基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)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(tǒng)。系統(tǒng)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庫實現(xiàn)與DFM206模塊的通信，系統(tǒng)軟件采用Qt進行開發(fā),利用QcustomPlot實現(xiàn)溫度曲線顯示,溫度數(shù)據(jù)保存于MySQL數(shù)據(jù)庫中。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)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)溫度采集場合。
0引言
　　K型熱電偶以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度較高.等優(yōu)勢[2]，成為冶金制造、化學工業(yè)、科學研究等領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開發(fā)上位機軟件,設計了一套多通道溫度采集系統(tǒng)。實驗證明系統(tǒng)功能完善、可靠性好、測溫精度高,同時具有人機界面友好、可擴展性及可移植性強等優(yōu)點。
1系統(tǒng)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(gòu)成閉合回路,同一導體兩端溫度不同時會產(chǎn)生溫差電動勢,不同導:體接觸時會產(chǎn)生接觸電動勢,二者疊加為熱電偶回路的總熱電動勢。熱電偶兩端為兩個熱電極,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勢，EAB(T,T0)為通過測量得到的熱電勢,Em(T0,0)為冷端溫度相對于0℃時的熱電勢。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(tǒng)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(wěn)定性好、配置方便、應用面廣等優(yōu)點。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。該模塊同時具有內(nèi)部冷端溫度傳感器,并可選擇多種冷端補償方式。
1.2系統(tǒng)構(gòu)成
　　系統(tǒng)上位機采用基于X86平臺與windows7操作系統(tǒng)的工業(yè)平板電腦,K型熱電偶信號經(jīng)補償導線傳送至.DFM206模塊輸人通道,DFM206模塊的RS485通信接口經(jīng)TS8520高速隔離轉(zhuǎn)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
2系統(tǒng)軟件設計
　　多通道溫度采集系統(tǒng)軟件采用Qt進行開發(fā),Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架010。以開源的libmodbus庫實現(xiàn)Modbus-RTU通信協(xié)議,采用QcustomPlot類實現(xiàn)溫度曲線顯示，溫度數(shù)據(jù)保存于MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對DFM206模塊配置參數(shù)及讀取數(shù)據(jù),具有實時多通道溫度數(shù)據(jù)及曲線顯示、實時數(shù)據(jù)存儲等功能。
2.1溫度曲線顯示
　　系統(tǒng)軟件采用QcustomPlot實現(xiàn)實時溫度曲線及歷史溫度曲線顯示。QcustomPlot是基于Qt的用于繪圖及數(shù)據(jù)可視化的C++部件,它沒有復雜的依賴關系,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)、動態(tài)的曲線、圖形及圖表,可高效地應用于實時可視化應用程序。QcustomPlot中與靜態(tài)及動態(tài)數(shù)據(jù)曲線繪制相關的主要接口如表1所示。
 
2.2Modbus-RTU通信協(xié)議及軟件實現(xiàn).
　　系統(tǒng)軟件采用開源的libmodbus庫實現(xiàn)Modbus-RTU通信協(xié)議1。libmodbus庫是采用C語言編寫的開源免費軟件庫,可實現(xiàn)基于Modbus-RTU與ModbusTCP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā),支持Win32.Linux等多種操作系統(tǒng),具有較強的可移植性。系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)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(tǒng)軟件運行時,首先配置參數(shù)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始讀取輸人寄存器(測量值)和參數(shù)寄存器(冷端溫度傳感器值等),將計算出的各通道溫度值實時顯示并繪制實時曲線,同時將數(shù)據(jù)保存至mysql數(shù)據(jù)庫。libmodbus庫實現(xiàn)ModbusRTU協(xié)議流程及系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)進行測試,設置采樣頻率為2Hz,將兩路溫度數(shù)據(jù)在軟件界面上實時顯示,繪制實時溫度曲線并將數(shù)據(jù)存儲至mysql數(shù)據(jù)庫。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定,輸出結(jié)果可靠,可完成多通道溫度采集、溫度曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲等功能,系統(tǒng)實時溫度采集與顯示界面如圖3所示。
 
4結(jié)語
　　本文利用DFM206系列6通道隔離輸入測量模塊和Qt圖形用戶界面應用程序框架,設計了一套基于K型熱電偶的多通道溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實時性,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,由于采用跨平臺的Qt開發(fā)系統(tǒng)軟件,使系統(tǒng)上位機可靈活采用基于X86的工控機或基于ARM的嵌人式平臺及Linux、Win32等各種操作系統(tǒng),具有較強的可移植性。