數據處理部分，選擇CASE結構下拉菜單中的“Update DATA”選項進行修改。按框圖中的說明，在結構框中用鼠標右鍵選擇“Select a VI”，把在LabVIEW完成的子VI添加在“Update DATA”選項中即可。此時只能添加功能，不可修改框圖面板的原狀，如圖15-18所示。由于數據的轉換在子VI的設計中已經實現，所以子VI的輸入直接與Multisim的輸出數據相連即可。為子VI的輸出創(chuàng)建指示器，并設置室溫T0為“25”?？驁D面板設計好后，

19、在前面板中還需進一步地調整，并用控制模板下的修飾（Decorations）子模板對界面進行美化。最后保存修改，并重命名為proj3.vit。圖15-18 數據處理部分框圖（4）注意，虛擬儀器信息的設置也可在Instrument Template下proj3.vit的程序框圖里設計，如圖15-19所示。打開Multisim Instr Info子程序設置各項，在儀器ID中和顯示名稱中填入唯一的標志，同時把輸入端口數設為“1”，因為只有一個電壓輸入；把輸出端口設為“0”，此模塊不需要向Multisim輸出。修改后選另存為后把它重命名為proj3_multisimInformation.vi。保存后

20、查看工程文件StarterInputInstrument.lvproj下的SubVIs，它下面的子程序已被修改。圖15-19 ID號設置的另一種方法（5）打開Build Specifications，用鼠標右鍵單擊“Source Distribution”，選擇屬性設置，在保存目錄和項目目錄中，都將編譯完成后要生成的庫文件重命名，如proj3（.lib）。同時在原文件設置中選擇總是包括所有包含的條目，如圖15-20所示。屬性設置完成并保存后，再在“Source Distribution”上單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“Build”即可。（6）編譯完成后，在Input文件夾下生成一個Buil

21、d文件夾，打開后把里面的文件復制到Electronics WorkbenchEWB9下的lvinstruments文件夾中，這樣就完成了虛擬儀器的導入，當再打開Multisim時，在LabVIEW儀器下拉菜單下就會顯示所設計的模塊。打開熱電偶的測溫電路，把設計好的顯示模塊接電路輸出，電路調零后得如圖15-21所示的在不同溫度下的驗證結果，可見誤差較小。圖15-20 屬性設置 （a）20 （b）50 （c）70 （d）90圖15-21 顯示結果15.4將Multisim導入Labview1在Multisim中添加LabVIEW交互接口：這些Multisim中的接口是分級模塊(Hierarchic

22、al Block)和子電路(Sub-Circuit)接口(Hierarchical connector)，用來與LabVIEW仿真引擎之間進行數據收發(fā)。1）右鍵點擊鼠標并從彈出的快捷菜單中選擇Place on schematic/Hierarchical connector。如圖13-32所示。放置一個接口在電路圖的左上方，另一個放置在右上方。按照圖13-32將電路與接口連接起來。圖 15-22 選擇交互接口圖 15-23 接口電路2）設置接口：打開View菜單下的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，設置針對LabVIEW的輸入或者輸出。為了將各個接口配置為輸入

23、或者輸出，在模式設置中選擇所需要的選項，然后可以在類型設置中將各個接口設置為電壓或者電流輸出/輸出。最后，如果你想將放置的輸入輸出接口設置為不同的功能對，你可以選擇Negative Connection。將IO1配置為輸入，然后將IO2配置為輸出。如圖15-34所示為設置好的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，圖13-35為即將被Labview調用的Multisim design VI preview圖標。圖15-24設置接口圖15-25設置好的Multisim design VI preview2.在Labview中創(chuàng)建一個數字控制器：要在LabVIEW和Mu

24、ltisim之間傳送數據，首先需要使用LabVIEW中的控制與仿真循環(huán)(Control & Simulation Loop)。這里需要注意的是，Multisim安裝包中沒有這個模塊，需要從 HYPERLINK /labview/cd-sim/zhs/ /labview/cd-sim/zhs/網站下載，然后安裝在Multisim的安裝路徑下。打開Labview的程序框圖（后面板），右鍵點擊，打開函數選板，瀏覽到Control Design & SimulationSimulationControl & Simulation Loop。左鍵點擊，并將其拖放到程序框圖上。如圖15-26所示。圖 15

25、-26放置控制與仿真模塊2）要修改控制仿真循環(huán)的求解算法和時間設置，雙擊輸入節(jié)點，打開Configure Simulation Parameters窗口。輸入如圖15-27的參數；在這些選項中使用本文后面提供參數，可以有效地在LabVIEW的波型圖表中顯示數據。也可以根據自己的需求改變這些參數。圖15-27 節(jié)點參數設置3）在VI中添加仿真掛起(Halt Simulation)函數來停止控制仿真循環(huán)。右鍵點擊，打開函數選板，瀏覽到Control Design & SimulationSimulationUtilitiesHalt Simulation。左鍵點擊，并將其拖放到程序框圖上，然后在布

26、爾輸入上右鍵點擊并選擇CreateControl。這樣就可以在VI的前面板上創(chuàng)建一個布爾控件來控制程序的掛起，來停止仿真VI的運行。如圖15-28所示。圖15-28添加 Halt Simulation函數3. 放置Multisim Design VIMultisim Design VI是管理LabVIEW和Multisim仿真引擎之間通訊的。1）右鍵點擊，打開函數選板，瀏覽到Control Design & SimulationSimulation External Models Multisim Multisim Design，左鍵點擊，并將其拖放到控制與仿真循環(huán)之中，注意，這個VI必須放置

27、到控制仿真循環(huán)中。將Multisim Design VI放置到程序框圖上以后，會彈出選擇一個Multisim設計（Select a Multisim Design）對話框。在對話框中你可以直接輸出文件的路徑，或者瀏覽到文件所在的位置來進行指定。如圖15-29所示。圖15-29放置Multisim design VI previewMultisim Design VI會生成接線端，接線端的形式與Multisim環(huán)境中的Multisim Design VI預覽一致，具有相對應的輸入與輸出。如果接線端沒有顯示出來。左鍵點擊下雙箭頭，展開接線端。2）調用Labview子VI：在Labview的程序框圖中，打開函數選板，選擇前面設計好的子VI，放在控件與仿真循環(huán)中。如圖15-30所示。圖15-30 調用子VI3）分別為Multisim Design VI和Labview子VI創(chuàng)建輸入和顯示控件。右鍵點擊輸入接線端，然后選擇Create Control來完成創(chuàng)建命令。如圖15-31所示。圖15-31 創(chuàng)建輸入及顯示控件4）連接Multisim Design VI和Labview子VI：這里涉及到數據匹配問題，打開Labview的即時幫助，可以看到Labview子VI的輸入端需要接入的數據類型。如圖15-32所示。圖15-32 即時幫助由即時幫助我們知道，Labview子V