（测试计量技术及仪器专业论文）labview平台下工业热电偶自动检定系统的研究.pdf

摘要 在工业现场，热电偶是一种常用的温度传感器。在使用过程中由于受到测量 环境、介质气氛、使嗣温度以及绝缘材辩和傈护蓉榜籽的玷污等影确，使_ | 习一 段时间后，其热电特性会发生变化，尤其是在高温、腐蚀性气氛以及特殊工况下， 这种影响就更为严重。当热电偶的热电特性变化越过规定的范围时，热电偶指示 的温度便会失真，测瀑误差越来越大。医此，为保证对国际温标l t s 9 0 戆溯源性， 热电偶作为温度计量器件，必须按照国家检定规程和校准规范要求进行定期检 定。 早期的工鲎热电偶检定由人工操作完成，这稃方式是凭鹰操作人员的经验将 温度逐个控制到每一个温度检定点，然后尽量将其稳定下来，加以检定。在检定 过程中，操作员一方灏要记录每一热电偶的数据，另一方面还要进行热电偶的切 换。这种方法难以傈诞稳定时的精度，另外手工搡作时间较长，存在羞较大的延 时误差，同时人为因素太大，因此，难以保证热电偶检定中严格的技术要求。 随蕙讨算机应用的普及和数字式仪表的发展，近十几年来，国内外在实现热 电偶分度、硷定自动化方面俸了不少研究，有了很大发展，并且已经磷制融了工 业热电偶自动检定系统，解决了现场仪表的自动校准工作。但这些系统在程序的 编制上，采用了传统的编程语毫，缡程耗费的时间比较长，依赖于专业程序员和 特定的编程语言。另外，系统经形成，无法隧慧更改其相应参数，不能使温度 计量工程师对该系统进行修改和更新。希望的情况是：可以让温度计量工程师在 原有硬件设备的基础上，自由构建工业热电偶自动捡定系统，让温度计量工程师 可以成为自动校准系统的设计者、使用者、维护者和更新者。 由于乙a b v i e w 的开放性和图形化编程方式，温度计量工程师只需懂得一些 基本编程雯瑟识，便可以对计算机测控系统进行设计。因此，本文从温度囊动捡定 系统的圈内外研究现状出发，提出了基于l a b v i e w 平台的工业热电偶自动检定 系统。具体的研究内容主要涉及到以下几个方面： l 、分率厅了热电偶的工作藏理、热电偶的捡定与分度及检定过程中需要进萼亍 的数据处理，为下文的热电偶自动检定提出理论依据。 2 、通过对国内工业热电偶自动检定系统的生产开发厂家的大量调研，总结 出枣场上常用的几种电溅仪表，夺乙a b v l e w 平台下对这些仪表编制相应的驱动 程序，以便使用者可以根据自己的情况选择相应的电测仪表。 3 、根据检定规程的相关要求，进行工业热电偶自动检定系统的软件设计， 包括数据采集、温度控制、数据处理以及检定结果的保存、打印等功能。 4 、在检定炉温度控制方面，运用了传统的p i d 控制方案以及模糊控制和单 神经元自适应p i d 复合控制方案。文章中详细阐述了这两种控制方案的基本算 法，并在l a b v i e w 平台下对这两种算法进行编程。最后将上述两种方法实施于检 定炉的温控系统中，对它们的控温效果进行了比较。 5 、利用该系统对一k 型热电偶进行检定，通过对实验结果进行分析计算以 此来验证软件在数据处理的编制上正确与否。 论文最后对研究成果进行了总结，指出了不足，并对今后的研究做出了展望。 关键词：热电偶、自动检定、l a b v i e w 、驱动程序 i i a b s t r a c t 1 1 1 n o c o u p i ei sak i n do ft e m p e r a t u r es e l l s o rc o m n i o l i i yu s e da t t l l ei n d u s 耐a l s c e n e n l e m l o e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i co ft l l e s et l l e n n o c o u p l e s 、i i lb ec h a n g e dw h e n t h e ya 碑m f l u e n c e db ye n v i r o n m e l l 瞳m e d i 眦a t n s p h e r e ，t e m p e r a ：t u r ea r l d o n i ti s m o r es 鲥o u se s p c c i a l l y 瑚d e fs o m es p e c i a l 叩e r a t i n gm o d e ss u c h 嬲h i g ht e i n p e m t u r c ，c o r r o s i v 畸a h n o s p h e r e 咖w h e nt h e 咖o e i e c 砸cc h a r a c t e r i s t i c o fm e s e t h e n n o c o u p l e si so mo fm n g e ，t h et e 唧e r a m r em a t 也et l l e n n o c o u p l e sp o i n to mw m b cd i s t o r t e da n dt h e i rm e a s l l r e n l c mc r r 口r 丽ub e 掣e a t e ls ot h e n n o c o u p l e ss h o i l l db e c a i i b r a 把d i nt h ce a f l yp e r i o d ，t h e 协e n n o c o u p i ei sc a i i b r a t e db yr n i nt h i sw a y ，“i st h e o p e r a t o r se x p e r i e n c em a tc o m r o l st h et e m p e r a t u r ct 0i t sc a l i b r a t e dp o i n t ，觚dm 啊e s1 1 i sb e s tt om a k c “s t a b l ef b rc a l i b r a t i n g w 1 1 i l ec a l i b r a t i n 吕t l = 【c0 p e r a t o rn o t c s d o 啪也e 龇o ft h et h e 瑚o c o u p l e ，a i l da tt l l es a r n ed m e ，s w i t c h e so v e rt l e t h e n n o c o u p l e b mi tc 锄o t 醛s u r cm ea c c u r a c yi ns t a b l ec o n d i t i o i i ，a l l da l s o 也e r e e x i s t sm et i m e - d e l a ye 仃i ) ri i lt i l i sm e t h o d w h a t sm o r e ，t l l e r ea r ct o om a i i yh 眦a n e l e m 衄拓i l l 记t h e r e f o r e ，t 1 1 i sm e t l l o d c a l l n o ta s s u r et h es 蛹nt c c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e m si i lt 1 1 ec a i i b m t i o no f m et t l e m o c o u p l c i i lr e c e m 出：c a d e s ，a l o n g 们mt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ec o m p u t e r sa n d 也e d e v e l o p m e n to f 也ed i g i t a li 1 1 s t m m e n t s ，t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e sa th o m em l da b r o a d o nt 1 1 ea u t oc a l i b r a t i o n 内rt 王1 e 咖o c o u p i e t h e s er e s e a r c h e sl l a v ea c h i e v e dg r e a t p r o g r e s sa n dd e v e i o p e da u t o - c a l i b r a t i n gs y s t e mf o ri n d 嘶a it h e 蛐o c o u p i e ，w h i c h s o l v e st i l ea u t oc a l i b 觚o no f t h ef i e i di m 瞳眦i e n t b mt 1 1 e s cs y s t e m sh a v ea d o p t e dt h c 仃a d i t i o n a ip r o g r a m m i n gi 孤培u a g eo nc o m p u t e rp r o g r a r 啪i n g 1 1 1a d d i t i o n ，o n c em e s y s t e mi s 向册e d ，t h ec o 腓s p o n d i l l gp a m m e t c rc 枷o tb ec h a t l g e d 丘_ e e l ya i l dl 置l e s y s t e mc a n n o tb e 锄枷e d o ru p d a t e db yt h et e m p e r a m r em e 邪u r e m e 眦e n 百n e e r t h e 也i l l g sw eh o p ea r e 也e s e ：t 1 1 et e m p e r a t u r em e a s u r c m e n te n 舀r 屺e rc a nc h a n g e 也e a u t d 刊i b r a l i n gs y s t e mf o ri 1 1 d 蜮r i a ln l e 珊o c o u p l e 弁e e l y ，柚dh ec a l lb e c o m e 出e d e s i 罂l e r ，t 璁焉m a i n t a i n e r ，锄dr e g e n e r a t o ro f t f l ea u t o c a l i b r a t i l l gs y s t e m a s 吐佗f c s u ho fm eo p e 眦e s sa n d 铲a p h i c a 王w a yo f p r o g r a m m i n go fl a b v i e w i i i 0 1 1 l y i ft 】1 e t e m p e r a t u r em e 硒u r e m e n te n g i n e e r k n o w st h eb a s i ck n o w l e d g eo f p f o g r 猢i n g ，h ec a nd e s i g nt h ec o m p u t e rm e a s u r ea r dc o n t r o ls y 嗽m t l 脯f b r c ， t h i sp a p e rs t a 】吨s 丘d mt 量l ep r e s e n tr c s e a r c hs t a t eo ft h e 把m p e r a m r ea m oc a l i b r a t i o n s y s t 咖b o t ha th o m ea i l da b r o a d ，a 1 1 dp u t sf o n v 矾t l l ea u t oc a i i b m t i o ns y s t c mf o r 砌删a lt l l 锄o c o u p l eb a s e do nl a b v i e wf l a t f o m t h es p e c i f i cc o n t e mi n v o l v e si i l t l l ef o l l o 、v i n g 船p e c t s ： 1 na i l a l y sm eo p e r a t i n gp 曲c i p l e ，c a l i b r a t i o n ，s c a i em a r ko f t h et t l e r i i l o c o u p l e 锄dt l l en e c e s s a 巧d a t ah a l l d l i n gi nt h ep r o c e s so ft 圮c a l i b r a t i o n t h i so 仃e r sm c t h c o r yp r o o f f o r l ea u t oc a l i b r a t i o no f t h et h e 瑚o c o u p l ef o rt l l ef o i l o w i l l gp a n o f t l l i s p a p e l 2 ，1 1 l ：r o u g ht 1 1 el a 唱e t o n n a g ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho ft 1 1 ep r o d u c i n g 彻d d e v e l o p i n g t o r i e so fa u t oc a i i b r a t i o ns y s t e mf o rt h ci n d u s 伍a lt l l e n i l o c o u p l e ，i t c o n c l u d e st l l em o s t 丘e q u c n t l yl i s e de i e c t r i c a im e a s i l r i n gi i l s 臼m m e n t s ，龃dm a k e s 也e c o 玎e 咖栅n gd 曲e r sf o r 也锄u n d e r 雠l a b v l e wn a 仃( 嘞恤【m eu s 盯sc a n c h o o s et l l ee l e c 啊c a li n s t m m e n ta c c o r d i n gt ot h e i ro w ns i t u a t i o n 3 a c c o r d i n gt ot l l er e i a t e dr e q u i r e m e mo ft h cc a l i b r a t i o nr e g u l a t i o l l ，d e s i g nt 1 1 e f t w a r eo fa u 向c a l i b r a t i o ns y s t e mf o rt l l ei n d u s m a lt l l 黜0 c o u p l e ，i i l c l u d i n gt 置1 e d a 诅a c q u i s i t i o l l ，t e m p e r a t u r cc o n 仃o l ，d a _ t ah a l l d l i n g ，舭dm em a i n t a i l l i n ga i l dp r i n t i n g o f t l l er e s i l l to f c a l i b r a t i o n 4 d u r i n gt l l ep r o c e s so fm e 如m a c et e m p e r a t u r ec o n n d l ，i ta p p l i e sm e 订a d i t i o n a l p i dc o m r o ls c h e m e ，如z z yc o n t r o la n dm es i n g l en e r 、，eu n “l f - a d a p t i n gc o m p o u n d c o n 们l h c m e 1 kp 印e re x p o u n d si nd e t a i lt h en l d i m e n t a | 了a l g o r i ( h n lo f 吐l e s e 咖 c o n 仃o is c h e m e s ，a n dp r o g r a m st l l e s et w 0a l g o 甜l 【i l s d e rm el a b v i e 、n a t f o 锄 a 1 1 de v e n n 】a l l yp mt l l e mi n t ol l s ei nt h ec a l i b r a t i o n ，锄dc o m p a r em e i ft 锄p c r a n l r e c o n t r o ie f l e c t s 5 u s el l l i ss y s t e mt 0c a l i b r a t en l ek t y p et l l e 玎n o c o u p l e ，血e nt h r o u g l lt 1 1 e a n a l y s i so f m ee x p e r i m e m 陀s u l t st op r o v em e d a t ai l a n d l i n go f 证1 i ss o f t 、a r e a tt h ee n do fp a p e r t h er e s u l t so ft h er e s e a r c ha r cs 咖1 i n a r i z e df o r 触e r i i n p m v e m e m k e yw o r d s ：n l 咖o c o u p l e s ，a t l l o - c a l i b r a t i n gs y s t e m ，l a b v i e w ，d r i v e r sp m 萨吼 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 温度计在工农业生产，科学技术研究和人们的日常生活中得到广泛应用，为 确保其对r r s 9 0 国际温标的溯源性，需要定期校准。温度的校准一般有定点法和 比较法，前者主要用于基准或标准实验室，而后者可用于一般计量实验室和工业 企业计量室。m 传统的温度计校准工作，不仅需要比较长的时间，而且与校准工 作人员的经验有关，校准效率比较低。为提高温度计校准的效率和准确程度，国 际上从7 0 年代起，国内从8 0 年代起，开始出现温度自动检定系统。随着计算机 技术的迅速发展，温度自动检定系统的出现，解决了现场温度仪表( 从一般的工 业热电偶，热电阻自动检定系统到国家计量实验室) 的自动校准工作。0 1 在工业现场，热电偶是一种常用的温度传感器。在使用过程中，由于受到测 量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护管材料的玷污等影响，使用一 段时间后，其热电特性会发生变化，尤其是在高温、腐蚀性气氛以及特殊工况下 ( 如高速、高压、高温、熔融金属和表面测温等) ，这种影响就更为严重。当热 电偶的热电特性变化超过规定的范围时，热电偶指示的温度便会失真，测温误差 越来越大。2 4 “刎因此，为保证对国际温标i t s 9 0 的溯源性，热电偶作为温度计 量器件，必须按照国家检定规程和校准规范要求进行定期检定，以此确定其误差 大小，根据误差的大小决定被检热电偶是否可以继续使用，如误差大小在相关检 定规程的范围内。则给出其修正值，否则，判为不合格。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 国外研究情况 国外较早研究的是美国国家航空与航天局( n a s a ) 的引力材料科学实验室 ( m m s l ) ，早在1 9 9 1 年就研制出热电偶自动校准系统，该系统当时可以对从室 温到6 5 0 范围内的k 型热电偶进行校准，局限性较大2 1 美国h a n sm ，l a pa c c r e d 慨dm e 仃o l o g yl a b o r a t o r y 使用比较法可以对 一2 0 0 到1 1 0 0 测温范围的温度计进行自动校准。 f l u k ec o r p o m t i o n ( 美国福禄克公司) 针对本公司生产的几种型号的恒温装 置。温控器及电测仪表，研制了9 9 3 8m e t 厂r e m p 温度自动校准软件，可以把该 第一章绪论 公司的硬件装置组合起来，构成一套温度自动检定系统。 斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学电子工程系的计量与质量研究所内，有一个商 精度温度自动校准实验室。n ， 下面以该实验室为例，简要说明一下该实验室的具体情况。实验室可以对5 5 1 2 5 0 温度范围内的温度计进行测量和校准。其硬件装备包括：在不同温区 提供均匀温场的不同恒温装置，标准铂电阻温度计，标准热电偶，精密电桥以及 纳伏，微欧表。其软件用l a b v i e w 编程来控制所有的自动校准过程。恒温装置和 计算机的通讯通过r s - 2 3 2 来实现，精密电桥、纳伏微欧表以及扫描开关通过 g p i b 和计算机进行通讯，具体见图1 1 。 图l l 高精度温度自动校准实验室配置 自动校准软件实现了以下三个方面的功能： 1 在线时可以实现温度检定点的控温。根据测试仪器采集到的数据进行控 温。( 测量得到标准铂电阻的电阻值、热电偶的电压值，将其转换为温度值或者 通过对获得的液体温度计的图象进行模式识别来实现检定点的控温。) 2 第一章绪论 2 离线时的功能包括：设置检定点，参数设定( 测量仪器的选择，恒温装置 的稳定标准，标准温度计以及被检温度计开始读数时温场的动态标准) ，对测量 结果进行处理等。 3 可以对系统硬件进行自检 以下是校准的过程。 图l 一2 自动校准软件流程图 首先根据被检温度计，从标准数据库中选择一个合适的标准温度计和合适的 恒温装置，然后将标准和被检温度计和电测仪器连接好并将各个参数设定好，对 第一章绪论 需要校准的温度点进行设置接下来，开始校准。由标准温度计起控温作用当 在被校准的温度点附近温场稳定时，计算机将测量得到的数据采集进来并保存。 当所有设定的被校点都校完后，计算机即对被检温度计的数据进行计算处理并给 出合格与否的检定证书。当然在这整个过程中，并不完全都是自动化的。主要原 因是标准温度计和被检温度计还是由人放置在特定的恒温装置中的( 没有机器人 来执行这一步骤) 。因此，在每次校准前，必须有人在现场将温度计放在合适 的恒温装置中，并且由人来控制温度计插入恒温装置中的深度。其软件流程图如 图1 2 所示。 该套温度自动校准系统采用l a b v i e w 作为编程软件，大大减少了校准时间， 提高了校准精度。另外，由于l a b v i e w 的开放性，利用它编制软件，使得该 套校准系统可以根据实际情况对不同温度计( 包括热电偶，热电阻、液体温度计) 选择不同校准设备和不同测量仪表进行校准，并且可以使温度计量工程师对实验 室现有的设备资源进行充分利用和合理配置。 1 2 2 国内研究情况 国内生产开发工业热电偶自动检定系统的厂家有：浙江洞头自动化仪表厂、 北京中航机电研究所、西航电子仪器厂、泰安智能仪器仪表厂、北京康斯特科技、 上海华易电子有限公司，北京斯贝克科技有限公司、上海嘉翎仪表材料科技研究 所以及其它一些厂家。工业热电偶自动检定系统的种类很多，它可以是一体化的， 也可以是由若干部件构成的，其典型结构如图1 3 所示。h 1 从图中可以看出， 不论是哪种厂家的工业热电偶自动检定系统，都必须具备：提供均匀温场的恒温 装置，相关温度控制系统，扫描开关以及能够读取标准和被校热电偶毫伏输出值 的高精度数字万用表。【6 ， 恒 通 计 温 = 蚓联叫! 三卜 接 算 装讯 置 机 口 _ - 1 控温器 图1 3 工业热电偶自动检定系统典型结构 4 第一章绪论 下面以浙江洞头自动化仪表厂生产的v st r 9 9 2 工业热电偶自动检定系统 为例，说明该系统的组成及工作原理。该系统的组成如图l 一4 所示 图1 4v s t r 一9 9 2 工业用热电偶自动检定系统组成 当检定工业热电偶时：把标准热电偶放入一支内径6 m m 的石英玻璃管内并 且和被检热电偶捆扎在一起，而且所有热电偶的感温头要处于同一截面上，然后 装在管式检定炉的最高温区。热电偶通过补偿导线延长至冷端与铜导线相接，其 接点置于冰点恒温器中以保证热电偶冷端为o 。与热电偶补偿导线相接的铜导 线接至v s t r 9 9 测温元件自动检定装置测控仪的信号输入端，v s t r 9 9 测控仪 可接受微机指令，按双极法的检定要求切换各检测通道，使高精度数字电压表的 测量端与相应的测点回路相通，数字电压表按照微机的指令进行电势测量并把测 得电势值送回微机。微机是热电偶自动检定过程的控制者，它根据检定工作的需 要，控制切换开关的切换工作和数字电压表的数据采样工作，根据测得的标准热 电偶热电势换算出当前的炉内温度，并按照设定温度点的要求控制v s t r - 9 9 测 温元件自动检定装置伺服器，改变检定炉的加热电流，从而实现检定炉炉温的自 动控制。当检定炉的炉温达到某设定温度的检定要求时，微机则控制切换开关巡 回切向标准热电偶和各被检热电偶，每切换一路，高精度数字电压表就测量该回 路的热电势并把所测的热电势信号值传送给微机存储待用，当该检定点按要求检 测完毕，微机自动转向下一个温度检定点。当所设定的温度检定点都检测完毕， 微机则按检定规程的要求做检定计算，然后整理检定结果并记录在固定格式的测 量记录和数据综合表中，用户可在微机上随时调出所有检定报表，查看或打印。 1 3 本文研究目的和意义 早期的工业热电偶检定由人工操作完成，这种方式是凭借操作人员的经验将 第一章绪论 温度逐个控制到每一个温度检定点，然后尽量将其稳定下来，加以检定。在检定 过程中，操作员一方面要记录每一热电偶的数据，另一方面还要进行热电偶的切 换。这种方法难以保证稳定时的精度，另外手工操作时间较长，存在着较大的延 时误差，同时人为因素太大，因此，难以保证热电偶检定中严格的技术要求。 随着计算机技术的迅速发展，9 0 年代初人们开始研制工业热电偶自动检定 装置以解决现场仪表的自动校准工作。在自动校准系统研制的初期热电偶的校准 需要购买很多设备( 恒温炉、测量仪器等) ，这些设备大部分是从不同厂家购买 的，它们本身都带有相应的软件，但这些软件之间是不能集成并相容的，因此， 许多工作还是人工完成的，这时可以称为半自动检定。随着进一步的研究和开发， 出现了成套的热电偶自动检定系统，这一系统把各个设备的控制，测量以及结果 的处理、保存、打印等功能集中在一套软件中，从而真正实现了自动检定和校准。 但这一系统价格昂贵，不能充分利用现有硬件资源，需要从开发商重新购买控温 器、扫描开关、电测仪表等硬件及其相关软件，造成了资源的极大浪费。并且这 些系统在程序的编制上，采用了传统的编程语言，编程耗费的时间比较长，依赖 于专业程序员和特定的编程语言。另外，系统一经形成，无法随意更改其相应参 数，不能使温度计量工程师对该系统进行修改和更新。希望的情况是：可以让温 度计量工程师在原有硬件设备的基础上，自由构建工业热电偶自动检定系统，让 温度计量工程师可以成为自动校准系统的设计者、使用者、维护者和更新者。 而虚拟仪器技术正是基于计算机系统的测控解决方案，区别于把计算机技术 融入仪器内部的智能仪器，它将各种计算机平台，测量控制仪表和其他的硬件、 软件和附件按用户自己的需要灵活组建，构成特定的智能测控系统，实现面向用 户的特定功能。这样可以充分利用现有硬件资源，自由构建工业热电偶自动检定 系统。虚拟测控系统的基础是计算机系统和有关测控设备等硬件，其核心技术是 面向工程师的开放式软件开发环境l a b v i e w 。l a b v i e w 语言是美国n i 公司为 适应计算机和软件技术的发展，加快仪器的开发和完善其功能而推出的。它使用 图形化编程语言编程，执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，而不是传统 文本语言的按命令行次序连续执行。它具有界面友好、易学易懂、节省开发时间 等优点，是目前广泛应用于仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示等领域的 一种语言。使用数据流程图式的原代码图形化编程方式gp r o 目猢i n g ，只需懂 6 第一章绪论 得一些基本的编程知识，使计算机测控系统的设计可以由专业的温度计量工程师 来完成，从而摆脱了对专业程序员的依赖。一方面本课题将通过l a b v i 趼强大的 数据采集与总线连接库，与测量控制仪表的智能接口实现数据通讯，可提高校准 测量数据的可靠性。另一方面，由于l a b v i e w 的开放性，可以使计量校准实验室 的设备资源得到充分利用与合理配置。在继承传统编程语言结构化模块化的基础 上，l a b v i e w 采用数据流程的图形化g 语言编程技术，把复杂费时的软件编程简 化为菜单提示和图标连接调用。已编制的各种子程序s u b v i 可用图标表示。修改 设定图标中的有关参数，完成图形化程序的初步编辑；连接图标之间表示数据类 型的输入输出线段，实现了子程序之间的链接与调用。应用规则检查、运行灯亮、 断点、探针和单步执行等可以对程序进行调试和修改。 正是由于虚拟仪器系统的开放性和图形化模块式的编程方式，使得计量测试 工程师可以根据温度计量实验室的现有的实际仪器设备情况，编制相应的控制 s u b 系列和测量s u b 系列。基于上述原因，本选题从用户的角度出发，选用 l a b v i e w 作为开发平台，使得了解和掌握虚拟仪器技术的温度计量工程师，可 以成为该系统的设计者、使用者、维护者和更新者。 1 4 本文研究方法和内容 工业热电偶自动检定系统的种类很多，它可以是一体化的，也可以是由若干 部件构成的，其典型结构如图1 3 所示。本文选用l a b v i e w 平台来构建工业 热电偶自动校准系统。 下面结合本课题实际情况，简单说明一下本选题要实现的具体功能。 经过大量调研，国内工业热电偶自动检定系统的生产开发厂家，主要有：浙 江洞头自动化仪表厂、北京中航机电研究所、山东省计量仪器实验厂、北京康斯 特科技、上海华易电子有限公司、北京斯贝克科技有限公司以及上海嘉翎仪表材 料科技研究所这些厂家所用到的电测仪表( 用于测量电信号的测量仪表，主要 指数字多用表) 主要有一下几种：h p 3 4 4 0 l a 数字万用表、k e i t h l e y2 0 0 0 数字万 用、h y 2 0 0 3 a 六位半热电偶热电阻测试仪等。为了能让温度计量工程师根据自己 的实际情况选购或使用这些电测仪表，本论文其中的一个任务就是要在 l a b v i e w 平台下编制相应的驱动程序，使得温度计量工程师可以根据自己的系 统配置调用对应测量子程序。另外一个任务本文将针对系统没有独立的温度控制 7 第一章绪论 仪表的情况，在l a b v i e w 平台下构建工业热电偶自动检定系统此时计算机将 直接对炉温进行控制，对标准和被检热电偶输出进行测量，并进行数据处理。在 该系统中，计算机实际上还担负着控制仪表的作用，因此其软件功能庞大，除了 通讯、判定和内插计算外，还包括控制方式，控制算法和检定结果的数据处理。 在该部分的工作中，控制算法将是本文研究的一个重要方面，因为不同的控制算 法将产生不同的控温效果，选取一个好的控温算法可以提高控温精度，可以减少 检定时间。 具体的研究内容如下： 第二章分析了热电偶的工作原理、热电偶的检定与分度及检定过程中需 要进行的数据处理，为下文的热电偶自动检定提出理论依据。 第三章对本系统的硬件组成与实现作了介绍，详细阐述了相关硬件的工 作原理与技术性能。 第四章介绍了本系统的软件设计，包括总体设计和部分模块的设计。 第五章介绍了两种检定炉温度控制方案及其在l a b v i e w 平台下的软件 编程并对各自的实验效果作了分析，然后利用本系统对一k 型热电偶进 行检定。 最后对本项目所作的研究工作做了总结，指出了不足之处与改进的方 向 s 第二章热电偶自动检定的理论基础 第二章热电偶自动检定的理论基础 2 1 热电偶工作原理 在交通，电力、化工等行业中，为保证系统的正常、安全运行，必须对各类 工业参数，如温度、压力、流量等进行检测、显示、记录和控制。而温度是其中 一个重要的参数，它是国际单位制中7 个基本物理量之一，是表征物体冷热程度 的状态参数。在工业现场，热电偶是一种常用的温度传感器，其测温原理如下： 在两种不同成分的导体( 或半导体) a 和b 组成的闭合回路中，如果它们的两 个接点的温度不同，则回路中会产生一个电动势，称之为热电势。它的大小与两 端的温度差有关。这种直接把热能转变成电能的现象称为温差热电效应。利用这 种效应来测温的方法称为热电测温法。如图2 1 所示，a ，b 两根不同材料的导 体，称为热电极。由a ，b 两极焊接成对后则称之为热电偶。随着科学技术的不 断发展，各种类型的热电偶不断涌现，测温范围不断延伸。低温可至4 k ，高温 可达2 8 0 0 ，其测温准确度仅次于电阻测温法。热电偶具有结构简单，热容量 小、材料的互换性好、滞后效应小，信号能够远距离传送和多点测量，便于检测 和控制等优点。因此利用热电偶作为传感器的热电偶温度计在工业生产及科学研 究中得到了广泛的应用。“ c ( t ) ，、 自( t ，t o ) ib ( 负极) ( 正极) ) e ( t jn ) je n ( t lt o ) e ( t o ) 图2 1 热电偶回路热电势 热电偶闭合回路中产生热电势的现象最早是由塞贝克发现的，因此称之为塞 贝克效应。之后，珀耳贴和汤姆逊对此现象分别作了实验与说明，认为它是导体 9 第二章热电偶自动检定的理论基础 的接触电动势和温差电动势的综合结果现在来研究两种不同导体a 和b 组成 的热电偶回路的总电势。如图2 1 ，设其测量端与参考端的温度分别为t 和t o 若热电偶回路的热电势ea b ( t ，t o ) 包含a 和b 导体的两个接点分别在t 和 t o 处的接触电势e a b ( 1 ) 及e a b ( 1 0 ) ，以及a 和b 导体因其两端点存在温差而产 生的温差电势e a ( t ，t o ) 和e b ( t ，t 0 ) ，取e a b ( d 的方向为正向，则该热电势可表 示为： e a b ( t ，t o 产e a b ( 1 ) + e b ( t ，t d ) - e a b e 盯，t 0 ) ( 2 一1 ) 根据珀耳贴效应，各种导体中都存在大量的自由电子，不同导体的自由电子 密度也不同，当两种金属连接在一起时，在接点处就要发生电子扩散，电子密度 大的金属的自由电子就要向电子密度小的导体扩散。这时电子密度大的金属由于 失去电子而具有正电位；相反，电子密度小的金属由于获得了多余的电子而带负 电，这种扩散一直到动态平衡为止，此时将具有一定的稳定的接触电势，该接触 电势除与材料性质有关，还与接点温度有关，a b 两导体在温度t 时的接触电势 ( 珀耳贴电势) e a b ( d 大小可用下式表示： e 加c 驴等h 器 p 川。“ ( 2 - 2 ) 式中，足为波尔兹曼常数，p 为电子电荷，以口) ， r 占( 丁) 为材料a 和b 在温度t 时自由电子密度。 阮仙( t 0 ) ：孚l n 器 ( 2 - 3 ) 式中。口) ，。( 丁) 为材料a 和b 在温度t o 时自由电子密度。 根据汤姆逊效应，对于单一均质导体，当两端温度不同时，两端也将有一定 大小的电势。产生的原因是。在不同温度下，自由电子具有不同的动能，温度 高时动能大，动能大的电子就会向温度较低的一端跑去，所以在同一导体内当 两端温度不同时，两端也会产生一定大小的电位差( 汤姆逊电势) 。温差电势 e n ( t ，t o ) 和e b ( t ，t o ) 的大小可分别用下式表示： 嘣t ，n 产等古半t q q 第二章熟电偶自动检定的理论基础 e 肌驴等j ：击半z p s ， 式中，k 为波尔兹曼常数，p 为电子电荷， r 。，虬，为材料a 和b 的自 由电子密度，它们是温度t 的函数。 将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 _ 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 1 ) ，可得： e 矾t 0 卜等j ：l n 瓮诈j ：z ( 2 6 ) 式中，s 仙5 等l l l 瓮，称为热电偶的塞贝克系数或热电动势率它是一支 热电偶最重要的特征量，其大小与符号取决于热电极材料的相对特性。由式( 2 - 6 ) 可知，热电偶总电势与单位体积内自由电子数 r m 、 ，。及两接点温度t ，t o 有 关。 k 和心，不仅取决于热电偶材料的特性，而且随温度变化而变化，因而不 是一个常量。当热电偶的材料确定以后，其总电动势e b ( t ，t o ) 成为温度t 和 t 0 的函数差。即 e a b 口，t 0 ) = ，( 1 ) 一厂( ，r 0 ) 通常把t 称为测量端或工作端温度；t o 称为参考端温度。如瓦为定值，则 其总电动势就只与t 呈单值函数关系： e a b 仃，t o 产，( d c = 妒( d 这一关系奠定了热电偶测温的基础，即只要测得其电动势e a b ( t ，t o ) ，就可 求得被测温度t 通常分度时将热电偶的t 0 保持在o 。因此，可将热电势与温 度的关系列成表格即分度表，或绘制成热电特性曲线，也可整理成内插公式。 目前国际上已有8 种标准化热电偶，国际上称之为字母标志熟电偶( i e n e r d e s i 驴c dt t l e 加o c o u p l e s ) 这些字母标志最初由美国试验与材料学会( a s l m ) 所 引入，但是现在已为全世界所广泛采用。按惯例，在书写时，正极成分写在前面， 例如铂1 0 铑铂热电偶，铂铑1 0 ( 根据我国检定规程，铂铑1 0 表示铂1 0 铑， 以此类推) 为正极，铂为负极。下面简单介绍一下以i t s 9 0 为基础的热电偶的 参考函数( 分度公式) 。由于这些热电偶覆盖的温区比较宽，为保证拟合准确度， 第二章熟电偶自动检定的理论基础 通常采用分温区拟合。参考函数是制订标准分度表的基础。其表达式中的温度值 以表示。8 种热电偶的参考函数在不同温区的系数和幂次各不相同，但是，数 学模型除k 型热电偶外都是一样的，其多项式形式为 l e = c ( ) l - 0 ( 2 7 ) 式中， e 为热电势，单位为m v ；，蚰为i t s - 9 0 的摄氏度；c 。为系数。 对于这几种热电偶，还给出了式( 2 7 ) 的逆函数，以及依次得到的f 作为e 的函数的分度表。这类分度表在实际中有不少优越之处。用逆函数由占计算f 较 为简便，避免了繁琐的迭代。逆函数的数学形式为 ， f 9 0 = e ( e ) ( 2 8 ) 1 1 0 式中，c 为系数；f 和e 的单位同式( 2 7 ) 。 这里，应提醒的是，用式( 2 - 8 ) 所求得的温度值与式( 2 7 ) 给出的略有差 异，差异约在o 0 2 到o 0 5 以内。此外，用式( 2 8 ) 计算温度时，只局限 于规定范围，不能任意延伸，否则会造成较大的误差。 k 型热电偶的参考函数的形式为 h f e = e ( r 钟) + 口o e 唧钿- 1 2 6 9 罅印2 ( 2 9 ) j - o 式中， e 为热电势，单位为m v ；f 9 0 为i t s - 9 0 的摄氏度；铴，q 和c 是9 次幂多项式加上指数表达式的有关系数。此函数覆盖0 1 3 7 2 温区。0 以 下温区的函数式为 e = c 。9 。) j i o 逆函数的形式如式( 2 8 ) ， 差在0 0 5 之内。 ( 2 1 0 ) 由逆函数得到的温度值与按上两式给出的，相 2 2 热电偶的检定与分度 为保证对国际温标1 1 r s 9 0 的溯源性，热电偶作为温度计量器件，必须按照国 第二章熟电偶自动检定的理论基础 家检定规程和校准规范要求进行定期检定或校准。图2 2 给出了以铂铑1 0 一铂 热电偶为温标传递标准的检定系统框图。( 根据热电偶检定系统j j g 2 0 0 3 8 7 及 其它相关规程整理得出) “ 图2 2 以铂铑1 0 一铂热电偶为温标传递标准的检定系统框图 工业热电偶主要包括工作用贵金属热电偶和工作用廉金属热电偶。前者主要 指铂铑l o 一铂( s 型) 、铂铑1 3 一铂( r 型) 和铂铑3 0 一铂铑6 ( b 型) 。1 热 电偶。后者主要指镍铬一镍硅( 铝) ( k 型) 、镍铬硅一镍硅( n 型) 、镍铬一 铜镍( e 型) 、铁一铜镍( j 型) 这四种热电偶。本文主要针对工作用廉金属热 电偶的自动检定进行研究，故下面将详细论述工作用廉金属热电偶的检定。不同 等级热电偶在规定温度范围内，其允差应符合表2 1 规定。“ 1 3 表2 1 工作用廉金属热电偶测温范围及允差 热电偶分度号 等级测量温度范围( ) 允差o i一4 0 1 1 0 01 5 或0 4 t 。 k u 一4 0 1 3 0 02 5 或0 7 5 t i一4 0 1 1 0 01 5 或o 4 t n i i 一4 0 1 3 0 02 5 或0 7 5 t i 一4 0 8 0 01 5 或o 4 t e i i一4 0 9 0 02 5 或o 7 5 t i 一4 0 7 5 01 5 或o 4 t j i i一4 0 7 5 02 5 或o 7 5 t 注：”允差取大值；t 为测量端温度 热电偶的分度，就是将热电偶置于若干给定的温度下测定其热电势，并确定 热电势与温度的关系。工作用廉金属热电偶在整百度点上被测定，测出它