基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統設計

摘要:為研究多通道溫度采集,設計了一種基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統。系統采用基于ModbusRTU通信協(xié)議的DFM206系列6通道隔離輸入測量模塊,采集多路K型熱電偶信號.上位機使用libmodbus庫實(shí)現與DFM206模塊的通信，系統軟件采用Qt進(jìn)行開(kāi)發(fā),利用QcustomPlot實(shí)現溫度曲線(xiàn)顯示,溫度數據保存于MySQL數據庫中。試驗結果表明，該系統精度高、可靠性好,具有較強的擴展性與可移植性?？蓮V泛應用于各種工業(yè)溫度采集場(chǎng)合。
0引言
　　K型熱電偶以其結構簡(jiǎn)單、成本低廉、測量精度較高.等優(yōu)勢[2]，成為冶金制造、化學(xué)工業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域廣泛使用的測溫元件,以K型熱電偶為溫度傳感器的多通道溫度測量技術(shù)得到了廣泛的研究與應用。本文采用基于Modbus-RTU通信協(xié)議的DFM2066通道隔離信號采集模塊,采集多路K型熱電偶信號,使用跨平臺的Qt開(kāi)發(fā)上位機軟件,設計了一套多通道溫度采集系統。實(shí)驗證明系統功能完善、可靠性好、測溫精度高,同時(shí)具有人機界面友好、可擴展性及可移植性強等優(yōu)點(diǎn)。
1系統設計
1.1K型熱電偶測溫原理及信號采集
　　K型熱電偶由鎳鉻鎳硅兩種導體材料構成閉合回路,同一導體兩端溫度不同時(shí)會(huì )產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢,不同導:體接觸時(shí)會(huì )產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢,二者疊加為熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢。熱電偶兩端為兩個(gè)熱電極,溫度較高的為工作端,溫度較低的為冷端85]。熱電偶的標準分度表是在其.冷端溫度T0=0℃時(shí)測得,由中間溫度定理:
 
　　式(1)中:EAB(T,0)為冷端補償后的熱電偶電動(dòng)勢，EAB(T,T0)為通過(guò)測量得到的熱電勢,Em(T0,0)為冷端溫度相對于0℃時(shí)的熱電勢。對于K型熱電偶,溫度變化1℃所對應的電壓變化為41pV,因此K型熱電偶的電壓一溫度關(guān)系為:
 
　　式(2)中:T為被測溫度,V(μV)為熱電偶電壓,T。為冷端溫度。系統采用基于ModbusRTU通信協(xié)議(RS485接口/從機模式)的DFM206系列6通道隔離輸人測量模塊采集多路K型熱電偶信號。DFM206模塊的每個(gè)通道都可以獨立、自由設置為測量電壓信號、電流信號等,具有穩定性好、配置方便、應用面廣等優(yōu)點(diǎn)。對于K型熱電偶,其測量范圍為一200℃~1370℃,在不包含冷端補償精度的情況下,其測量精度可達±0.2%F.S。該模塊同時(shí)具有內部冷端溫度傳感器,并可選擇多種冷端補償方式。
1.2系統構成
　　系統上位機采用基于X86平臺與windows7操作系統的工業(yè)平板電腦,K型熱電偶信號經(jīng)補償導線(xiàn)傳送至.DFM206模塊輸人通道,DFM206模塊的RS485通信接口經(jīng)TS8520高速隔離轉換器與上位機的RS232接口(COM1)連接,通信協(xié)議為Modbus-RTU協(xié)議。系統總體結構如圖1所示。
 
2系統軟件設計
　　多通道溫度采集系統軟件采用Qt進(jìn)行開(kāi)發(fā),Qt是一個(gè)跨平臺的C++圖形用戶(hù)界面應用程序框架010。以開(kāi)源的libmodbus庫實(shí)現Modbus-RTU通信協(xié)議,采用QcustomPlot類(lèi)實(shí)現溫度曲線(xiàn)顯示，溫度數據保存于MySQL數據庫。系統軟件實(shí)現對DFM206模塊配置參數及讀取數據,具有實(shí)時(shí)多通道溫度數據及曲線(xiàn)顯示、實(shí)時(shí)數據存儲等功能。
2.1溫度曲線(xiàn)顯示
　　系統軟件采用QcustomPlot實(shí)現實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)及歷史溫度曲線(xiàn)顯示。QcustomPlot是基于Qt的用于繪圖及數據可視化的C++部件,它沒(méi)有復雜的依賴(lài)關(guān)系,在Qt工程中引人相應的頭文件即可使用。QcustomPlot可用于繪制各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的曲線(xiàn)、圖形及圖表,可高效地應用于實(shí)時(shí)可視化應用程序。QcustomPlot中與靜態(tài)及動(dòng)態(tài)數據曲線(xiàn)繪制相關(guān)的主要接口如表1所示。
 
2.2Modbus-RTU通信協(xié)議及軟件實(shí)現.
　　系統軟件采用開(kāi)源的libmodbus庫實(shí)現Modbus-RTU通信協(xié)議1。libmodbus庫是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的開(kāi)源免費軟件庫,可實(shí)現基于Modbus-RTU與ModbusTCP協(xié)議的數據收發(fā),支持Win32.Linux等多種操作系統,具有較強的可移植性。系統運行時(shí)，系統軟件所在的上位機工作于主機模式,DFM206模塊工作于從機模式。系統軟件運行時(shí),首先配置參數并建立Modbus通信連接,檢查DFM206模塊狀態(tài),確定模塊工作正常后開(kāi)始讀取輸人寄存器(測量值)和參數寄存器(冷端溫度傳感器值等),將計算出的各通道溫度值實(shí)時(shí)顯示并繪制實(shí)時(shí)曲線(xiàn),同時(shí)將數據保存至mysql數據庫。libmodbus庫實(shí)現ModbusRTU協(xié)議流程及系統軟件工作主流程分別如圖2(a)及圖2(b)所示。
 
3試驗驗證與分析
　　為驗證多通道溫度采集系統的性能,將兩路K型熱電偶接人DFM206模塊的通道0及通道1,在室溫環(huán)境下對系統進(jìn)行測試,設置采樣頻率為2Hz,將兩路溫度數據在軟件界面上實(shí)時(shí)顯示,繪制實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)并將數據存儲至mysql數據庫。試驗結果表明，系統運行穩定,輸出結果可靠,可完成多通道溫度采集、溫度曲線(xiàn)繪制、數據存儲等功能,系統實(shí)時(shí)溫度采集與顯示界面如圖3所示。
 
4結語(yǔ)
　　本文利用DFM206系列6通道隔離輸入測量模塊和Qt圖形用戶(hù)界面應用程序框架,設計了一套基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統。該系統具有較高的穩定性、實(shí)時(shí)性,功能完善、人機界面友好,可引入更多的DFM206模塊以擴充通道,具有較強的可擴展性。同時(shí),由于采用跨平臺的Qt開(kāi)發(fā)系統軟件,使系統上位機可靈活采用基于X86的工控機或基于A(yíng)RM的嵌人式平臺及Linux、Win32等各種操作系統,具有較強的可移植性。