基于K型热电偶的多通道温度采集系统设计

摘要:为研究多通道温度采集,设计了一种基于K型热电偶的多通道温度采集系统。系统采用基于ModbusRTU通信协议的DFM206系列6通道隔离输入测量模块,采集多路K型热电偶信号.上位机使用libmodbus库实现与DFM206模块的通信，系统软件采用Qt进行开发,利用QcustomPlot实现温度曲线显示,温度数据保存于MySQL数据库中。试验结果表明，该系统精度高、可靠性好,具有较强的扩展性与可移植性。可广泛应用于各种工业温度采集场合。
0引言
　　K型热电偶以其结构简单、成本低廉、测量精度较高.等优势[2]，成为冶金制造、化学工业、科学研究等领域广泛使用的测温元件,以K型热电偶为温度传感器的多通道温度测量技术得到了广泛的研究与应用。本文采用基于Modbus-RTU通信协议的DFM2066通道隔离信号采集模块,采集多路K型热电偶信号,使用跨平台的Qt开发上位机软件,设计了一套多通道温度采集系统。实验证明系统功能完善、可靠性好、测温精度高,同时具有人机界面友好、可扩展性及可移植性强等优点。
1系统设计
1.1K型热电偶测温原理及信号采集
　　K型热电偶由镍铬镍硅两种导体材料构成闭合回路,同一导体两端温度不同时会产生温差电动势,不同导:体接触时会产生接触电动势,二者叠加为热电偶回路的总热电动势。热电偶两端为两个热电极,温度较高的为工作端,温度较低的为冷端85]。热电偶的标准分度表是在其.冷端温度T0=0℃时测得,由中间温度定理:
 
　　式(1)中:EAB(T,0)为冷端补偿后的热电偶电动势，EAB(T,T0)为通过测量得到的热电势,Em(T0,0)为冷端温度相对于0℃时的热电势。对于K型热电偶,温度变化1℃所对应的电压变化为41pV,因此K型热电偶的电压一温度关系为:
 
　　式(2)中:T为被测温度,V(μV)为热电偶电压,T。为冷端温度。系统采用基于ModbusRTU通信协议(RS485接口/从机模式)的DFM206系列6通道隔离输人测量模块采集多路K型热电偶信号。DFM206模块的每个通道都可以独立、自由设置为测量电压信号、电流信号等,具有稳定性好、配置方便、应用面广等优点。对于K型热电偶,其测量范围为一200℃~1370℃,在不包含冷端补偿精度的情况下,其测量精度可达±0.2%F.S。该模块同时具有内部冷端温度传感器,并可选择多种冷端补偿方式。
1.2系统构成
　　系统上位机采用基于X86平台与windows7操作系统的工业平板电脑,K型热电偶信号经补偿导线传送至.DFM206模块输人通道,DFM206模块的RS485通信接口经TS8520高速隔离转换器与上位机的RS232接口(COM1)连接,通信协议为Modbus-RTU协议。系统总体结构如图1所示。
 
2系统软件设计
　　多通道温度采集系统软件采用Qt进行开发,Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架010。以开源的libmodbus库实现Modbus-RTU通信协议,采用QcustomPlot类实现温度曲线显示，温度数据保存于MySQL数据库。系统软件实现对DFM206模块配置参数及读取数据,具有实时多通道温度数据及曲线显示、实时数据存储等功能。
2.1温度曲线显示
　　系统软件采用QcustomPlot实现实时温度曲线及历史温度曲线显示。QcustomPlot是基于Qt的用于绘图及数据可视化的C++部件,它没有复杂的依赖关系,在Qt工程中引人相应的头文件即可使用。QcustomPlot可用于绘制各种静态、动态的曲线、图形及图表,可高效地应用于实时可视化应用程序。QcustomPlot中与静态及动态数据曲线绘制相关的主要接口如表1所示。
 
2.2Modbus-RTU通信协议及软件实现.
　　系统软件采用开源的libmodbus库实现Modbus-RTU通信协议1。libmodbus库是采用C语言编写的开源免费软件库,可实现基于Modbus-RTU与ModbusTCP协议的数据收发,支持Win32.Linux等多种操作系统,具有较强的可移植性。系统运行时，系统软件所在的上位机工作于主机模式,DFM206模块工作于从机模式。系统软件运行时,首先配置参数并建立Modbus通信连接,检查DFM206模块状态,确定模块工作正常后开始读取输人寄存器(测量值)和参数寄存器(冷端温度传感器值等),将计算出的各通道温度值实时显示并绘制实时曲线,同时将数据保存至mysql数据库。libmodbus库实现ModbusRTU协议流程及系统软件工作主流程分别如图2(a)及图2(b)所示。
 
3试验验证与分析
　　为验证多通道温度采集系统的性能,将两路K型热电偶接人DFM206模块的通道0及通道1,在室温环境下对系统进行测试,设置采样频率为2Hz,将两路温度数据在软件界面上实时显示,绘制实时温度曲线并将数据存储至mysql数据库。试验结果表明，系统运行稳定,输出结果可靠,可完成多通道温度采集、温度曲线绘制、数据存储等功能,系统实时温度采集与显示界面如图3所示。
 
4结语
　　本文利用DFM206系列6通道隔离输入测量模块和Qt图形用户界面应用程序框架,设计了一套基于K型热电偶的多通道温度采集系统。该系统具有较高的稳定性、实时性,功能完善、人机界面友好,可引入更多的DFM206模块以扩充通道,具有较强的可扩展性。同时,由于采用跨平台的Qt开发系统软件,使系统上位机可灵活采用基于X86的工控机或基于ARM的嵌人式平台及Linux、Win32等各种操作系统,具有较强的可移植性。