第 39 卷第 2 期应用科技 Vol.39, No.2 2012 年 4 月 Applied Science and Technology Apr. 2012 doi:10.3969/j.issn.1009-671x. 201112013 基于 LabVIEW 的辐射测温系统 高山 1 2, 安琳 1. 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院, 黑龙江哈尔滨 150001 2. 西安工业大学机电工程学院, 陕西西安 710032 摘要 : 介绍了基于 LabVIEW 及 PXI6123 采集卡设计的高温环境下的温度监测系统. 通过辐射测温对温度进行采集, 以虚拟仪器开发软件 LabVIEW 编写数据处理以及提供用户操作界面和显示界面的交互平台. 实现了对温度的在线监 控, 并对所采集到的数据进行存储, 提供对历史数据的查阅 分析 显示, 可通过互联网进行数据传输. 实验结果表明, 温度控制精度满足工业需求. 关键词 : 温度检测 ;LabVIEW 软件 ; 辐射测温 ; 曲线拟合 中图分类号 :TF538.6 文献标志码 :A 文章编号 :1009-671X(2012)02-0006-05 Realization of radiation temperature measurement based on LabVIEW GAO Shan 1,AN Lin 2 1.College of Information and Communications Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China 2.School of Mechanical and Electronic Engineering, Xi an Technological University, Xi an 710032, China Abstract:This paper introduces the design of a temperature monitoring system under high-temperature environment based on LabVIEW and PXI6123 data acquisition board. Through the temperature collecting by radiation thermometry, and based on an interactive platform programmed by the virtual instrument development software LabVIEW which processes data and provides an interface for display and users operation, the following functions can be achieved: The online monitoring of temperature; the successful storage of data collected; the access, analysis and display of historical data; the data transmission through the Internet. The experimental results show that the precision of temperature control can meet industrial needs. Keywords: temperature detection; Labview software; radiation thermometry; curve fitting 随着汽车制造 航天航空以及电力工业等的发 展, 很多实验数据要在高温环境下获得. 传统的光学高 温计测量精度与灵敏度低, 测量读数时会引入主观因 素的误差, 不便于自动记录与自动控制. 文中设计了一 套完整的温度监测系统, 通过辐射测温法对温度数据 进行采集, 很大程序上提高了测量的准确度, 使用虚 拟仪器软件 LabVIEW 设计替代传统控制面板, 节约成 本 便于操作, 测量结果直观 ; 同时, 信号传递过程 中采用光纤传输, 减小了外部环境对测量的结果干扰. 1 辐射法测温原理 1 自然界中所有物体对辐射都有吸收 透射或反射 的能力, 如果某一物体在任何温度下均能全部吸收辐 收稿日期 :2011-12-06. 基金项目 : 国家 863 基金资助项目 (SQ2010AA1100846004). 作者简介 : 高山 (1986-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向 : 通信与信息系统,E-mail:gaoshan6666@126.com. 射到它上面的任何辐射能量, 则称此物体为绝对黑体. 由于物质分子的热运动, 凡是高于热力学温度零度 ( 273.15 ) 的物体都会发射各种波长的电磁辐射. 对于理想的辐射源 黑体, 当单位面积的绝对黑 [1] 体在温度为 T 时, 其辐射度为 M ( λ T) (, ) ε λ T C 1, =. 5 λ C2 λt ( e 1) (1) 式中 : M ( λ, T ) 为光谱在温度为 T 时波长 λ 处的单色辐射出射度 ; ε( λ,t ) 为辐射体在波长 λ 处的光谱发射 16 2 率 ;C 为第 1 辐射常数, 值为 3.74 10 Wi m ;C 1 ( ) ( ) 2 为第 2 辐射常数, 值为 1.44 10 mik. 在整个波长范围内, 对普朗克公式积分得到黑体 的体辐射功率 : (, ) ε λ TC1 4 WT ( ) = d λ= σ 0 5 0T. (2) λ C2 λt ( e 1) 2
第 2 期高山, 等 : 基于 LabVIEW 的辐射测温系统 7 12 2 4 式中 σ 0 = 5.6697 10 ( Wicm i K ) 称为斯蒂芬 玻尔兹 曼常数. 通过式 (2) 可知, 黑体的全辐射功率与其绝对温 度的 4 次方成正比. 通过测量物体的辐射亮度就可得到 该物体的温度, 这就是辐射测量的基本原理 2 数据采集与测温用户界面 温度监测系统整体功能如图 1 所示. 被测物体发射 出的辐射光通过探头中的透镜聚焦后经光纤传递到系 统的光电转换模块, 然后再将光信号进行光电转换, 得到与温度对应的电压信号, 并进行一定的信号调理 操作 ( 例如放大 滤波等 ), 数据采集模块对光电转换 后得到的电压信号进行采集, 将信号由模拟量变为计 算机可处理的数字量, 最后由计算机软件系统处理后 显示出来. [2]. 采样多功能 DAQ.PXI-6123 模拟输入范围为 ±1.25 ~ ±10 V, 支持全差分输入, 同时带有 8 条硬件定时数 字 I/O 接口,2 个 24 位数字计数器, 支持模拟和数字 触发. 测温部分采用 IGA 140 红外测温仪, 测温范围为 250~3 300, 其响应时间小于 1 ms, 适用于长期监 控瞬变目标和快速温度变化的测量. 带有激光导向灯, 易于对测量目标进行定位. 2.3 测温系统软件设计基于 LabVIEW2009 进行开发. LabVIEW 是一种 图形化编程语言, 包括前面板和方框图程序两部分. 前面板相当于人机交互界面, 直接面对用户, 帮助用 户实现各种功能, 能直接将用户感兴趣的信息反映出 来. 程序功能框图如图 2 所示, 图中包含了系统软件的 主体功能. 图 1 温度采集系统 2.1 虚拟仪器技术及 LabVIEW 简介过去的 30 多年里,NI(National Instruments) 公司 通过虚拟仪器技术为测试测量和自动化领域带来了一 场革新 : 虚拟仪器技术把现成即用的商业技术与创新 的软硬件平台相集成, 从而为嵌入式设计 工业控制 以及测试和测量提供了一种独特的解决方案. NI 推出的 LabVIEW 是一种图形化虚拟仪器开发 环境, 是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发软件 平台之一, 是进行工程设计 开发 分析和仿真试验 的最佳软件系统, 现已广泛应用于汽车 电子 化工 生物及生命科学 航空 航天等许多领域. 利用 LabVIEW 可以方便地进行测量与控制硬件 分析数 据 共享结果, 并集成第三方设计和仿真 [3]. 2.2 数据硬件环境测温系统采用 NI 公司的 PXI-8106 处理器,NI PXI-8106 处理器是 2.16 GHz 双核 PXI 嵌入式控制器, 属于性能较高的 PXI 嵌入式控制器. PXI-8106 处理器 的标准配置是 512 MB(1 512 MB DIMM) 双通道 667 MHz DDR2 内存, 最大可扩展到 2 GB, 同时还具有 一个 10/100/1000 以太网接口 Express Card/34 插槽 4 个高速 USB 端口 集成硬盘 GPIB 串口及其他外 围 I/O. 运行系统为 Windows XP, 软件为 LabVIEW2009. 数据采集卡为 PXI-6123, 它包括 8 路精度为 16 bit 的 同步采样模拟输入, 每通道采样率为 500 ks/s 的同步 图 2 程序功能框图系统工作时, 首先进行系统参数的配置, 而后进行数据的获取, 这里有 2 种方式 : 一种是通过硬件采集到的数据, 这部分数据可以在示波器上显示, 也可通过低通滤波除去干扰噪声在电压列表 温度列表或趋势图中显示, 对于必要的数据生成报表保留, 还可通过网络将数据传到上位机进行分析 ; 另一部分数据是历史数据, 即以往工作采集时所存储的数据, 调用历史数据可在虚拟示波器上显示, 也可通过数据处理, 得到温度列表与电压列表, 供用户分析. 程序中使用 PXI6123 数据采集卡对温度信号进行采集, 在数据采集之前, 程序将对采集板卡初始化, 板卡上和内存中的 Buffer 是数据采集存储的中间环节. 一般说来, 数据采集卡都有自己的驱动程序, 该程序控制采集卡的硬件操作, 当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供, 用户一般无需通过底层就能与采集卡硬件打交道. NI 公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件 Measurement& Automation Explorer, 它可以配置 NI 公司的软件和硬件, 比如执行系统测试和诊断 增加新通道和虚拟通道 设置测量系统的方式
8 应用科技第 39 卷 查看所连接的设备等. 采集配置如图 3 所示. 图 3 采集配置在 DAQmx 创建通道中主要需要配置物理通道 最大值 最小值 输入接线端配置, 其中最大值 最小值为输入限制, 设置为 ±10 V, 输入接线端配置选为差分, 可有效降低共模干扰. DAQmx 定时中的采样频率设置为 500 khz, 由于没有外部时钟, 采样时钟以每通道每秒采样为单位, 每通道采样点数为 10 000, 每秒进行一次数据长度为 10 000 采样点的采集, 一次采样仅需 0.02 s, 不会造成数据溢出. 采样的精度主要由采集卡 PXI6123 决定, 其采样时引入的噪声为 3 mv. 程序的结构模式采用队列状态机模式, 状态机是对系统的一种描述, 该类系统包含了有限的状态, 并且在各个状态之间可以通过一定的条件进行转换. 当输入事件引起状态变化时, 作为对输入事件的响应, 系统可能转变到相同或不同的状态, 而输出事件可能是任意产生的. 状态机包含 3 要素 : 状态 事件和动作. 与普通状态机相比, 队列状态机由于有事件结构的存在, 能很好地响应前面板的动作和外部事件. 设计过程为创建一个新的队列, 把数据作为这个队列的元素. 平时在各个 VI 间传递参数时, 传递的是这个队列. 需要时, 再将数据从队列中取出使用. 使用状态机可以避免大量的条件语句, 它将相关的特定行为模块化, 将每个状态进行封装, 使程序更加简洁. 同时程序中的每个状态都是相对独立的, 使得以后引入新的对象变得简单. 本程序中的队列状态机模式是把将要执行的状态排队, 然后把它们的状态名称存在缓存里 [4-5]. 缓存中的状态名称与状态机的各个状态一一对应. 当运行状态机时, 正在执行的名称就会从缓存中删除 ; 同时运行时也会根据要求添加或删除状态名称, 对于需要用户在状态列表中选出下一个要执行的状态的程序中, 队列型的状态机效率很高. 其结构如图 4 所示. 程序运行主界面如图 5 所示. 程序大致分为 5 部分 : 1) 系统设置. 点击系统设置按键来对软件的一些参数进行设置, 包括采样频率 通道放大系数 矫正系数及电压 温度转换函数系数等. 图 4 队列状态机结构图 5 温度采集系统主界面 2) 波形显示. 程序设计了 8 路通道, 可以同时采集, 在选项卡中进行切换来选择所要观察的通道. 每路通道都可以通过 LabVIEW 的虚拟示波器观察电压 温度以及其温度的频谱, 并可以根据用户需要改变坐标范围, 默认情况下为 LabVIEW 的自动调节. 波形暂停主要为了方便用户来观察某一时刻的波形, 并可以通过游标来显示某一点的数值. 温度趋势图主要用来观察被测物体长时间的温度走势. 3) 数据列表. 程序中的温度数据列表及电压数据列表, 可以通过表格形式显示即时的电压及温度数据, 如图 6 所示, 表格中可以显示 8 路电压或温度. 4) 历史数据. 程序中包括对采集到的数据进行记录, 可以手动记录, 也可在系统设置中设置时间自动记录. 用户可以通过手动记录有选择的记录数据 ; 自动记录可以在系统中设置数据记录间隔, 系统会每隔相应的时间自动记录一组数据. 存储的数据以 TDMS 文件的形式存放在系统已设定文件夹下, 并以记录时间命名数据文件, 如果 8 路通道同时进行采集, 每次记录的数据文件大小是 625 K. TDMS(technical data management streaming) 文件是 LabVIEW 中的一种二
第 2 期高山, 等 : 基于 LabVIEW 的辐射测温系统 9 进制记录文件, 它兼顾了高速 易存取和方便等多种优势, 能够在 NI 的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互, 也能够提供一系列 API 函数供其他应用程序调用. TDMS 文件的逻辑格式遵循 TDM 3 层结构, 仍然是文件 通道组 通道 3 层. 用户在使用时只需要关心这 3 层就行了. 其优点为写文件速度快 文件追加数据的时候速度快 写文件的速度不与文件大小成正比 支持随机读取 支持分别读写描述性信息和原始数据. 3 数据分析 图 7 网络传输模块 图 6 数据表格通过档案按键, 用户可以按照记录时间查阅历史记录. 点击档案键时, 首先会弹出数据选择对话框, 用户根据记录的时间对数据进行选择. 之后用户可以从虚拟示波器上观察数据, 例如, 得到历史温度大小, 通过改变标尺估算温度噪声, 通过频谱对噪声频率进行分析等. 系统对数据进行一系列处理后, 可以通过电压数据列表与温度数据列表观察数据, 并可通过生成报表按键, 将所需数据生成 word 格式的报表并打印出来 [5]. 5) 网络传输. 程序中设计了网络传输模块, 将虚拟仪器技术与 Internet/Intranet 技术融合, 使测量数据得到共享. 在工作现场测得的温度数据, 可以直接通过网络传递到多个远端上位机的客户端软件上进行数据显示与分析, 而不需要大量的人员在现场监测. 如图 7 所示, 本程序中使用了 UDP 传输模式, 执行过程为将数据报发送到目的计算机或端口即完成了进程间的通信. 端口是发送数据的出入口. IP 用于处理计算机到计算机的数据传输. 当数据报到达目的计算机后,UDP 将数据报移动到其目的端口. 如目的端口未打开,UDP 将放弃该数据报. 对传输可靠性要求不高的程序可使用 UDP. 本程序中程序可能十分频繁地传输有价值的信息数据, 以至于遗失少量数据段也不成问题, 所以使用 UDP 传输协议较好. 辐射光经过红外测温仪采集, 得到的数据为电压数据, 需要经过温度转换把它转换成相应的温度值. 温度标定首先需要的是稳定的热源, 如黑体炉. 在温度已知的情况下, 通过本测温系统对不同的温度进行采集, 得到相应的电压. 经多次测量, 得到 N 组试验数据, 再将数据拟合成电压与温度的关系曲线, 根据曲线求得函数关系式. 根据测得数据点进行电压 温度函数的拟合, 拟合采用 1stopt 软件, 该软件为非线性曲线拟合的综合优化分析计算软件平台, 通过软件自动搜索功能对测量的数据进行搜索, 寻求与输入数据相匹配的拟合函数, 会得到多组函数, 这里选择相关系数最接近于 1 的函数作为拟合函数, 表 1 中数据得到的电压 温度公式如式 (3) 所示 : T= P+ P V+ P V + P exp ( V) + P Ln( V). (3) 1.5 1 2 3 4 5 式中 : P 1 =324.487 628 126 144, P 2 =115.450 247 264 369, P 3 =2.921 802 799 876 19, P 4 = 0.027 984 567 979 882 2, P 5 =0.018 117 364 619 974 3. 实验数据如表 1 所示, 试验数据点与拟合曲线如图 8 所示. 图 9 为试验数据的每一点与拟合出的曲线之差的直方图. 由图中可观察到, 试验数据与拟合数据之差最大为 2, 在温度为 600 附近. 从以上描述可知, 系统由采集引入的误差为 3 mv, 由于拟合得到的曲线
10 应 用 科 技 第 39 卷 近似线性, 可以估算出采集引起的测量温度误差不超 过 ±0.2 ; 因此, 本系统的测温精度高于 ±0.3%, 而一般光学高温计测量精度为 ±1%, 工业用的光学高 温计也只在 ±0.5% 左右. 表 1 试验数据 温度 / 电压 /V 温度 / 电压 /V 温度 / 电压 /V 335 0.093 5 560 1.962 8 785 3.806 4 350 0.216 575 2.079 8 800 3.943 8 365 0.333 590 2.213 7 815 4.059 3 380 0.489 605 2.358 7 830 4.171 4 395 0.598 620 2.464 7 845 4.293 9 410 0.726 635 2.579 3 860 4.423 5 425 0.86 650 2.707 2 875 4.560 4 440 0.985 665 2.846 9 890 4.676 4 455 1.095 680 2.961 8 905 4.786 9 470 1.221 695 3.071 5 920 4.904 3 485 1.370 5 710 3.191 7 935 5.028 7 500 1.471 5 725 3.322 2 950 5.161 7 515 1.587 5 740 3.455 4 965 5.300 1 530 1.724 2 755 3.565 3 980 5.412 3 545 1.858 2 770 3.685 1 - - 4 结束语 图 9 试验数据与拟合数据之差 基于 LabVIEW 图形化编程语言的测温界面能够更直观方便地反映所监测物体的温度信息, 并适用于各种辐射测温原理的温度传感器. 本系统实现了在线监测高温设备, 并能存储数据和调用记录. 通过试验表明, 测温系统精度高, 并且具有成本低 操作方便 实现简单等特点, 在工业生产 航空 航天等需要高温监测的工作环境中有很高的应用价值. 参考文献 : [1] 程文楷, 刘永平. 矿用红外辐射测温技术的研究 [J]. 煤炭学报,1995,20(6): 578-580. [2] 高魁明. 测温技术 ( 二 ) 辐射测温原理与技术 [J]. 冶金自动化, 1981(04): 48-51. [3] 刘章发, 衣法臻. LabVIEW 编程样式 [M]. 北京 : 电子工业出版社, 2009:22-25. [4] 聂影, 冯向军, 廖瑛, 等. 基于 LabVIEW 的状态机模型研 图 8 试验数据点与拟合曲线对比 究 [J]. 计算机测量与控制, 2007, 15(9): 1166-1171. [5] 李瑞, 周冰, 胡仁喜, 等. LabVIEW 2009 中文版虚拟仪器 从入门到精通 [M]. 北京 : 机械工业出版社, 2010:16-17.