ZRJ-04智能热工校验装置群炉群控检测方法的研究与开发.docx

ZRJ-04智能热工校验装置群炉 群控检测方法的研究与开发 本课题对我科室新购入的设备ZRJ-04智能热工校验装置进行了研究，该系统可自动进行控温数据记录和显示，既可集中显示各检定炉的控温参数，又可分别详细显示不同检定炉的工作状态与控温参数，并自动绘制控温曲线。但是在实际工作中还是有很多问题需要研究和解决，如PID调节不合理，控温时间延长；软件证书模版设计不合理等。本课题通过在实际工作中所发现的问题，对检定热电偶的控温恒温进行分析，结合该系统的软件和硬件对出现的问题制定解决方案，进行解决，提高了工作效率，优化了该系统。1、在检定热电偶的过程中，如果PID参数设置不合理，工作时间就会很长，系统在测温点的控温时间非常长，很难达到检定规程的要求，因此，通过检定工作进行分析研究，对PID参数进行了整定，使工作效率得到提高。2、由于控温系统和标准器的精度具有差异，在实际控温恒温过程中，加热炉很难达到标准器和控温系统的温度偏差在5，这样就很难达到采集数据的要求。通过分析研究，对PV偏移进行了研究和修正，使控温系统和标准器的温差在检定规程要求的范围内。3、在检定工作中，还有很多干扰能够使得改系统在检定中对检定结果产生影响，如温度测量电路及控制电路的稳定性对输入量Qi的变化有着直接的影响，环境温度对于检定炉的散热量也有很大的影响，通过对这些的试验研究分析，对这些干扰因素进行了改进。通过对系统的研究和改进，在实际检定过程中，检定效率有了很大的提高，检定中控温系统也得到了很大的改善，使得检定的数据更加准确、可信。17检测公司课题立项完成报告 项目名称：ZRJ-04智能热工校验装置群炉 群控检测方法的研究与开发 单 位： 检测公司热力电室 起止时间： 2015.1-2015.11 完成日期： 2015.11 负 责 人： 张永良 目录1、概述22、ZRJ-04智能热工校验装置原理22.1原理简述22.2系统框图33、试验过程43.1材料选用43.2测量过程53.2.1 热电偶检定接线图53.2.2热电偶检定过程64、试验结果分析研究及改进方法64.1温控参数（PID参数）的整定64.1.1 整定的原因64.1.2 PID参数整定步骤74.1.3 结果对比84.2 PV偏移的影响104.2.1偏移的产生104.2.2偏移的消除104.3其他干扰因素的研究分析124.3.1 干扰因素的产生124.3.2干扰因素的消除135、系统检测的分析及论证145.1系统论证145.2系统的分析16参考文献171、概述ZRJ-04型工作热电偶群炉自动检定系统继承了原ZRJ-03型智能化热工仪表检定系统的优点，增加了分级低电势扫描开关与扫描控制系统，各检定炉分别采用RS485总线智能仪表和SSR进行控温，其控温温度、PID参数等可进行遥控设定，并由上位计算机进行集中控制。智能仪表的控温偏差可进行手动或自动修正，满足进行检定允许偏差的要求。系统可自动进行控温数据记录和显示，既可集中显示各检定炉的控温参数，又可分别详细显示不同检定炉的工作状态与控温参数，并自动绘制控温曲线。2、ZRJ-04智能热工校验装置原理2.1原理简述ZRJ-04工作热电偶群炉自动检定系统，是由计算机、打印机、6 1/2位高精度数字万用表、两级低电势扫描器/控制器、GPIB接口、高精度温度控制仪表、KRJ热电偶检定炉等组成的自动控制与测试系统，是集计算机技术、微电测技术和自动测试技术于一体的新型智能化计量标准装置。该系统用于自动检定各种工作用热电偶，可同时控制1-10台检定炉,每台检定炉一次可检定1-10支热电偶，能满足短时间内检定大批量热电偶的要求。系统硬件结构方式采用标准化结构，方便系统维护和升级，具有方便、可靠的系统可扩展性。系统具有设计先进、结构合理、软件功能齐全、操作方便、量值传递准确可靠、抗干扰能力强、组态灵活等一系列特点。能实现自动数椐采集、处理、表达、传送、存储和文档管理及自动生成检定证书等功能，利用本系统可大大提高工作效率。2.2系统框图 2.3系统存在的问题及解决问题做为我科室新进的重要设备之一，在现实工作中还有好多实际的问题不利于工作效率，如PID调节不合理，控温时间延长；软件证书模版设计不合理，证书上没有体现标准器信息等等。因此，利用它的自动测控及全程软件操作和接口与控制功能，可在此基础上进一步研究和开发软件和硬件接口，完善并优化设备检测热电偶和热电阻的具体方法。通过现阶段检测方法对不同热电偶和热电阻进行检测，分析测试结果，研究并开发一种更加完善的检测及操作方法。并充分利用设备硬件特性与软件功能，挖掘潜力充分发挥其功能，使新购设备做到物尽其用，为集体及客户单位提供更加准确、及时、便捷的计量检定、校准服务，可形成良好的经济效益和社会效益。3、试验过程3.1材料选用该检定炉系统测量范围适应于（3001200），在日常工作中，对于不同大小、不同型号、电极直径大小不同的热电偶进行测量时所测的温度点也不一样。如下表为电极直径所对应的不同测量点。分度号电极直径（mm）检定点温度（）K0.3400、600、7000.5、0.8、1.0400、600、8001.2、1.6、2.0、2.5400、600、800、10003.2400、600、800、1000（1200）对于无法知道电极直径的热电偶来说，通常根据给定的量程设置温度点来测量。在我们日常工作中所检定/校准的热电偶大部分都是0600、0800、01000、01100等几种量程的热电偶，电极直径都是上图所对应的范围中。因此，在本次研究中，我选用日常工作中所检定的热电偶来进行研究分析，这样更能反映系统的普遍性和实用性。对于热电阻的检定，原理和热电偶是一样的，只是检定点不同，热电阻通常都检定0和100，在日常工作中所检定的量非常少，因此，我们只用检定热电偶来进行分析和研究。3.2测量过程3.2.1 热电偶检定接线图 利用ZRJ-04型工作热电偶群炉自动检定系统接线非常方便，因为通常采集数字表和电脑都是连接好的，所用的冰点恒温槽用特殊的温度补偿导线所代替。所有在接线时只要求把被检热电偶和接线台用铜导线连接起来，放入炉子中心点就可以了，连接线路图如下所示：3.2.2热电偶检定过程对于检定过程，严格根据热电偶检定规程JJG351-1996来进行操作，由低温向高温逐点升温检定，炉温偏离检定点温度不超过5。当炉温升到检定点温度，炉温变化小于0.2/min时，系统进行自标准热电偶，一次测量各只被检热电偶的热电动势，测量顺序如下：标准被检1被检2被检n 标准被检1被检2被检n 读数应该迅速准确，时间间隔应相近，测量读数不应少于4，测量时管式炉温度变化不大于0.25。 4、试验结果分析研究及改进方法4.1温控参数（PID参数）的整定 4.1.1 整定的原因在检定热电偶的过程中，如果PID参数设置不合理，工作时间就会很长，系统在测温点的控温时间非常长，很难达到检定规程的要求，如图4.1所示，在某次热电偶检定过程中，当检测热电偶600点时，由于PID参数设置不合理，温度很难达到稳定，需要两个多小时才能稳定，这就影响了检定所需的时间，大大降低了工作效率，因此PID参数是影响检测效率和检测质量的主要因素之一，针对这个问题，我通过在工作中PID参数进行了整定。图4.14.1.2 PID参数整定步骤（1） 在检定K型热电偶过程中，检定点设在400、600、800、1000。（2） 当炉温升到400附近，选择对应要整定参数的检定炉页面，将400拦中的积分时间（TI）改为1000.0，微分时间（TD）改为0.0，并将比例（P）适当减小，使调节过程变为纯比例调节。（3） 认真观察功率曲线的变化规律，若功率曲线衰减，则进一步减小比例，若功率曲线发散，则适当增加比例，直到功率曲线出现4-5次等幅振荡。（4） 记下此时的比例（临界比例Pk），通过在曲线范围内移动光标并观察时间数据，算出功率曲线的振荡周期（临界周期Tk）。（5） 按以下经验公式计算出比例（P）、微分时间（TD）、积分时间（TI）：P=1.7Pk；TD=0.125Tk；TI=0.7Tk将计算数据输入对应栏中。（6） 重复以上方法整定600、800、1000的PID参数。4.1.3 结果对比通过对PID参数的整定，比例带、积分时间、微分时间、最大功率参数如4.2图所示。通过整定后，再进行一次检定工作，发现控温时间非常短，整个检定过程比以前大大缩减，如图4.3所示。图4.2图4.34.2 PV偏移的影响4.2.1偏移的产生在检定热电偶工作中，该系统在控温时候还有一个因素影响控温时间，就是PV偏移，具体就是在恒温阶段，标准热电偶和控温元件产生的温差，当控温元件显示的温度值和标准热电偶的温度值差5以上时，就很难达到采集数据的条件，使控温时间特别长，就如同图4.1中的600点控温一样。根据检定规程JJG351-1996，温度偏离炉温中心温度5时，就无法进行检定，这就需要我们收集各点偏移数据，修正偏移值。4.2.2偏移的消除（1） 在某次测量K型热电偶工作中，设定测量点为400、600、800。（2） 当温度达到400度时，发现标准温度为400左右，而控温元件温度仅为392，这样就达不到采集的要求。（3） 此时打开软件中的修改仪表参数对话框，将修正值改为7即可，如图4.4所示图4.4（4） 根据此方法依次在600、800加入修正值，最终使炉温很快达到规定要求，加快工作效率。如图4.5所示。图4.54.3其他干扰因素的研究分析4.3.1 干扰因素的产生对于热电偶检定而言，其温场温度变化与其热容量、加热量及散热量有关。按一般意义上的控制理论，可以将其描述为以下模型（如图4.6）:图4.6根据能量平衡的原理，则： Qi-Qs=AdTdt （1）式中 t时间，下同。在保温层一定情况下，检定炉温度越高则散热量越大，Qs与T有线性关系 Qs=TQsT （2） 令K1=AQsT ， K2=TQS 。将其和（2）代入（1）式整理可得： K1dTdt+T=K2Qi （3） 式中K1时间常数 K2温度相对于散热量的放大系数。 据此，当加热功率Qi发生阶跃响应变化时，温度值T对于时间t的变化曲线如图4.7所示。图4.7在一定温度范围内，加热功率发生阶跃型变化后，检定炉内温度经动态变化，可以自动在新的温度达到稳态自衡。检定炉经过PID调节，达到目标温度以后，其加热功率就只在某一数值附近小范围变化。保温层的好坏，只是决定了向外发散热量Qs的出口开度，与稳定度无直接关系。4.3.2干扰因素的消除 4.3.2.1对输入量Qi的干扰 温度测量电路及控制电路的稳定性对输入量Qi的变化有着直接的影响，在相关的检定规程中，对检定炉所使用的供电电源并未有提出相关的要求。但对于现在的检定炉温度控制系统，其加热功率的调节都可控硅的导通角改变固态继电器的通断时间（占空比或时间比），这样，当供电电压发生波动时，从而使检定炉温场发生波动。 要消除这一因素的干扰，可以在控制电路中加入前馈控制电路，而简单的方法就是给数据采集器接入稳压电源，当再发生电源电压不稳时，电压通过稳压电源，也会产生以后220V左右的电源供给数据采集器，这样就不会对采集结果产生影响了。 4.3.2.2对散热量Qs的干扰环境温度对于检定炉的散热量有很大的影响，当检定炉在工作时，必然会使其所在的室内环境温度趋于上升，加上室内环境温度的变化及周围空气的对流使得环境温度的变化无从考察，如果仅依靠控温电路的PID调节跟随，难以有很好的效果。因此，在检定工作中要保持环境温度很稳在室温左右，而且空气不能流通。我们应该把检定炉安置在环境温度相对稳定、无强对流室内，对检定炉进行测试效果会很好。5、系统检测的分析及论证5.1系统论证通过对系统的研究分析和对系统的完善，在目前的热电偶检定工作中，发现工作时间比以前大大减少，采集的数据也非常准确可靠。如在某次检定热电偶过程中，根据规程对六支热电偶进行检定，检定过程曲线图如图5.1所示：图5.1通过5.1可以看出，在检定四个点时所用的时间差不多一样，而且总时间只需要两个小时，温度曲线没有出现大的波动。再取400所采集的数据进行分析（如图5.2）图5.2从图5.2中可以看出，在采集数据过程中，标准热电偶和被检热电偶的电压值变化都不是很大，这说明炉温的稳定性非常好，没有受到干扰。5.2系统的分析通过对该系统的使用、研究和改进，总结了该系统的以下特点：（1）温度控制系统采用具有RS485通讯功能的日本岛电SR253智能PID调节器作温度控制器。先进的专家PID算法，有效地防止控温过程中的超调和欠调现象，实现自然、平稳的温度过渡，既可减少不必要的等待时间，又可得到理想的恒温指标。（2）恒温控制参数能够自行设置，可设置多达10台不同型号热电偶检定炉的恒温控制；区域恒温控制参数使各恒温设备在其工作温度范围的任意温度点均处于最佳匹配状态。（3）PID参数自整定，轻松自如地完成恒温参数的自整定工作，并可支持在上位机中修改更新仪表PID参数，从而保证系统最佳的恒温控制效果。（4）采用SSR进行作为功率输出单元，高精度交流过零触发，无高次谐