（测试计量技术及仪器专业论文）炉膛内空间温度场检测与显示系统的研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 + 同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢： 奉论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：王盈塞宣。班；月2 孑日 保护知识产权申明 本人完全了解i 葺安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属两安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：呈盈童导师签名：邀2 d 。弘年) 月2 9f i论文作者签名：垫塑垫导师签名：三五验2 d 。弘年) 月2 9f i 摘要 _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - _ _ - 一一 论文题目：炉膛内空间温度场检测与显示 系统的研究 学科领域：测试计量技术及仪器 作者姓名：王海燕 签名： 导师姓名：高宗海副教授 签名： 导师姓名：乐静讲师 签名： 答辩日期：2 0 0 4 年3 月 摘要 随着科学技术的发展，在冶金、机械、航天、航空、船舶等工业生产中，需要 进行热处理的零件和： 具目盏增多。热处理炉是实现热处理工艺的重要设备。热处 理炉温的测量与控制是热处理炉有效运行不可缺少的一部分。过去，对1 j 件进行热 处理时，虽有温度仪表指示控制温度，但测温仪表只能显示某一点处的温度，对丁 除此点之外的炉膛其他空间温度_ ! | j 无法显示并控制，而热处理工艺所需要的却是某 一工作空间的温度，这就要求研制一个更完善的系统，来进行炉膛内部温度场的检 测和图像显示。本课题就是基于这方面的迫切要求而开展的。 本论文中，首先，以高温箱式热处理电炉为研究对象，采用热电偶作为温度传 感器，根据传热学、科学计算及可视化算法等相关知识合理布置热电偶。通过数据 采集板卡进行数据采集井与计算机接口进行数据处理。然后，将处理后特殊点的温 度数据依据m a r c h i n gc u b e s 算法建立数学模型求取等温面上的点的坐标及各点的 法向量等。最后，确定计算的三维坐标点的连接顺序和拓扑模型，利用o d e n g l 进 行等温面的绘制、消隐和模式变换等工作。 实验检测表明，这种利用8 a r c h i n gc u b e s 算法对炉膛内空间温度场进行分段 线性化处理的方法，在一定的精度范围内是有效的。炉膛内部温度场的图像显示使 得对热处理炉膛内部温度场的分析更简单、直观，使我们更有效的对热处理炉的炉 膛温度进行观测、控制，从而提高热处理丁件的质量，具有较高的实用价值。 关键词：温度场：数据采集；m a r c h i n gc u b e s 算法：等温面；o p e n g h 一 垒! ! ! 璺璺 _ _ _ - _ _ _ _ _ ，- _ _ r 一一 s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： s t u d yo fm e a s u r i n ga n dd i s p l a y i n g t e m p e r a t u r ef i e l di nt h es i c e o f h e a r l h m e a s u r e m e n tm e t r o i o g yt e c h n o l o g y & i n s t r u m e n t w a n gh a i y a n g a o z o n g h a i s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： y u e j i n g s i g n a t u r e ： a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs d e n c ea n dt e c h n o l o g y , m m a ea n dm o r ew o r k p i e c e sn e e d h e a tt r e a t m e n ti nt h em a n u f a c t u r ef e l do fm e t a l l u r g y , m e c h a n i s m ，s p a c e f l i g h t ， a v i a t i o n f u r n a c eo fh e a tt r e a t m e n ti st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tt oa c h i e v eh e a t t r e a t m e n tt e c h n i c s i t s n e c e s s a r yt o m e a s u r ea n dc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo f f u r n a c e i nt h ep a s t ，t e m p e r a t u r ei n s t r u m e n tc o u l do n l yd i s p l a yt h et e m p e r a t u r eo f s o m ep o i n t sd u r i n gh e a tt r e a t m e n t h o w e v e r , i ti sn e e d e dt od i s p l a yt e m p e r a t u r ei nt h e s p a c eo f h e a r t h an e wp e r f e c ts y s t e ms h o u l db er e s e a r c h e dt om e a s u r ea n dd i s p l a yt h e s p a c et e m p e r a t u r eo f h e a r t h t h et h e s i sd i df o rt h i sp u r p o s e i nt h i st h e s i s ，u s e dt h e r m o c o u p l et os e n s et h et e m p e r a t u r ei nt h es p a c eo ft h e h e a r t h ，a t t r i b u t e dt h et h e r m o c o u p l eb a s e do nc a l o r i f i c sa n ds c i e n t i f i ca r i t h m e t i c , a c q u i r e dd a t ab yd a t aa c q u i r i n gc a r d ，p r o c e s s e dd a t aa c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f s e t t i n gu pt e m p e r a t u r em o d e la n dd r a w i n gg r a p h i c sa n dt h e nc a c u l a t e dt h e c o o r d i n a t e so fi s o t h e r m a lp o i n t sa n dn o r r a a l so fi s o t h e r m a lf a c e t s ，a s c e r t a i n e dt h e o r d e ro fc o n n e c t i n gp o i n t sa n dt h em o d e lo fc o n s t r u c t ，d r a w e dt h ei s o t h e r m a lf a c e to f t e m p e r a t u r ef i e l dw i t ho p e n g l a tl a s t t h em e t h o do fl i n e a r i z i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h es p a c eo fh e a r t hb a s e do n t h ca r i t h m e t i co fm a r c h i n gc u b ei sp r o v e dt ob ea v a i l a b l ew i t h i n t h ea n a l y t i c a l p r e c i s i o nb ye x p e r i m e n ta n dt e s t i n g r e s u l t i ti sv a l u a b l et om e a s u “8 “dd i 5 p l a y l 西安理工大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ef i e l di nt h es p a c eo fh e a r t ha n dt op u ti ti n t op r a c t i c e i ti sp r o p i t i o u st o o b s e r v ea n dc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ei nt h es p a c eo fh e a r t he f f i c i e n t l y a sar e s u l t ，t h e q u a l i t yo f w o r k p i e c et ob eh e a tt r e a t e dw i l lb ei m p r o v e d k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ef i e l d ；d a t aa c q u i s i t i o n ；a r i t h m e t i c o fm a r c h i n gc u b e ； i s o t h e r m a lf a c e t ；o p e n g l 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景综述 温度是国际单位制( s i ) 中7 个基本物理量之一，在物理学中占有重要 的地位。许多物质的特征参数都与温度密切相关。因此，温度测量在工业 和科学研究中得到了广泛的应用。随着科学技术的发展，在冶金、机械、 航空、航天、船舶等工业生产中，需要进行热处理的零件和工具日益增 多。热处理炉是实现热处理工艺的重要设备。而热处理炉的炉温测量与 控制，是热处理炉有效运行不可缺少的一部分。在金属热处理工艺中，感 温元件所代表的炉温实质上是指炉膛中感温元件所在区域的介质温度。 因此，对热处理炉的温度场进行测试及研究，找出加热炉的有效加热区 ( 即用于评定热处理炉满足相应热处理工艺规定的加热温度及其保温精 度下的工作空间尺寸) 是制定热处理工艺的依据，对提高热处理产品的质 量，生产效率都十分重要。 热处理电炉是热处理行业中数量最多、应用最广的设备。炉温均匀性 是热处理炉的主要性能指标之一，对工件质量有直接重要的影响。过去， 对工件进行热处理时，虽有温度仪表指示控制温度，但控温仪表只能显 示及控制某一点处的温度，对于除此点之外的炉膛其它空间温度则无法 显示并控制，而热处理工艺所需要的却是某一工作空间的温度，且要求 在工作空间内的温度分布均匀。为了确定炉内空间有效工作区的大小和 位置，有必要对热处理炉整个炉膛的温度进行检测分析，明确炉膛内部 空间温度场的分布，并编写图形程序以显示炉膛内部三维温度场的模型， 使温度场的分布实现观测的直观化。 迄今为止，用来检测炉温的方法有很多，如声学高温测量法“1 、基于 图像处理的温度场测量法和热电偶测量法“。”。“。“1 等等。 西安理工大学硕士学位论文 声学高温测量法和基于图像处理的温度场测量法多适用于燃烧炉膛 的温度场的检测，而对于本课题涉及的检测对象高温箱式热处理电 炉，由于它采用高温电热材料作为加热元件，炉膛的热量传递以辐射为 主。多采用传统的深入式测量方法，即利用热电偶作为感温元件，测量炉 内插入热电偶处的温度。 这种方法原理简单、易懂，且经过多年的应用、研究，对于用此方 法检铡炉温已有很成熟的方案及很高的技术水平。 1 。2 课题目的及内容 1 2 1 课题的主要目的 本课题的目的是采用合适的方法对高温箱式热处理炉的炉膛内部空 间温度场进行检测并将检测到的数据与p c 机接口，利用传热学及科学计 算可视化算法等相关理论分析炉膛内部三维温度场的分布。在p c 机上对 温度数据进行有效的数据处理，并利用合适的软件及三维图形工具对整 个炉膛内部温度场的分布进行直观的显示，以通过软件的演示更好的观 察炉膛内部温度场的空间分布，为热处理炉炉温均匀性的评定提供直观、 可靠的依据。 1 2 2 课题涉及的主要内容 本课题涉及的主要内容包括炉膛内部空间温度场的检测部分和图像 显示部分这两方面。 a 炉膛内部空间温度场的检测部分在炉膛内部温度场的检测部 分主要涉及到温度测量方法的选择，温度测量方案的实旌，检测实验装 置的准备，以及进行实验对炉膛内部温度进行检测。根据测温对象为体 积为1 立方米的高温箱式热处理电炉的情况，我选定热电偶为感温元件 1 绪论 的深入式测温方案。根据传热学和科学计算可视化算法的相关理论分析 热处理电炉的温度分布，以确定热电偶的合理分布。由于要与上位机( p c 机) 进行接口，所以要对热电偶输出的微小电势进行放大、a d 转换并输 入上位机进行数据转换和数据处理。在炉膛的温度场检测部分需准备的 实验装置有1 5 只铜一康铜热电偶，自制冷端温度补偿和前置放大电路板， p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡和p c 机一台。最后将热电偶按指定的位置固定在 炉膛内部进行实验，连接电路采集数据，将输入到p c 机的数据进行转换， 得到实测1 5 个特殊点的温度。 b 炉膛内部空间温度场的图像显示部分在炉膛内部空间温度场 的图像显示部分主要涉及的内容是：通过多种方案的比较，建立炉膛内 部温度场的数学模型；选择温度场的描述方法并设计算法实现它。选用 合适的软件和图形工具结合编程来形象地描述炉膛内部三维温度场，以 更为符合人类习惯的三维可视化的方式来显示炉膛内部的温度场。经分 析，多个等温面同时显示既能反映温度场的空问分布特点，又能反映温 度场的空间分布趋势，本课题选择等温面来描述炉膛内部空间温度场。 根据传热学和科学计算可视化算法的相关理论分析热处理电炉的温度分 布并对炉膛空间进行分块线性化处理，确立温度场的数学模型。依据 m a r c h i n gc u b e s 原理抽取等温面，分析并设计算法解决等温面连接和拓 扑二义性的问题，求取等温面上点的坐标和法向量，并确定这些点连接 顺序和形成等温面的拓扑模型。在c + + b u i l d e r 编程环境下基于o p e n g l 实现等温面的绘制和图形变换。 1 3 课题的创新点及意义 本课题设计了一套检测和显示高温箱式热处理电炉炉膛内部三维空 间温度场的系统。课题的创新点在于以下两个方面： a 吐故纳新，对传统的热处理炉炉温均匀性检测方案进行改造。将 西安理工大学硕士学位论文 传统的测温方案与现代的计算机采集技术、图像显示技术相融合，摒弃 了原有的仪表显示来检测炉膛内部温度的方法，将热电偶输出的信号经 数据采集卡与p c 机接口，由计算机处理并显示数据，提取炉膛内部温度 场的多个等温面，以直观的方式在屏幕上进行三维显示，进行炉膛内部 温度场的分析。 b 去繁取简，采用新的方法使得温度场的求解简单化。撇开繁琐的 含有边界条件的传热学方程来求解温度场的方法，选取利用多个采样点 组成的c u b e s 对温度场进行分块线性化处理。通常炉膛内部的温度场是 由含有边界条件的非线性的传热学方程求取，解这种方程的方法尽管很 多，但是计算步骤和准确获取所需要的边界条件的方法都很复杂。本课 题利用科学可视化的算法，推导出用多个采样温度点线性化拟和温度场 的数学模型，并用该模型求取等温点坐标和法向量，排除等温点拓扑模 型的二义性后，确定等温点的连接顺序，连接三角面片拟和等温面，显 示炉膛内部温度场的分布。这种去繁取简的方法，在求取边界条件未知 炉膛的温度场上优点突出。 本课题的研究涉及到测量、电子、科学计算可视化数值算法、计算 机图形学等学科领域，其内容广泛，涉及面宽，在各学科间找到结合点 解决实际问题。通过理论分析提供了一种新的求取炉膛内部温度场分布 的方法，图形演示和实验验证了这种方案的可行性。利用这种方法可以 对炉温进行在线观测，根据等温面的显示，可以判定炉膛内部温度场的 分布，按照要求调整炉体结构，或者调整加热源的放置位置。在炉膛不 作上述处理的情况下，也可以根据显示的数据和等温面测定满足相应热 处理工艺规定的加热温度及其保温精度下的工作空间尺寸。也可以根据 需要连接控温系统，对炉温进行观测、控制。本设计为热处理炉炉温均 匀性评定和改进提供了新的方法和途径。 2 系统总体方案的确定 2 系统总体方案的确定 2 1 炉温检测部分的方案设计 随着科学技术的迅速发展，生产过程日益自动化，精密测量仪器和 测量方法也正向着机电一体化的方向发展。计算机技术在测量仪器的设 计和应用中起着重要的作用。本课题根据测量对象、实验条件和测量要 求在各种测量方法之间进行权衡作出选择，并将传统的测量方法与现代 计算机技术相融合确定了炉温的检测方案。 2 1 1 炉温检测方案的确定 由于本课题的研究对象是箱式热处理电炉，由于它采用高温铁铬铝 电热材料作为加热元件，炉膛的热量传递以辐射为主，炉膛内混合气体 组分和相对含量未知不适用声学高温测量法，其热源是电加热元件所以 膛内无燃烧火焰不适用基于图像处理的温度场测量法，考虑到炉膛内无 烟气，测量环境较好，选用传统的热电偶深入式测量方法测温。 依据热电偶测温的工作原理，热电偶热电势的大小，不但与测量端 的温度有关，而且与参比端的温度有关。我们使用的热电偶分度表中的 热电势值，都是在参比端温度为o 时测定的。因此，只有在冷端温度为 o c 时，才能根据测得的热电势的大小，用分度表查出正确的被测温度值。 然而，实际使用时，由于环境温度的影响，热电偶冷端温度不可能恒为o ，为了避免冷端温度变化所引起的测量误差，使用时可采用冷端温度 补偿的修正方法。解决冷端温度补偿问题的方法又很多如，如计算法、 参比端温度恒定法、补偿电桥法、电位补偿法、补偿导线法等。一般根 据使用条件和测量精度的要求来确定所使用的具体方法。 由于热电偶输出的电压仅有几毫伏到几十毫伏，如果要用数据采集 西安理工大学硕士学位论文 卡进行采集必须与数据采集卡的输入电压范围相匹配，所以，在进行数 据采集前，要进行前置放大电路的设计。 经过以上几步，就可以对热电偶的温度数据进行采集并输入p c 机。 可以采用在软件环境下调用动态链接库的方法，编制数据采集程序并对 数据进行处理。 2 1 2 炉温检测系统的实验设计 依据上面的分析，炉温检测系统的实验设计有以下几个步骤： a 合理选择热电偶：根据待检炉膛内的温度以及要选用热电偶的数 量，考虑热电偶的温度特性、精度要求和经济性，权衡后作出选择。 b 确定热电偶的数量和插入位置：依据参考文献4 中提到的新型热 处理炉炉温均匀度测试点数量和位置布置方案( 见附录1 ) ，并考虑到等 温面生成算法中对数据采样点的要求，设计了本课题所研究的体积为l 立方米热处理箱式电炉中热电偶的布置方案：选用1 5 支热电偶，温度分 布如图2 1 所示： 侧视 正视 图2 一l 炉膛内热电偶的分布图 c 对热电偶输出的温差电势进行冷端温度补偿和前置放大：根据精 2 系统总体方案的确定 度要求和实验条件，设计冷端温度补偿和前置放大电路板。 d 进行a i d 转换，并将转换后的数字量输入到p c 机进行处理：采 用研祥公司生产的p c l - 8 1 2 p g 数据采集卡实现a d 转换并与p c 机接口， 在p c 机的软件环境下编制数据采集和查热电偶分度表程序求待测点的实 际温度，为显示程序提供可靠的数据。 2 2 炉膛内部温度场显示部分的方案设计 2 2 1 温度场的描述 传热过程中，在某物体或传热体系内，温度在空间和时间上的分布 情况，称为温度场。若温度沿x 、y 、z 三个方向都有变化，称三维温度 场，即：t f ( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 ) 式中t 与t 分别表示温度和时间。上述这种随时间而变化的温度场称为不 稳定( 或不稳定态) 温度场。如果各点温度不随时间变化，称之为稳定 ( 或稳定态) 温度场。温度的空间分布特性，是指温度在整个炉膛内各 处的分布情况，这个参数是描述温度均匀性的：温度的时间分布特性， 是指温度在工艺过程中的变化情况，这个参数是描述温度稳定性的。理 想热处理炉的炉膛内温度场应是均匀的、稳定的。本课题所研究对象假 定为理想的热处理炉。 可以用等温面和温度梯度来描述炉膛内部的温度场。物体( 或体系) 内具有相同温度的各点所组成的面称为等温面。物体( 或体系) 内相邻 的两个等温面之间的温度差( n t ) ，与其沿法线方向距离( a n ) 的比值 的极限称为温度梯度，即： g r a d t - 。l i m ( 血a t ) = i d t ( 2 2 ) 由此可见，温度梯度实际上是指温度沿等温面法线方向的变化率。 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 显示系统的设计思想 可视化技术的飞速发展与广泛应用提出了基于微机的可视化系统的 应用要求。本课题的显示系统设计要求利用处理后的温度数据，反映炉 膛内的温度场分布。由上小节可知，等温面和温度梯度都是用来描述炉 膛内部的温度场的，我们可以选择多个等温面同时显示，使得场值和颜 色相对应，既可以了解单个等温面的分布，又可以了解整个温度场中温 度的变化趋势。该系统应支持三维温度场的造型、绘制及管理，能使观 测者直观地了解炉膛内部温度场的分布。 2 2 3 显示系统的设计方案 设计此系统的关键是炉膛内空间温度场的分析和数学模型建立、等 温面的算法设计和图形绘制。在模型求解、实现算法和图形绘制上需选 择合适系统开发环境和三维图形软件，使得以上的设计思想得以实现。 本系统是在c + + b u i l d e r 开发环境下，编制可交互的可视化程序界面， 并基于o p e n g l 绘制高质量的三维图形，显示炉膛内部空间温度场。 系统在p c 平台上，提供了三维温度场的管理、造型、体绘制等功能， 具有较强的交互功能。系统运行之后首先显示出一个启动界面进入系 统。进入系统之后，将处于主窗口状态。系统的主窗口包含如下7 个部 分：( 1 ) 标题条显示系统及正在处理的温度场的标题，提供基本的窗 口操作；( 2 ) 菜单提供各项操作命令：( 3 ) 工具条为常用的操作命 令提供快捷方式；( 4 ) 布局窗口 显示热电偶在炉膛内部的空间布局； ( 5 ) 数据显示窗口显示热电偶采集的温度数据( 6 ) 状态条显示操 作提示信息。以上6 个部分提供了系统中的主要人机交互功能，系统的 其它一些人机交互功能由对话框来提供。 2 系统总体方案的确定 2 3 系统的总体构成 经过检测和显示系统的设计，就可以得到整个系统的设计方案。如 图2 2 为系统的总体构成实物图： 幽2 2系统的总体构墟实物示感幽 系统的总体构成包括硬件设计和软件编程两部分。 2 3 1 系统的硬件结构 本系统主要是采用1 5 支铜一康铜热电偶作为温度传感器按指定位置 深入到炉膛内部，将热电偶输出的热电势经温度补偿后放大，然后经过 a d 转换后输入p c 机进行数据处理及图形显示。系统硬件结构框图如图 2 3 所示： 翻2 - 3系统的硬件结构框闰 西安理工大学硕士学位论文 2 3 2 系统的软件框架 本系统是在c + + b u i i d e r 开发环境下，编制与用户的交互界面并基 于o p e n g l 绘制能显示炉膛内部空间温度场分布的多个等温面。其软件结 构框架如下： 1 0 蛹 查热电偶分度表求温度 三维温度场造型 i 等温面构造 i 场值一颜色映射 i 温度场显示 1 0 c + + b u i l d e r o p e n g l 图2 4软件结构框架 3 数据采集系统设计 3 数据采集系统设计 3 1 数据采集系统的组成 数据采集包括数据的前端处理、数据的a d 转换和数据的p c 机处理 三部分。数据的前端处理包括冷端温度补偿和前置放大两部分，由自制 的电路板来完成。数据的a d 转换由研祥公司生产的i s a 类数据采集卡 p c l 一8 1 2 p g 来完成。数据的p c 机处理需将a d 转换后的数据输入p c 机后， 编制转换及查表程序来完成。 3 2 冷端温度补偿及前置放大电路设计 3 2 1 冷端温度补偿电路的设计 在本课题中，采用补偿电桥法进行冷端温度补偿。补偿器与热电偶参 比端串连相接，它们处在同一环境温度中。在不平衡电桥中，补偿电阻的 选择是这样的，即是使得在此数值和规定的温度下，电桥处于平衡状态， 限流电阻阻值的大小，则是根据热电偶的种类和温度补偿范围来确定的。 当热电偶参比端温度升高时，补偿电阻阻值也随着增大，桥路输出端的电 压也随着增大，恰好补偿了因参比端温度升高而引起的热电偶热电势的减 小。 这里需要指出的是，热电偶的热电势与温度特性关系不是呈线性，丽 补偿桥路输出的补偿电压和温度的关系也不是呈线性的，因此这两个特性 曲线在补偿的温度范围内并不重合，只有在两个温度点相交，在交点上补 偿电桥的输出完全补偿了参比端温度减小的值。但由于不完全补偿引起的 误差较小，一般在1 左右，故采用这种方法进行补偿满足检测要求。 西安理工大学硕士学位论文 3 2 2 前置放大电路的设计 补偿后的热电偶电动势非常微小，为使它与数据采集卡的输入相匹 配，需设计一个低漂移、高放大倍数、高共模抑制比的前置放大电路。 斩波稳零集成运算放大器“1 ( i c l 7 6 5 0 ) 是一种c m o s 差动式低漂移 集成运算放大器。它具有高增益、失调电压影响小、高共模抑制比和高 输入电阻等优点，是一种近似理想的直流集成运算放大器。所以，前置 放大电路选用i c l 7 6 5 0 作为主要的放大元器件。通常生产现场测温点到 控制柜都有一段距离，有时长达几十米，极易受到共模干扰。一般的放 大电路抗共模干扰的能力有限，电路元件的选择稍有不当，共模干扰会 转化成较大的差模干扰，使系统不能正常工作。如图3 1 采用的三个运 算放大器组成的测量放大器可明显提高共模抑制比“1 。 m p 每鼍 = ；3e ： 甜l 圈3 1 前置测量放大电路 它的输入信号直接加到两个输入端，其输出电压与内输入端电盘爱 成正比当里拿时，测量放大器的放大倍数由下式决定： 见见 g - 琢- 惫( ，+ 惫+ 每) c 。训 一rlrrj 如果输入端仅有共模电压，则放大器输出为零，消除了共模干扰的 影响。此外，测量放大器的增益调整范围宽( ( 1 1 0 0 0 ) 倍只需改变外接电 3 数据采集系统设计 阻r 的值，即可得到相应的放大倍数。同时它还具有高输入阻抗、低失 调电压、低温度漂移、低输出阻抗和放大倍数稳定等优点，是前向通道 的理想放大器。输入端的滤波电容c 和二极管d l 、d 2 用来削弱差模干扰 的影响和防止输入信号超限、保护放大器。 以上两节阐述了冷端温度补偿及前置放大电路的设计，能很好的完成 数据采集的前置处理工作，符合测量要求，电路原理图见附录2 。 3 3 数据的a d 转换 在本设计中，数据的a d 转换是通过p c l 一8 1 2 p g 高性能、高速度、 多功能的数据采集卡“1 来完成的。p c l 一8 1 2 p g 具备超过l o o k h z 的1 6 路 单端输入、双通道1 2 位双缓冲模拟输出、1 6 路数字输入和1 6 路数字输 出、个定时器计数器通道的特点。p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡采用的b b a d s 7 7 4 逐次逼近型h o 转换器。在进行p c l 一8 1 2 p ga o 转换程序设计之 前要进行数据采集卡的硬件设置和软件初始化。p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡的 p c b 板的布局图见附录3 所示，可以通过设置卡上的跳线和d i p 开关改变 p c l 一8 1 2 p g 的通道和基地址。 3 3 1p c l - 8 1 2 p g 数据采集卡硬件设置 a 基地址的设定：p c l 一8 1 2 p g 要求1 6 个连续i o 地址空间，采集前将基 地址设定为h e x2 2 0 。 b 内部外部触发设置：p c l 一8 1 2 p g l 的a d 转换触发源可以是内部或外 部触发。由j p 5 设置( 见附录3 ) ，采集前设置为内部触发。 c 时钟源的设置：时钟源的选择由j p 4 ( 见附录3 ) 设置。在本课题中 选择内部触发。 d a d 输入范围设置：p c l 一8 1 2 p g 的输入范围可由跳线5 p 9 ( 见附录3 ) 设置到士5 v 或士i o v 。本没计硬件上设置a 9 输入范围为士5 v 。 西安理工大学硕士学位论文 e 接口连线：p c l 一8 1 2 p g 带两个2 0 芯绝缘的接口c n i 、c n 2 和一个3 7 芯的d 型接口c n 3 。c n l 和c n 2 在板的正面，c n 3 在板的背面。p c l 一8 1 2 p g 的c n 2 用于数字信号输入p c l 一8 1 2 p g 的c n l 用于数字信号输出，c n 3 用 于模拟输入、模拟输出和定时器计数器。将前置放大器的输出接到c n 3 模拟输入通道a i o ，a 1 1 ，a 1 1 5 ，将c n l 的数字信号输出接到自制板 卡的控制电子开关的接线端。 3 3 2a d 转换过程 a d 转换过程：a d 转换是由一个触发源开始的，然后a d 转换器就 开始将信号转换为数字值。a d 转换后的1 2 位的a d 数据被放在两个8 位 寄存器中，如图3 2 为a d 转换的数据格式： 淞 ，6543 ， 0 u s e ；- ta 【) 7 嘶 d 5 阱 n 3 d 2 d ； d n i j s e + 50i ，d r d ya d l a d i a t 擀a 1 ) # 圈3 2a d 转换的数据格式 低字节数据( 8l s b s ) 放在地址b a s e + 4 中，高字节数据( 4m s b s ) 放在地 址b a s e + 5 中，一个d r d y 位用于显示a d 转换状态。当进行a d 转换时， a d 数据寄存器中的d r d y 位被清零，表示数据没有准备好。当转换结束 后，d r d y 位被设为高1 ，它表示用户可以从a d 数据寄存器中读驭转换 后的数据。 3 3 3p c l - 8 1 2 p g 数据采集卡的初始化 在进行a d 转换程序设计前，要进行p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡的初始 化。在安装完板卡上自带c 程序库后，对板卡进行初始化。程序代码如 下： 4 3 数据采集系统设计 # i n c l u d e 8 1 2 p g h ” # i n c l u d e4 p c l e r r h 。 m a i n ( ) i n te r r c o d e ： e r r c o d e = _ 8 1 2 p gi n i t i a l ( c a r d - i ，0 x 2 2 0 ) i f ( e r r c o d e ! = e r rn o e r r o r ) e x i t ( 0 ) ： 然后设置a d 转换其它参数，如输入模式、输入通道、输入电压范 围、操作模式等。 3 3 4a d 转换程序的编写 本课题的温度数据采集是在c + + b u i l d e r 环境下，编写a d 转换动态 链接库来实现的。在c + + b u i l d e r 环境下支持嵌入式汇编，可以直接把 i n t e l8 0 x 8 6 汇编语言写的代码写到c + + 语言的代码中一起编译。汇编语 言具有执行速度快。较小的内存开销以及能直接跟硬件打交道等特点， 可以用来实现数据采集卡的a o 转换。 a a d 转换动态链接库头文件a d p r o h 相关代码： # i f d e fc p l u s p l u s # d e f i n ee x p o r t se x t e r n c d e c l s p e c ( d l l i m p o r t ) # e l s e # d e f i n ee x p o r t s # e n d i f e x p o r t sw o r dc a l l b a c kp r o a d ( w o r dw b a s e ，w o r dw c h a n n e 1 ) ： e x p o r t sw o r d c a l l b a c kp r o i n i ( w o r dw b a s e ，w o r dw c h a n n e l ) ： b a d 转换动态链接库源文件部分代码： 西安理工夫学硕士学位论文 在c + + b u i i d e r 环境中使用嵌入式汇编，首先在c + + b u i i d e r 单元文件 中加入编译预处理内嵌命令# p r a g m ai n l i n e ，然后在c h 代码中利用关键字 a s m ，a s m 或_ a s m 添加汇编语句。如果包括多条汇编语句就用 ) 括起来。 下面印本课题中a d 转换程序源文件的部分代码： # i n c l u d e # i n c l u d e ”8 1 2 p g h ” # i n cl u d e p c l e r r h ” # i n c l o d e ”a d p r o h ” # p r a g m a i n l i n e i n tw i n a p i d i i e n t r y p o i n t ( “i n s t a n c eh i n s t ，u n s i g n e dl o n gr e a s o n ， v o i d * l p r e s e r v e d ) e x p o r t sw o r dc a l l b a c kp r o a d ( w o r dw b a s e ，w o r dw c h a n n e l ) f w o r dg a i n a d c h ，a d s f ，a d h i ，a d l 0 ： b y t ec h a n ： g a i n = w b a s e + o x 9 ：a d 放大器增益控制地址 a d c h = w b a s e + o x a ：a d 通道号控制地址 a d s f = w b a s e + o x c ：a d 软件触发地址 a d h i = 怕a s e + 0 x 5 ：a d 结果高字节 a d l o = w b a s e + o x 4 ：a d 结果低字节 c h a n = b y t e ( w c h a n n e l ) ： _ a s m m o vd x ，a d c h ：a d 通道号控制地址 m o va l ，c h a n ： 通道号 o u td x ，a l ： m o va l ，2 ： a d 输入范围设置为1 2 5 v 3 数据采集系统设计 m o vd x ，g a i n ：增益控制器地址 o u td x ，a l ： m o vd x ，a d s f ：a d 软件触发地址 o u td x ，a l ： 软件触发a d h e r e ： m o vd x ，a d h i ：a d 结果高字节 i na l 。d x ： 读a o 高字节 a n da l ，o x l o ： 测试a d 输入缓冲器高字节b i t 4 j n zh e r e ： a o 转换未结束，等待 i na l ，d x ： a d 转换结束，读a d 高字节 a n da l ，o x o f ： 屏蔽高4 位 m o va h ，a l ： m o vd x ，a d l o ：a d 结果低字节 i na l ，d x ： 读a d 低字节 ) 利用c + + b u i l d e r 开发出功能强大的d l l 模块，可以在多种不同的用户 程序中链接调用，能很好的满足p c 机数据采集的要求。 3 4 数据的p c 机处理 计算机从数据采集卡读取数字量d ，并由d 求出被测温度值t 。为求取 t ，必须预先建立t 与d 的对应关系存在计算机中，以便实时转换采集来 的数据，并为求解炉膛温度场的模型及进行图形绘制服务。在通常的计 算机测温系统中大都采用查表法求取t 。其优点是算法简单、速度快、可 对非线性进行自动补偿等等但浚种方法占内存多，建表时需输入很多数 西安理工大学硕士学位论文 据，标定工作量大当系统的参数随着时间和环境发生变化，或者更换热 电偶时需重新标定和修改表格参数，这将带来不便在本课题中采用建立 热电偶t e 数学模型的方法对热电偶的特性曲线进行拟和来克服查表法 所存在的问题。 3 4 1p c 机处理温度数据的算法 a e o 关系式的求取：p c 机读取的数字量d ，对应的数据采集卡的输 入电压v o ，并不是热电偶经冷端温度补偿后输出的热电势e ，它们存在以下 关系： t 等k ( 3 - - 2 ， 上式中k 前置放大电路的总放大倍数； d 一计算机读取的数字量： v 。数据采集卡选定的输入电压最大值： n 数据采集卡读取数字量的位数； 对于p c l 一8 1 2 p g 采集卡f l ：1 2 ； e 热电偶经冷端温度补偿后输出的热电势 上式可以将计算机记录的d 值转换为相应位置处热电偶输出的热电势的值。 b t e 数学模型的建立：i e c 5 8 4 一l 标准中给出的温度t 与热电势e 的解析表达式形式为：e 一妒( f ) ( 3 - - 3 ) 妒f f ) 为一阶次较高的多项式函数或者是为一阶次较高的多项式函数加一指 数函数复合而成。式( 3 - - 3 ) 表明，如果已知温度t ，则可以确切地计算出热 电势e 。本课题炉温检测系统中，需要利用e 反过来求取被测温度t ，即 t = f ( e ) ( 3 4 ) 由于方程( 3 4 ) 为一高次方程或超越方程，通常需借助计算机，用某些迭 代法或试差法求箕近似值，这需要较长豹计算时间才能完成，有必要寻找 低阶多项式“1 来拟合式( 3 - - 4 ) ，本课题根据最小二乘法原理，并采用计算 3 数据采集系统设计 机自动分段算法，分别对铂铑。铂和铜康铜两种标准型热电偶的( 3 4 ) 式进行二阶多项式拟和。计算时，根据i e c 5 8 4 一l 标准中的计算函数，形成 热电偶的分度表。计算机从0 开始用最小二乘法，找出o 1 区间的拟 合系数d o 、d 1 、d 2 ，依次计算各点误差e r 。，其计算式为： e 强- k 一( d o 】+ d 1 】置+ d 2 l e ) 1 ( 3 5 ) 将各点误差e r 。与允许误差e r p 比较，若各点e r 。均小于e r p ，区间再扩 大l ，再用最小二乘法找出新区间的d o 、d 1 、d 2 ，依次计算各 点误差e r 。，再与e r p 比较若所有各点误差e r ，仍小于e r p ，则区间再扩 大i c ，重复以上计算、判断，直到某点q ：出现了e r 。 e r p ，计算机自动 将区间减l ，确定出第0 段区间o ( q ：一1 ) 。在o ( q z 一1 ) 区间内 求得的d 0 、d 1 、d 2 ，即为第0 段拟合方程t = a 0 + b 0 e + c 0 e 2 的系数a 0 、b 0 、c 0 。第1 段从( q z 一1 ) 开始，仍用上述方法找到 第l 段拟合方程的系数a 1 1 、b 1 、c 1 。依次进行直到最后一段，最终 得到各段的拟合系数a j 、b j 、c j ，以及段点温度q j 、段点毫伏 数州 j 和段数( p + 1 ) ，根据拟和系数写出分段多项式表达式： 一a j 】+ 6 【，】巨+ 4 j ? ( 3 - - 6 ) 上式为在第q ，( q 。一1 ) 段内，任一点的t e 模型。表3 一l 就是在 c + + b u i l d e r 环境下，编制的最d , - 乘法二阶多项式自动分段拟和程序求 得的拟和结果： 表3 一l 铜一康铜( t ) 热电偶在0 1 精度下的拟合结果 熟电势e 的变化范温度t 变化范围 拟和方程 围( i i l v )( ) 0 4 0 9 0 8o 9 6t = o 0 7 6 2 + 2 5 6 2 3