（精密仪器及机械专业论文）固体温度继电器自动测控系统的研究.pdf

固态温度继电器自动测控系统的研究 摘要 本项目是某预研项目的子课题，该子课题要求研制一种测试固体温度继电 器动作温度和回复温度的自动测控系统。在认真分析自动测控系统要求的基础 上，利用机械、传感器、电子、计算机和导热学等各种理论和技术设计了一套 切实可行的测试和控制方案。 根据机械、导热学理论，在充分研究固体、液体和气体的传热特性后，确 定了采用试块测定法，利用液体间接控制紫铜块温度的控温方案，并且依据此 方案设计了温控箱。 在硬件设计方面，利用模块集成化的思想，在充分的比较各种方案的基础 上，确定了以p c 机为核心的测试和控制的电气方案，在此基础上，搭建了电气 系统。 在整体方案的指导下，在认真分析温控箱和电气系统特点的基础上，提出 了一种适合自身特点的、以自适应模糊控制为核心的控制算法；对铂电阻传感 器的非线性进行了修正，提高了测温的精度；充分发挥p c 机的优势，建立了数 据管理系统。 软件方面，在w i n d o w s 9 8 操作系统的平台上，以v i s u a lb a s i c6 o 高级 语言为工具，设计了相应的虚拟仪器软件系统，实现了程序代码和前端界面。 最后进行了认真的调试，添加了许多抗干扰和安全措施。经过近一年运行， 表明系统性能可靠、安全、稳定，完全达到了设计要求。 关键词：虚拟仪器数据采集模糊控制温度传感器 r e s e a r c h0 i ia u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m o fs o l i dt e m p e r a t u r e r e l a y a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sas u b - p r o j e c tf r o ma l la c a d e m i ci n s t i t u t i o n ，w h e r ea l la u t o m a t i c m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sr e q u i r e dt ot e s ta c t i v et e m p e r a t u r ea n dr e v e r t i v e t e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，m a k i n gf u l l u s eo ft h ei n t e g r a t ep r i n c i p l eo fm e c h a n i s m ， s e n o ge l e c t r o n i c s ，l i q u i d ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da ss oo n ，as u i to ff e a s i b l e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls c h e m ei sd e s i g n e db a s e do nt h a tt h er e q u i r e m e n to ft h e s y s t e mi sa n a l y z e dc o m p l e t e l y a t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ds c h e m ew a sd e c i d e dt h a ta d o p t e dat e s t i n gb l o c ka n d t h et e m p e r a t u r eo ft h et e s t i n gb l o c kw a sc o n t r o l l e dt om a k eu s eo f l i q u i d b e f o r es o m e c h a r a c t e r i s t i c so fh e a te x c h a n g eo ns o l i d ，l i q u i da n dg a sw e r es t u d i e dc a r e f u l l y , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f m e c h a n i s ma n dh e a te x c h a n g e at e m p e r a t u r e c o n t r o l l e d d e v i c eh a sb e e n d e v e l o p m e n t b a s e do nt h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ds c h e m e u s i n gi n t e g r a t e dm o d u l e i d e a ，a l le l e c t r i cs c h e m eo f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l w a sd e c i d e dt h a tw a sac o r eo fp cb a s e do nc o m p a r i n gs o m ek i n d so fs c h e m e s p r u d e n t l y w h a t sm o r e ，a n e l e c t r i cs y s t e mh a sb e e nb u i l t an e wt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e d a l g o r i t h mh a s b e e nd e v e l o p e d ，w h e r e f u z z y c o n t r o lw a sac o r e s o m ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e t e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e dd e v i c ea n dt h e e l e c t r i cs y s t e mw e r ec o n s i d e r e di nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ta l g o r i t h m m e a s u r e m e n t p r e c i s i o no fp t l 0 0w a si m p r o v e dt oi n t e g r a t ew i t hp t l 0 0 sc h a r a c t e r i s t i c ad a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m w a sb u i l db y t a k i n ga d v a n t a g e o f p c w eh a v ed e s i g n e dc o r r e s p o n d e n c es o f t w a r eb a s e do nv i r t u a li n s m m a e n ta n d f r o n te n di n t e r f a c eu s i n gv i s u a lb a s i c6 0 f i n a l l y t h e s y s t e m w a st e s t e d c a r e f u l l y a n d p r o v e d t om e e t p r e s c r i p t i v e r e q u i r e m e n t b e c a u s ei ts t i l lw o r k e d n o r m a l l y s i n c el a s ty e a r k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，t e m p e r a t u r es e n s o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些盘堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多哎缎媚 签字日期：z 千年6 月z 口日 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全都或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 扶扳药 签字日期帅且即日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 撇名：鞠教l i 、 p 、 签字日期；扫l 卜年6 月讪日 电话： 邮编： 致谢 本课题是在我的导师胡毅老师的悉心指导下完成的。胡老师不仅在学习上 和专业上给我精心的指导和帮助，而且在生活上也给予很多的关怀，帮助我克 服了很多困难，使我得以顺利完成学业。近三年的读研过程中，在胡老师的谆 谆教诲下，在学术上，我获得设计和管理测控项目的基本能力和方法，这将为 我以后的生存和发展起到了基础性的作用；更重要的是，胡老师教会了我如何 做人和如何与别人合作，使我树立了正确的人生观和价值观，使我自身素质得 到了极大的提高。我想，胡老师的谆谆教诲将对我的一生产生极大的作用，将 鼓励我在人生的道路上发奋图强，努力拼搏。在此毕业论文即将结束之际，向 胡老师表示衷心地谢意。 叶兵老师在学习上和专业上给我同样精心的指导，在此表示同样的谢意。 感谢胡生清教授、黄其圣教授、王永红老师、陶小杰老师、刘文文老师等 仪器仪表学院的其他老师，自从入学到现在，得到了他们很多关心和帮助。 感谢周耀新等实验室的老师，他们不仅为我提供实验的条件，也精心的指 导我做实验，提高了我的动手能力。 感谢我的同学汪君、张文、陈小艳、刘湘；感谢我的师弟魏礼俊、陈海荣、 戴鲲鹏、杨凌波等；感谢刘芳芳、蒋敏兰、王执权和李红丽。他们给我很多的 鼓励和帮助，令我度过了很多愉快的时光。 感谢所有为本课题付出努力的人们，正是在他们的帮助下，课题才得以圆 满完成。 谨以此文献给我的父母和家人，献给所有关心、帮助过我的老师、同学和 朋友们! 作者：张贺新 2 0 0 4 年5 月 第一章绪言 l1 问题的引出 随着现代化生产过程向更高的精确度、更快的节奏和更复杂的流程发展， 原有的测试技术已经越来越不能适应现代化生产的要求。自2 0 世纪7 0 年代以 来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在它们的推动下，为适应现代化生产甚 至战争的新需求测量技术与仪器不断进步，相继诞生了智能仪器、p c 仪器、 v x i 仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统，计算 机与现代仪器设备间的界限日渐模糊。这不仅拓宽测量领域和范围，也使仪器 的功能发生了质的变化：从个别电量的测量转变成测量整个系统的待征参数； 从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单个仪 器进行测量转变成用测量系统进行测量，特别是9 0 年代以来，微型机的发展， 使仪器仪表具有更强的数据处理能力。 本课题研究的固体温度继电器自动测控系统，适应了测试系统的这一趋势， 符合测试系统的自动化、智能化测试过程更快、更准确的要求。固体温度继电 器是一种对温度敏感的热保护元件。它将传感器部分和执行装置集中于一体， 当周围的温度过高时，可是使电器触点迅速断开，从而在电路中起到保护作用。 它广泛用于应变于控制器、变压器、电动机和各种发热电器的保护回路中。如 何测试固体温度继电器，是研制和生产固体温度继电器的基础条件。以往，测 试固体温度继电器采用手工操作的办法：使用恒温箱加温和降温，将每支继电 器的接点引至发光二极管l e d 两端，通过观察l e d 的亮或灭，判断接点状态， 同时，用一支水银温度计插在恒温箱的上方，由操作人员记录温度值。这种检 测方法落后、效率低、误差大，人为发生的误记、错记和漏记现象难以避免。 使用这种方法来研制和生产固体温度继电器，产品质量难以保证：对于大量的 产品检钡9 ，需要花费很大的时间和精力，但所检测的结果精确度不高；尤其对 于高标准的要求，往往难以胜任，因此。需要研制新的固体继电器自动测控系 统，满足研制和生产固体温度继电器的要求。 1 2 国内外的研究现状 检测固体温度继电器的设备，要求较高、专用，因而国内外鲜有报道，所 以只有根据具体的测试要求规范，研制固体温度继电器自动测控系统。 根据具体的测试要求规范，固体温度继电器自动测控系统可以分为温度控 制、固体温度继电器动作温度和回复温度的检测、数据管理系统三大部分；从 具体需要来讲，需要测试不同的固体温度继电器。从两方面来考察国内外的研 究现状，对于研制固体温度继电器自动测控系统有着重要的参考价值。 一、温度控制 温度控制是科研和实际生产中经常用到的一类控制系统，为保障生产的安 全进行，提高产品的质量和数量，降低工人的劳动强度，节省人力、节约能源， 常常要实现温度的自动控制。然而，这种温度控制的电路系统很多，有模拟电 路构成的、也有数字电路构成的，但其电路复杂且控制效果不佳。只能用于一 些精度要求较低的场合。作为高精度的检测设备，采用这些电路系统难以达到 要求，因此需要寻求新的温度控制方法。近年来，基于p c 的测控技术提供的新 思路，采用这一技术，可以充分发挥软硬件相结合进行温度控制，使得高精度 的温度控制得以实现。 二、温度检测 温度检测是温度控制的前提，是决定温度控制精度一个重要方面；本系统 最终需要快速、准确地检测固体温度继电器的温度点。因此，温度检测是本课 题又一个重要内容。 温度是表征物体冷热程度的物理量。近年来，人们研究温度检测，无论是 在检测方式还是在检测精度上都取得了很大的进展。就检测方式而言，可以分 为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温方式测温比较简单、可靠， 测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，帮需要一定 的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制， 不能应用于很高的温度测量。非接触式测温是通过热辐射原理来测量温度的， 测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破 坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距 离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。就测量精度而言，从理 论上，可测到很高的精度，虽然要求较高的测试环境；在实践上，一些温度传 感器经过测试系统的软、硬件处理，可以达到所需要的精度。 三、数据管理系统 随着数据库技术的不断进步，为每个产品建立相关档案，已经成为测试系 统必备的一项功能。用于研制产品的测试系统，应为实验的样品建立数据管理 系统。这样研究人员可以进行比较分析，从中得出有益的结论。 四、自动测试系统 七十年代中期提出了新的自动测试系统，把计算机和测试系统融为一体。 在新的自动测试系统，采用计算机软件代替传统仪器的某些硬件。在这种系统 中用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析即通过计算机直接产 生测试信号和测试功能。这样，仪器中的一些硬件甚至整个仪器都从系统中消 失了，而由计算机及其软件来完成它们的功能，形成一种虚拟仪器。 新的自动测试系统的出现给电子测量带来了真正革命性的冲击，在测量原 理、仪器设计等很多方面都产生了重大影响。充分发挥计算机的作用，用计算 2 机的软、硬件资源代替测量仪器中的大量硬件，是电子测量发展的一个重要方 向。 1 3 本课题研究的意义 固体温度继电器具有广泛的应用前景，具有其他温度继电器不具备的特点， 研制和生产固体温度继电器有着重要的意义。为此研制相应达到要求的测试设 备也是必需的。这对研制固体温度继电器有着基础性的意义。 1 4 本课题解决的内容和预期的效果 本课题是中国电子科技集团公司某研究所“十五”武器装备预研项目一“微 型高精度固体温度继电器技术研究”的子课题。根据予课题所要达到的目标 需要解决以下几个方面的内容： ( 1 )固体温度继电器测控系统的整体方案设计； ( 2 ) 固体温度继电器测控系统的硬件方案设计； ( 3 )固体温度继电器测控系统的软件方案设计： ( 4 ) 温度控制技术： ( 5 )高精度温度检测技术： ( 6 ) 数据库技术。 本课题研制的测控系统应达到子课题所提出的目标，完成各种固体温度继 电器的规定的测试要求。 第二章固体温度继电器自动测试系统总体设计 2 1 固体温度继电器测试方法的选择 2 1 1 固体温度继电器简介及测试参数 固体继电器( s s r ) 是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体器件和电 子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能。固体继电器与传统的 电磁继电器( e m r ) 相比，是一种没有机械、不含运动零部件的继电器，但具有 与电磁继电器本质上相同功能。固体继电器具有很多传统电磁继电器所没有优 点：多数产品具有零点压导通，零电流关断，e m r r f i 低，长寿命( 可靠性高) ： 无触点一可承受比较高的冲击电流负载；无噪音：与逻辑电路兼容( t t l 、d t l 、 h i n i l ) ：形式设计灵活；切换响应速度快：全固体封装，无运动另部件；无触 点回跳。固体温度继电器是固体继电器的一种，由于其内在的优点，被广泛的 应用到工业自动化领域，特别是计算机自动控制领域。 固体温度继电器的基本测试电参数有两种：动作温度点和回复温度点。动 作温度点是在规定条件下，固体温度继电器接或断开的温度点；回复温度点是 在固体温度继电器在完成规定的动作后，其触点恢复到初始状态( 正常断开或 正常闭合) 时的温度。正常断开的固体温度继电器为常开( h ) 型：正常闭合的 固体温度继电器为常闭( d ) 型。固体温度继电器由闭合状态变为断开状态的动 作，称为断开动作，断开动作的温度点称为断开温度点：固体温度继电器由断开 状态变为闭合状态的动作称为闭合动作，闭合动作的温度点称为闭合温度点。 常开型和常闭型的温度条件为室温。 固体温度继电器自动测试系统所要完成功能是：在- 1 0 - 1 1 0 范围内，能 够按照规定的测试方法测试固体温度继电器的动作温度和回复温度，并依据给 定的判据判断是否合格。 2 1 2 固体温度继电器鉴定检验常用方法 根据相关标准规定，固体温度继电器鉴定检验常用方法可以为液体测定法、 空气测定法、试块测定法和其他合适的方法确定动作温度点。 1 ) 液体测定法：继电器应浸没到可均匀搅拌的合适液体中。为了监测触点 的动作，继电器应接到一个合适的指示电路中。当温度在动作温度范围2 8 c 以内时，温度变化的速率应不大于0 5 5u m i n 。 2 ) 空气测试法：采用与液体测定法同样的程序，但继电器应放在一个循环 空气箱内。温度变化率应不大于0 5 5 己，j 村力。 3 ) 试块测定法：采用一块高导热率的金属。该金属应配有调节自身温度装 置，并应经过验证当其温度以1 1 口m i n 的速率变化时，在试块表面试验区域 内温度差不大于所测试的继电器动作温度范围的2 0 ，指示试块温度装置的准确 4 度和刻度可读值应不大于被试继电器动作温度的1 0 。并当置于试块内部时，其 响应速度等于或大于被试继电器的响应速度。在继电器安装面与试块之间可以 使用导热剂( 润滑脂) 。应采用低压灯泡指示继电器的断开和闭合温度点。附贴 继电器的试块温度应稳定在低于最低动作温度点至少2 8e 然后，试块温度应 以不大于0 5 5 缅拍的速率上升，直至继电器动作。接着再以不大于0 5 5 口 m i n 的速率降低试块温度，直至继电器回复动作。 2 1 3 选择固体温度继电器鉴定方法 液体测定法要求将所要测试的固体温度继电器浸没到合适液体中，这就要 求固体温度继电器具有非常好的密封性能，否则，就有可能因为液体的渗入而 导电造成严重后果。在研制固体温度继电器的过程中，首先测试固体温度继电 器的动作温度点和回复温度点，达到要求后再封装。此外，采用液体测定法， 要求液体温度场的均匀性非常好，这给液体的搅拌设计带来很大的难度。 空气测定法满足研制固体温度继电器的需要，但是要求有一个温控箱，并 且对其温度场均匀性要求较高。在固体温度继电器测试时，在动作温度范围 2 8 口以内时，温度变化的速率应不大于0 5 5u m i n ，热交换需要较长时间达到 热平衡。在降温时，对冷凝器的要求较高，将会增加设备成本。在市场上，采 用此方法设计的某些温度继电器检测设备，没有考虑降温时的降温速率，也没 有给定具体的升温温度速率，经分析检测精度也达不到本测定方法的要求。此 外，在低温和高温段，如果温控箱隔热保温层效果不佳，环境温度对空气的影 响较大。 试块测定法对试块的温度速率提出了具体的要求，并对其测温装置也提出 了指标，可操作性强，但是要为金属试块配备自身调节装置。如何建立金属试 块的自身调节装置，是试块测定法一个难点；另一个难点是如何保证试块表面 试验区域内温度场。温度差不大于被试继电器动作温度范围的2 0 ：第三个难点 在于建立合适的试块温控装置，使其响应速度大于被测的固体温度继电器的响 应速度。其风险在于市场上没有相同功能的产品，一般的测试温度继电器的测 试设备没有这样严格的要求。然而如果能够很好的解决以上三个难点，采用 试块测定法具有很大的可行性。 采用高导热的金属试块，依据导热学的原理，可以配置金属试块的自身调 节装置。关键是寻找合适的导热介质，通过控制导热介质来调节金属试块的温 度，达到控制温度的要求。这种方法是可行的。第二个难点，可以采取建立导 热介质比较均匀的温度场来解决。第三个难点是如何建立测温装置的问题，可 以通过选择适合的温度传感器和利用温度传感器后端的软、硬修正来达到解决 这个问题。 在研制固体温度继电器的过程中，采用试块测试法，可以将没有密封的固 体温度继电器放到试块表面的测试区进行测试，然后确定所设计的固体温度继 电器基本性能，方便了固体温度继电器设计人员，节约了时间。不仅如此，可 以根据固体温度继电器不同的类型采用不同的金属试块，增加了固体温度继电 器的测试类型。因此，采用试块测定法比采用空气测定法和液体测定法更有可 行性。 2 2 固体温度继电器自动测试系统的基本功能和基本结构 2 2 1 固体温度继电器自动钡i 试系统的基本功能 依据试块测定法，可以得出固体温度继电器自动测试系统所具有如下功能 ( 如图2 - 1 ) ： 温 试 金属试块温度检测 系统 度 调 j 金属试块温度场劂 节 测系统 装 置 块 1 固体温度继电器动 7 i 作指示装置 图2 - 1 固体温度继电器自动测试系统基本功能框 ( 1 ) 控制金属试块温度的功能 通过金属试块的所配备的温度调节系统，可以在动作温度范围2 8 以内 时，温度变化的速率应不大于0 5 5 m i n 匀速升温或降温；也可以在回复温度 范围士2 8 刮双内时，温度变化的速率应不大于0 5 5 口m i n 匀速升温或降温。 ( 2 ) 试块表面试验温度监测功能 按照试块测定法的要求：在试块表面试验区域内温度差不大于被试继电器 动作温度范围的2 0 ，应在金属试块表面试验区均匀的取若干个温度采样点，实 时监测金属试块表面区的温度差。如果在温度差范围内，则正常运行；如果超 出了温度差范围外，则报警并按照一定的规则处理。 ( 3 ) 金属试块温度检测功能 固体温度继电器的动作温度是固体温度继电器动作时，金属试块表面的温 度：固体温度继电器的回复温度是固体温度继电器动作时，金属试块表面的温 度。因此检测金属试块表面温度是非常关键的一个环节。试块测定法规定：指 示试块温度装置的准确度和刻度可读值应不大于被试继电器动作温度的1 0 。根 据具体的固体温度继电器的要求，本测试系统的金属试块测温装置的准确度和 刻度不大于0 5 口，即精度为0 5 口。 ( 4 ) 固体温度继电器的闭合和断开动作实时检测的功能 根据试块测定法，要求在测试固体温度继电器时测试装置必须在固体温度 6 继电器发生断开或闭合动作时有所反指示，并且记下此时所对应的断开或闭合 动作时的温度值。 根据固体温度继电器自动测试系统的基本功能，设计固体温度继电器的基 本结构，分为以下几部分：电控操作台和计算机平台两大部分。 2 2 2 电控操作台基本结构 电控操作台主要由金属试块、调温介质、加热设备、降温设备、搅拌设备、 温控箱和电气控制电路及信号处理卡等部分组成。分别作如下设计： 2 2 2 1 金属试块的选择 表征物体导热性能的基本参数有两个：导执系数 及热扩散率( 导温系数) a 。导热系数是衡量物质导热能力的物理量；而热扩散率综合考虑了物质的导 热能力及升温( 或降温) 所需热量的多少，能表示物质中温度变化“传播”的快 慢。对于稳态导热而言，物体中各点温度不随时间而久热扩散率也就失去了意 义，只有导热系数对过程有影响；对于非稳态导热过程，由于物体本身在不断 地吸收或放出热量，因而决定物体中温度分布的是热扩散串，而不是导热系数。 导执系数 及热扩散牢( 导温系数) 。是两个既有区别又有联系的物性 参数。 a = l ，m2 j 或( m 2 厅)( 2 - 1 ) p c 式中，p 是密度，k g d ：c 是比热容，( 船四： 是导热系数，矽( m 动 或w 沏。 金属试块要求有很好的导热性能，根据表2 - 1 所示，导热性能最好的金属 是银，其次是铜，然后是金，最后是铝。 表2 - 1 几种纯金属的导热系数及热扩散率 在5 0 0 k 时的参数不同温度下的导热系彰。和热扩散率 金属 p ( k g m 3 ) g ( 卅内瑚a i o ( m 2 s 1 名称1 0 0 k2 0 0 k4 0 0 k6 0 08 0 0 k 纯银1 0 5 0 02 3 51 7 44 4 44 3 04 2 54 1 23 9 6 纯铜8 9 3 33 8 51 1 74 8 24 1 33 9 33 7 93 6 6 纯金1 9 3 0 01 2 91 2 73 2 73 2 33 1 12 9 82 8 4 纯铝2 7 0 29 0 39 73 0 22 3 72 4 02 3 l2 1 8 银和金属于贵金属，如果采用银和金作为试块，成本太高，不予采用。导 热性能次于银的金属是铜，铜的成本和银和金相比较，成本很小，实际设计和 加工制造的成本也可以接受。铝的导热性处于第四位，其加工制造更加容易且 成本很低，也可以考虑。 图2 2 表示铜的导热系数由温度变化的情况。在低温区，铜的导热系数近 似地与温度r 成正比；在室温及高于室温的条件下( 直由熔点) ，铜导热系数 7 基本不变甚至略有下降。根据图2 - 2 和铜的导热系数随温度变化的规律可以判 断，在一1 0t 7 - 1 1 0 留范围内，铜的导热系数符合固体继电器自动测试系统的需要 若 兽 是 f 卵墨盛 - 她悄 】 式 一：r 一 ， ，_ 一 _ 。一 ：， 盘体 。 = 。一 - 一一 精度包括绝对精度和相对精度 2 0 o 1 2 3 肌 服 肌 肌 璩 m 屯 叭 队 叭 叭 队 飓 陀 绝对精度，对于a d ，指的是在输出端产生给定的数字代码，实际需要的 模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差( 因由于量化，在一定范围内的所有 模拟值都产生相同的数字输出，所以，这里模拟值都指的是该范围内的中间模 拟值) 。 相对精度，对于a d ，指的是满度恒校难以后，任一数字输出所对应的实 际模拟输入值( 中g 司f f ) 与理论值( 中间值) 之差。对于线性a d ，相对精度就是 非线性度。 5 漏码 在a d 中如果模拟输入连续增加( 或减小) 时，数字输出不是连续增加( 或 减小) 而是越过某个数字，即是出现漏码。漏码是由于a d 中使用的d a 出现非线性引起的。 a d 转换器的一般要完成采样、量化和编码三个过程。常用的逐次逼近型 a d 转换器的电路结构框图如3 - 3 。 数据采集卡的模拟信号一般经过通道选择、增益放大和a d 转换器进入微 机系统。 开关量和计时器的原理较为简单，不再说明。 并 行 数 字 输 出 v 。转换控制信号 图3 - 3 逐次渐进型a id 转换器电路结构框图 对于一般数据采集，无论是模拟信号还是数字信号，通过一定的信号调节模块， 均可以变成数据采集卡可以接受的信号；对于设备控制，可以通过d a 、开关量、 定时器计数器进行控制。一般的p c 机都有数据卡插槽，所以很适合构建基于 p c 机的测控系统。 3 2 3 2p c 一7 4 8 4 多功能综合数据采集卡 p c 一7 4 8 4 板是为工业p c 机或p c 兼容机设计的一种多功能综合接口板。板上 有1 2 位单端1 6 路差分或8 路a d 输入、4 路1 2 位独立d a 电压电流输出、 1 6 路开关量输入输出、3 路脉冲计数定时中断等多项功能。p c 一7 4 8 4 模拟量输 入输出及脉冲信号由x s l3 7 芯d 型孔头接入，通过改变跳线器就可选择a d d a 不同的电压输入输出范围。1 6 路开关量输入输出信号由k s 2 4 0 芯i d c 接 头与现场连接，输入输出为”l 电平。本板占用1 6 个i 0 端口地址，可采用查 询或中断方式工作。其技术指标如下： 1 a d 输入通道：单端1 6 路差分8 路 转换时间：l o p i o o k h z a d 转换分辨率：1 2 位，a d l 6 7 4 输入量程：单极性：0 5ko 1 0 v 双极性：2 5 h 5 虬1 0 v 输入阻抗： 1 0 膨臼 转换误差： 0 2 0 输出码制：单极性为二进制原码 双极性为二进制偏移码 工作方式：软件查询、中断 最大差动输入值：2 0 矿 由x s l3 7 芯d 型控头接入 i o 地址：3 0 0 h 3 0 3 h 2 d i d o 1 6 路t t l 电平开关量输入，输入范围：0 5 r 1 6 路t t l 电平开关量输出，输出范围：o 5 v 输出带锁存，输出电流2 x a 由x s 24 0 芯i d c 插座接入接出 i o 地址：3 0 8 3 0 b h * 脉冲信号由k s l3 7 芯d 型孔头按入 3 尺寸大小：1 9 8 脚( 长) x1 1 2 册( 宽) 4 功耗：5 0 0 x a ，单+ 5r 供电 本系统使用多功能数据采集卡上的5 路模拟量输入通道、1 6 路开关量输入 通道和3 路开关量输出通道。 3 2 4 计算机和打印机 用于测控环境为实验室环境，工况环境较好，所以采用带i s a 插槽的p c 机。本测控系统采用方正超越商用机。人机界面的输入输出设备由键盘、鼠标 和显示器组成。打印机选用佳能1 2 1 0 打印机。 3 3 电控操作台的组建 3 3 1 温度检测系统的构建 固体温度继电器测控系统中温度检测系统在是非常重要的。不仅因为固体 温度继电器测控系统的主要功能是测试固体温度继电器断开和恢复温度点，也 是由于温度控制过程中，温度检测是完成高精度控温的必要的组成部分。 按照测温要求，需要达n + o 5 口的测温精度。分析各种温度传感器的性能， 选择适当的传感器是温度检测系统的第一步；根据传感器信号的性质设计出适 当的信号调理电路，将传感器信号变为计算机可以接受的信号是第二个步骤。 3 3 1 1 测温方法 本测控系统需要5 个传感器，一个用来测量液体介质的温度，另外四个用 来检测试块的表面温度。传感器的选择考虑如下因素： 能够测试液体温度 量程和精度满足要求 重复性、线性好 测温传感器的一般分为两大类：接触式测温传感器和非接触式测温传感器。 接触式传感器需要使感温元件与被测物体保持热接触，使两者进行充分的热交 换而达到同一温度，根据感温元件的温度来确定被测物体的温度。接触式传感 器主要有膨胀式温度计、压力式温度计、电阻式温度传感器、热电偶和半导体 温度传感器等。非接触式传感器的测温元件是通过被测物体的热辐射或对流传 到测温元件上，以达到测温的目的，从而不会干扰被测物体的原始温度场。非 接触式测温传感器主要有红外测温传感器等。常用测温方法、类型和特点见表 3 - 1 所示。 非接触式测温方法一般具有不干扰被测温度场、响应快，测温范围大：但 受环境干扰大，难以定标，适用于测高温。接触式测温方法种类很多，与温度 场接触，可以测量低温，精度比非测温方法的精度高。 接触式测温传感器对本系统的温度场，无论是液体介质还是固体试块，接 触式测温传感器的影响相对来讲可以忽略，而非测温方法容易受到外界干扰、 不适用于测中低温，所以接触式测温方法适合本系统的设计要求 根据接触式测温传感器不同的类型和方法，选择热电阻传感器作为本系统 的测温器件。热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也髓着发生变化的特性 来测量温度的。热电阻的受热部分( 感温元件) 是用细金属丝均匀地双绕在绝 缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度梯度存在时，所测量的温度是感温 元件所在范围内介质中的平均温度。装配热电阻主要由接线盒、保护管、接线 端子、绝缘套管和感温元件组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。热 电阻传感器主要用于中低温( - 2 0 0u + 6 5 0 仂或+ 8 5 0 口) 的温度测量。常用的 工业标准热电阻有铂热电阻、铜热电阻和镍热电阻。铂热电阻主要用于高精度 的温度测量和温度标准装置，性能非常稳定，测温精度高，其测温范围为一2 0 0 t 7 + 8 5 0 口，分度号为p t 5 0 ( r 0 = 5 0 口) 和p t l 0 0 ( r 0 = 1 0 0 口) ，铂的纯度通常 用( 1 0 0 ) = 儡o o r o 来表示，其中r 1 0 0 代表在水沸点( i 0 0 口) 的电阻值，r o 代表在水的冰点( 0 ) 的电阻值。当铂的纯度为9 9 9 9 9 5 时，w ( i 0 0 ) 2 1 3 9 3 0 ， 工业上用的铂电阻值其w ( 1 0 0 ) = 1 3 8 0 i 3 8 7 ，标准值为1 3 8 5 。铂是贵金属， 价格较高。铜热电阻测温范围为- 5 0 口+ 1 5 0 ，其价格便宜，易于提纯，复制 性好，在测量范围内，线性度极好，其电阻温度系数d 比铂的高，但电阻率p 较铂的小，在温度较高时易于氧化，只能用于+ 1 5 0 以下的温度测量，范围较 窄，而且体积也较大，所以只能是用于对测量精度和敏感元件尺寸要求不是很 高的场合。铂热电阻和铜热电阻目前都已标准化和系列化，选用方便。镍热电 阻的测量范围为- i 0 0p + 3 0 0 口，它的电阻温度系数较高，电阻率也较大，但 它易氧化，化学稳定性差，不易提纯，复制性差，非线性较大，因此目前应用 不多。 本温度检测系统要求响应快、精度高、稳定性好，依据主要热电阻材料的 特性( 见表3 - 2 所示) ，选择铂电阻作为温度检测系统的测温元件。铂电阻传感 器分为a 级和b 级，如表3 3 所示。选择b 级铂电阻允许偏差为： 触( 0 3 0 + 0 0 0 5i1 1 0i ) = 士o 8 5( 3 - 1 ) a 级铂电阻允许偏差为： 忙吐( o 1 5 + 0 0 0 2i1 1 01 ) = 吐o 3 7( 3 2 ) 依据测控系统的精度的要求，选择a 级铂电阻较为合适。 表3 - 2 主要热电阻材料的特性 材料名称电阻率0 i i m 2 i l l l测温范围电阻丝直径m m特性 铂0 0 9 8 12 0 0 + 6 5 0o 0 3 o 0 7 近似线性，性能稳 定，精度高 铜0 0 75 0 + 1 5 0o 1近似线性，低温测 量 镍0 1 2一i 0 0 + 3 0 00 0 5近似线性 3 3 1 2 铂电阻的信号调理电路 信号调理电路将铂电阻的电阻变化值变成计算机数字采集系统可以接受的 电信号。信号调理电路由电阻桥、前置放大器和缓冲及滤波电路组成，逻辑框 图如图3 - 4 所示。电阻桥将热电阻的阻值变成电压交化量，它是信号调理的核心 部位。电桥的激励采用了高稳定的电压源，桥臂都采用了精密电阻。在电桥中， 热电阻是作为电桥的一个桥臂( 见图3 - 5 ) ，在高电位端的两个桥臂是大阻值的 精密电阻，低电位端是热电阻( r t d ) 和小阻值的参考电阻( r r ) ，因此激励电流 基本上是恒流的。从图3 5 可知电桥是三线的连接方式，采用这种连接方式，即 使现场连接导线很长引线电阻和共模干扰的作用不可忽视，但只要保证连到电 桥的二根导线的材料、线径、长度完全相同并且全长有相同的温度分布时，这 种结构就能有效地消除导线电阻的影响，并有效地抑制共模干扰的作用。另外 激励电流的大小也要正确选择，选得过大，热电阻产生的自身加热会给温度测 量带来误差，选得过小容易受干扰的影响。 + 1 5 v 图3 4 热电阻暇i d ) 信号调理逻辑框图 图3 - 5 电桥及其激励 根据热电阻的类型和测温范围来选取参考桥臂，以保证电桥有一个合适的 平衡点作为零点参考。由于热电阻为铂电阻，测温范围从- l o 一1 1 0 口，所以 根据表3 - 3 。选择1 0 0 q 作参考桥臂。 表3 - 3 铂电阻的等级 热电阻类别测温范围口分度号允许偏差x t b 级( 2 0 0 6 5 0 ) 允差士( 0 3 0 + 0 0 0 5lf 1 ) w z p 型铂电阻- 2 0 0 4 2 0p t l 0 0 a 级( 2 0 0 6 5 0 ) 允差圭( o 1 5 + 0 0 0 2it 1 ) 放大器由二级组成，前级为超低漂移运放组成的双端输入前置放大器，可 进一步抑制共模干扰，该级直流增益为4 0 倍，第二级是缓冲放大器，它的输出阻 抗低，负载能力强，并有低通滤波作用，在该级输入端设置了满度调节和零位调 节以降低对前级电路的要求( 如图3 - 6 所示) 。根据测温范围的要求，反馈电阻 取3 0 k 臼，这样总增益为8 0 ，输出电压为o 一5 虬本信号调理电路采用1 5 矿供 电：热电阻激励电流为l m a 。 在确定了参考桥臂r r 之后，可按下面步骤调整放大器的零点和满度： a ：准备一台分辨率为0 0 1 臼的电阻箱，用它来代替铂电阻接到要调整的 信号调理电路上，并将电阻箱置到所需的温度范围的低端所对应的热电阻值( 参 见表3 4 ) 。 b ：接通+ 1 5 、- 1 5 矿电源，在无异常情况下进行下一步。 c ：调零：用万用表测量该通道的电压输出应在+ _ 2 m y 内，否则需要调整该 通道的调零电位器，使输出达到要求。 d ：调满度：将电阻箱置到所需要的温度范围的高端所对应的热电阻值( 参 见表3 0 ) ，此时电压输出应为满度值4 9 9 9 m v ，偏差不要超过2 m y ，否则，需要 调整增益电位器使输出达到要求。 e ：将电阻箱调回到调零时的阻值，重复c 步，然后再重复d 步，直至满足 要求。 f ：观察温度段内的误差情况，即送入几种不同温度下的阻值进行测试，产 生的最大误差应在0 5 内。 + vv 图3 - 6放大电路 表3 - 4熟电阻值对照表 执 测温选用r f总增益调零位 调满度 阻范围f k 0 ) 电阻箱输出( m v )电阻箱设输出( m v ) 类 ( ) 型 设定f o )定f 0 ) p t l- 5 0 - - 03 08 0 8 0 3 11 0 0+ 4 9 9 8 0 0( 6 0 )( 1 6 0 )2 内 ( + 9 9 9 9 ) 0 - 1 5 03 08 01 0 01 5 7 3 1+ 4 9 9 8 ( 6 0 )( 1 6 0 ) ( + 9 9 9 9 ) 3 3 2 固体温度继电器检测系统 本测控系统需要同时检测1 6 个固体温度继电器，并将检测状态分别送入数 据采集卡的1 6 路输入开关量。下面分别介绍检测原理、检测电路。 3 2 2 1 检测原理 因为固体温度继电器为一种温度开关，当温度达到其动作温度值时会自动 闭合( 或断开) ，其闭合( 或断开) 温度值与其回复，即断开( 或闭合) 的温度 值之间一般有一温度差。在本测控系统中，测试任务是测出待测继电器的温度 值( 包括动作值和回复值) 。为了准确测量，必须对待测继电器的状态( 通还是 断) 进行实时监测，实时扫描输出端口的电平状态即可实现对继电器状态的实 时监测。若输出端为高电平，继电器没有动作，即没有闭合；若输出端为低电 平，则说明继电器已经动作，即合上。在回复过程中，则为输出端为高电平， 则继电器已回复，否则还没有回复。 3 3 2 2 检测电路 检测电路主要考虑的是电控操作台与计算机系统隔开，以防地电位差，外 界电磁场等干扰因素造成对计算机和数据采集卡的损害。通常采用光电耦合器 件来进行光电隔离；光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路，发光二极管 和光敏三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作用是将电信号转变为光信 号，光敏三极管接受光信号，再将其转变成电信号。光电耦合器的特点是：输 出信号与输入信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上； 无触点，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与t t l 电路配合使用。 检测电路见图3 7 ，本电路选用t l p 5 2 l 一3 型光电耦合器( 参数见说明书) ， 集成了三个相同的光电耦合器。 限流电阻的计算 图3 - 7 固体温度继电器检测电路 置：v c ! ，- - v f ：业：o 3 7 k q j ， 1 0 见：l ：上：0 4 6 7 k f 2 2 ，。+ c t r 1 0 +