基于K型热电偶的温度测量系统及实验研究

王利，杨斌，伍先明，谢江怀，王鹏程，李俏

（广东理工学院，广东肇庆526100）

检测与测试

基于K型热电偶的温度测量系统及实验研究

王利，杨斌，伍先明，谢江怀，王鹏程，李俏

（广东理工学院，广东肇庆526100）

针对K型热电偶测温的特性结合虚拟仪器技术和熔融沉积成型设备的实际工况，并考虑实验的可操作性，基于LabVIEW和Proteus软件平台，通过热电偶冷端补偿的方法设计了一种可靠性高、用途广泛的温度测量系统，该系统的设计对虚拟仪器技术在快速成型温度测量领域的应用具有一定的借鉴和参考价值。

虚拟仪器；LabVIEW；热电偶;温度测量；快速成型

热电偶作为使用最广泛的测温元件之一，具有结构简单、制造容易、稳定性好、使用方便、灵敏度高等优点，热电偶测温一般由热电偶、显示仪表、连接导线三部分组成。K型热电偶作为一种温度传感器，由镍铬-镍硅两种不同材料的导体构成回路，当加热热电偶的热端时，会使其冷、热端的温度不同，继而在热电偶的回路中产生热电势，其可以用来直接测量0℃～1 300℃范围的液体蒸汽、气体以及固体表面的温度。通过热电偶冷端补偿进行温度测量是一种有效的方法，然而随着现代测试技术不断发展，基于LabVIEW和Proteus软件平台的虚拟仪器测量技术在现代测控领域扮演着越来越重要的角色[1]。

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling）3D增材打印技术作为3D打印的主要方式，具有成型快、绿色环保、成本低等优点[2]。熔融沉积造型将半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径逐层挤出堆积并凝固成型[3]。温度对成型过程的产品质量和精度有着重要的影响，因此如何将热电偶测温技术与虚拟仪器技术相结合在快速成型温度测试领域里进行应用成为一个新课题。针对上述问题，本文采用虚拟仪器平台设计了热电偶温度测量系统，基于LabVIEW和Proteus软件平台的虚拟仪器对快速成型过程的温度信号进行自动采集、报警、分析、保存等，中间过程不需人工参与，简化了操作步骤，与传统仪器相比具有更广阔的应用前景。

1 系统测温原理及总体设计

式中，k为波尔兹曼常数；e为电子电荷量，nA、nB为A、B材料的自由电子密度；σA、σB为A、B材料的汤姆逊系数[5]。

由于热电偶的标准分度表是在其冷端温度T0为0℃的条件下测的热电势，只有满足T0=0℃的条件下才能使用分度表，根据中间温度定理[6]：

式中，完成冷端补偿；EAB（T，0）为冷端补偿后的热电势；EAB（T，T0）为直接测量得出的热电势；EAB（T0，0）为冷端温度T0相对0℃的热电势。

1.2 系统总体设计

系统的总体结构如图1所示，主要由硬件和软件两部分组成，硬件包括数据采集卡、热电偶、调理电路、计算机，软件基于LabVIEW和Proteus软件平台作为开发平台。

1.1 热电偶测温原理

热电偶测温原理为赛贝克效应，当两个接触点的温度不同时，由两种不同导体组成的回路中就会产生热电动势EAB（T，T0）[4]：

图1 系统总体结构

2 系统软件设计

热电偶温度测量系统软件是基于LabVIEW和Proteus软件平台作为开发平台，LabVIEW是基于图形化G语言的一款测试系统开发工具[7]，Proteus是将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。该温度测量系统软件包括温度数据采集模块、温度监测模块、热电偶冷端补偿模块等，主要完成数据的采集、处理、显示、冷端补偿、存储等功能。

2.1 数据采集模块

数据采集模块采用PCI-2300采集卡，采集卡集成了数据采集接口模块、数组模块、首末通道设置模块。数据采集接口读取数据的方式为批量读取，数组的功能是将一个通道作为一个集合传递给数据采集接口，首末通道的功能是在数据采集时用来指定一路或多路通道采集。

2.2 温度监测模块

温度监测模块主要实现对数据的处理、分析、显示、存储等功能。实际应用中，温度信号混有一些尖峰或非平稳的白噪声信号，小波分析能同时在时频域内对信号进行分析，有效地去除噪声[8]。

软件部分要执行的任务主要包括仪表参数的设置与读取、数据采集与实时显示、数据分析与结果保存等。图2所示的是K型热电偶温度测量系统电路图，图3所示的是热电偶温度采集程序框图，图4所示的是温度测量系统界面，系统需要设置的参数有存储文件名、采样时间、一次采样组数和采样率，最后的结果以lvm文件保存，热电偶的温度值将在趋势图上进行实时显示，温度平均值通过界面仿真温度计和数码管显示，单击开始将进入下一次的采样阶段，单击停止则程序终止结束采样。

图2 K型热电偶温度测量系统电路图

图3 热电偶温度采集程序框图

图4 温度测量系统界面

3 系统实验研究

3.1 实验方案

为了验证系统的可应用性，利用该系统对熔融沉积成型试件冷却过程的温度进行了测试，每组的温度数据均在面板上实时显示，由于当热电偶测得的电压信号受到零点漂移或电磁干扰的影响，会引起温度信号的上下跳动，为了避免由此带来的测量误差，因此将实验测试采样率设置为1 Hz，采样组数为10组，每组100个数据，取每组数据的算术平均值为测温系统的温度测试结果，以此减少跳动误差对测量结果带来的影响，系统采样结束后结果将会自动进行保存。

实验方案采用自主设计的热电偶温度测量系统对熔融沉积成型试件冷却过程的温度进行了测试，图5所示的是测温实验设备连接示意图。

图5 测温实验设备连接示意图

3.2 实验结果

实验采用了2组热电偶，一组热电偶连接在系统数据采集卡上，使用自主设计的热电偶温度测量系统进行测温，另一组热电偶连接在数字显示仪上，数字显示仪会将测得的温度实时进行显示。K型热电偶测温系统实验数据如表1所示，测温系统实验整体布局如图6所示。通过对测试过程中两组热电偶测得的温度进行对比分析，实验结果表明测温系统的测量误差小于±0.5℃，具有较好的稳定性和测量精度。

表1 K型热电偶测温系统实验数据

图6 测温系统实验整体布局

4 结束语

通过系统的实验可知，该系统动态特性良好，输出结果可靠，实验结果表明，系统可以完成温度采集、信号处理、数据存储等功能，利用LabVIEW和Proteus软件平台结合热电偶冷端补偿电路可以实现较高精度的温度测量和具有良好的人机界面，系统不仅适合于K型热电偶，进行改进后还可以满足其他类型热电偶的测温需要。基于LabVIEW软件平台的虚拟仪器技术正成为现代测控技术的发展方向，引领着现代测试技术向高速采集、方便快捷、性能稳定、人机交互界面友好的方向发展。

[1]靖苏铜，赵福堂.基于LabVIEW的热电偶温度测量系统[J].仪表与计量技术，2005（6）：37-39.

[2]余东满，李晓静，王笛.熔融沉积快速成型工艺过程分析及应用[J].机械设计与制造，2011（8）：65-67.

[3]闫东升，曹志清，孔改荣.FDM工艺送丝驱动机构的摩擦驱动力分析[J].北京化工大学学报，2003，30（3）：71-73.

[4]石明江，张禾，何道清.基于K型热电偶数据拟合的温度测量系统设计[J].制造业自动化，2012（7）：122-124.

[5]何道清.传感器与传感器技术[M].北京：科学出版社，2006. [6]沙占权，葛家怡，王彦朋.热电偶冷端温度补偿电路的优化设计[J].电测与仪表，2003，451（7）：26-28.

[7]刘伟，申焱华，黄夏旭.基于虚拟仪器的热电偶温度测试与分析系统[J].自动化仪表，2007，28（3）：65-69.

[8]付立华，王刚，张晓玫.基于LabVIEW的温度监测系统及软件设计[J].河南工程学院学报，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">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0201-03

广东理工学院机械设计制造及其自动化专业综合改革试点项目（编号：ZYGG2015001）

王利（1987-），男，四川内江人，硕士，助教，研究方向为数字化设计与制造；杨斌（1970-），男，辽宁抚顺人，副教授，硕士，研究方向为自动控制。