刘梦华-文献综述

内蒙古科技大学信息工程学院内蒙古科技大学信息工程学院 测控专业毕业实习报告测控专业毕业实习报告 文献综述文献综述 题题 目 基于虚拟仪器的热电偶检定目 基于虚拟仪器的热电偶检定 系统设计系统设计 学生姓名 刘梦华学生姓名 刘梦华 学学 号 号 07051122100705112210 专专 业 测控技术与仪器业 测控技术与仪器 班班 级 测控级 测控 07 207 2 班班 指导教师 闫俊红指导教师 闫俊红 I 摘摘 要要 热电偶是广泛应用于工业和科研领域中的一种测温传感器 但是在使用过 程中 由于受到外界条件的影响 会使它的准确性降低 为了确保热电偶温度 计测温的准确性 不仅在出厂时要对它进行严格检定 而且在随后的使用过程 中还要进行周期性检定 随着计算机在各个领域中的发展和广泛应用 标准热 电偶检定工作也由过去传统的人工手动操作 发展到现在的计算机自动检定 即采样 控制 数据处理 显示 保存 打印检定记录等整个过程都可由计算 机来完成 解决了热电偶手动检定数据计算烦琐 误差较大 检定过程耗费时 间长的问题 使标准热电偶整体检测水平得到了相应的提高 基于上述形势 本文利用现代计算机控制技术和数据采集技术 论述了一 种新型的标准热电偶自动检定系统 系统选用先进的集成数据采集卡和功能强 大的 LabVIEW 虚拟仪器技术 构建了一种基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统 关键词 关键词 热电偶 虚拟仪器 自动检定 数据采集 II 目目 录录 摘 要 I 第一章 绪论 1 1 1 热电偶型号的选择 1 1 2 热电偶的发展现状 2 1 3 热电偶的发展趋势 3 1 4 热电偶冷端温度补偿 4 第二章 热电偶检定系统的方案 5 2 1 标准热电偶的检定方法 5 2 2 热电偶的测温原理 5 2 3 热电偶检定原理 6 2 4 基于虚拟仪器的热电偶检定系统原理图 6 第三章 虚拟仪器的简介 8 3 1 虚拟仪器的基本概念 8 3 2 虚拟仪器的组成 9 3 3 虚拟仪器的优点 9 第四章 总结 10 参考文献 11 1 第一章第一章 绪论绪论 热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件 因其具有结 构简单 性能稳定 测温范围宽 测量精度高 动态性能好 使用方便以及容 易维护等优点 现已被广泛应用于冶金 电力 化工等许多领域 尤其是在高 温环境的温度测量中 占有相当重要的地位 它可以用来检测 200 1600 的温度 在特殊情况下 可测 2800 的高温或 4K 的低温 是目前工业生产中 应用最为广泛的接触式测温元件 1 1 11 1 热电偶型号的选择热电偶型号的选择 由理论角度出发 任何两种不同的导体均可作为热电极而组成热电偶 但 为了保证测温精度和工程上的各项技术指标 按照工业标准化的要求 可分为 标准化热电偶和非标准化热电偶两种 所谓标准化热电偶 是指工艺上比较成 熟 能批量生产 性能稳定 应用广泛 具有统一分度表并已列入国际和国家 标准文件中的热电偶 国际电工委员会 IEC 共推荐了 8 种标准化热电偶 其 中 5 种热电偶为铂铑 10 铂热电偶 铂铑 30 铂铑 6 热电偶 镍铬 镍硅热电偶 镍铬 铜镍热电偶和铜 铜镍热电偶 2 1 铂铑 10 铂热电偶 S 型 铂铑 10 铂热电偶为贵金属热电偶 其正极 SP 的名义化学成分为铂铑 金属 负极 SN 为纯铂 故俗称单铂铑热电偶 该热电偶长期最高使用温度 为 1300 短期最高使用温度 1600 S 型热电偶具有准确度高 测温区宽 使用寿命长和稳定性好等优点 适用于氧化和惰性气氛中 使用广泛 2 铂铑 30 铂铑 6 热电偶 B 型 铂铑 30 铂铑 6 热电偶为贵金属热电偶 其正极 BP 和负极 BN 的名 义化学成分均为铂铑金属 只是含量不同 故俗称为双铂铑热电偶 该热电偶 长期最高使用温度为 1600 短期最高使用温度为 1800 B 型热电偶具有准 确度高 稳定性好 测温区宽 使用寿命长等优点 适用于氧化性和惰性气氛 中 也可短期用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽气氛中 它还有一个明 显的优点是参比端不需进行冷端补偿 因为在 0 50 范围内其热电动势小 2 于 3uV 3 镍铬 镍硅热电偶 K 型 镍铬 镍硅热电偶是目前用量最大的廉价金属热电偶 其用量约为其他热电 偶的总和 其正极 KP 的名义化学成分为 Ni Cr 90 10 负极 KN 的名 义化学成分为 Ni Si 97 3 其使用温度范围为 200 1300 K 型热电 偶具有线性度好 热电势较大 灵敏度高 稳定性和复现性好 抗氧化性强 价格低等优点 能用于氧化性和惰性气氛中 K 型热电偶不能在高温下直接用 于硫 还原性或还原 养花交替的气氛中 也不能用于真空中 4 镍铬 铜镍热电偶 E 型 镍铬 铜镍热电偶又称为镍铬 康铜热电偶 也是一种廉价金属热电偶 其 正极 EP 为镍铬 10 合金 化学成分与 KP 相同 负极 EN 为铜镍合金 该 热电偶使用温度范围为 200 850 E 型热电偶电动势之大 灵敏度之高书 所有标准热电偶之最 宜制成热电堆来测量微小的温度变化 E 型热电偶可用 于湿度较大的环境理 具有稳定性好 抗氧化性能高 价格低等优点 但不能 在高温下用于硫及还原性气氛中 5 铜 铜镍热电偶 T 型 铜 铜镍热电偶又叫铜 康铜热电偶 它是一种最佳的测量低温的廉价金属 热电偶 它的正极 TP 是纯铜 负极 TN 是铜镍合金 俗称为康铜 它的 测量温区为 200 400 它的线性度好 热电势大 灵敏度高 稳定性和复 线性好 价格低 但 T 型热电偶的正极铜在高温下抗氧化能力差 故使用上限 受到限制 本设计选用比较常用的 S 型热电偶与 K 型热电偶 S 型热电偶具有准确度 高 稳定性好 测温温区宽 使用寿命长等优点 K 型热电偶的测温范围宽 线性度好 热电动势较大 灵敏度高 抗氧化能力较强 在氧化和还原气氛中 输出热电势都比较稳定 3 1 21 2 热电偶的发展现状热电偶的发展现状 热电偶由两种不同金属或合金组成闭合回路 它们的一端通常焊接在一起 形成接点 称为测量端 工作端或热端 而另一端置于被测温场中其参考端恒 3 定在某一温度下 通常为0 然后通过连接导线与测量仪表相连 由于热电偶 两端所处的温度不同 在热电偶中就有电动势产生用测量仪表测得电动势的数 值后 便可间接知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度 4 热电偶作为测温元件 其结构简单 制造容易 使用方便 测温精度较高 可就地测量和远传 在工作时 只要与显示仪表配合即可测量气体 液体 固 体的温度 热电偶可以用来测量 200 1600 范围内的温度 有些热电偶甚至 可测量2000 以上温度 所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一 通过热电 偶冷端补偿进行温度测量是一种传统 有效的方法 广大技术工作人员在实际 的测量检测中已经积累了较多的经验 然而广泛应用于工业和科研中的热电偶传感器 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套管材料玷污等情况的影响 使用一段时 间后 其热电特性会发生变化 当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 除此之外由于热电偶热电势和温度之 间的非线性以及冷端温度的不稳定 影响了测温精度 传统的冷端及非线性补偿方法主要有以下两种 3 一是基于硬件的补偿 但 补偿电路复杂 成本较高 精度不够 二是基于软件的补偿 通过微机进行拟 合或插值实现修正 普通的软件补偿对工作人员编程能力要求较高 计算量大 实时性不是很好 因此 传统补偿方法在很多场合已经不能适应现代测温的要 求 1 31 3 热电偶的发展趋势热电偶的发展趋势 国内外的许多研究机构和制造商 根据工业过程自动化的检测和控制要求 不断设计和制造出许多新的热电偶 热电阻 目前的发展趋势大致如下 1 产品结构铠装化 铠装热电偶与热电阻具有寿命长 可弯曲 热响应时间小 耐震动等的优 点 倍受用户的青睐 它也将逐步地代替过去用绝缘瓷珠穿丝的装配结构型式 2 产品结构安装套管化 由于热电偶与热电阻检测元件实现了铠装化 因此可以做到整机与套管分离 成两部分 用户可以预先将套管安装在工业过程设备上 热电偶或热电阻可以在 4 不停机情况下安装或拆卸 设备中的介质不会泄漏 既可靠又安全 3 检测 信号转换和现场显示一体化 随着电子产品小型化 原来作为直流4 20mA或1 5V标准信号传输的热电偶 或热电阻系列的温度变送器 实际上应该叫信号转换器 也已小型化 可以安装在 现场的热电偶或热电阻接线盒内与热电偶或热电阻成为一体 对于热电偶来说 只需用两根普通导线连接而不必使用较为昂贵的补偿导线 对于热电阻来说不 必再使用三根导线检测 信号转换和显示成为一体的带转换器和带显示的热电 偶与热电阻则可满足现场显示需要 近年来 现场总线已广泛应用于许多自动化控制领域 带智能型转换器的热 电偶与热电阻也已面世 它采用二线制4 20mA或数字化输出 通过手持终端操 作器接在4 20mA任意位置 实现数字信号通讯的现场或远距离重调 它还具有 PID的控制功能 在这种情况下 4 20mA作为控制输出 过程变量是测量的温度 值 设置则可由操作者直接或使用一个可组态的设置操作器来调整 其输出信号 可接到执行单元 同时信号的数字部分提供过程变量 输出 设置和其他转换 参数或PID参数 1 41 4 热电偶冷端温度补偿热电偶冷端温度补偿 在热电偶冷热端电势关系中 有如下公式 EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 1 1 其中 t 为实测温度 t0为冷端温度 EAB t 0 为冷端温度为 0 时 热 电偶电势输出 EAB t t0 为冷端温度为 t0 时 热电偶电势输出 EAB t0 0 为 冷端补偿电势 上式中EAB t t0 可以直接从热电偶输出中检测到 只要获取冷 端温度 t0 就可以由分度表换算出EAB t0 0 进而求出EAB t 0 完成了冷端 电势补偿 并通过分度表可换算出实测温度 t 6 5 第二章第二章 热电偶检定系统的方案热电偶检定系统的方案 2 12 1 标准热电偶的检定方法标准热电偶的检定方法 1 双极比较法 将同分度号同种规格的正 负极偶丝焊接成电偶 直接测量标准偶与被检热电偶的热电动势 2 同名极比较法 将同型号的标准热电偶与被检热电偶工作端捆在 一起 在固定点上进行电极的比较 3 微差法 将同型号的标准与被检热电偶反向串联 直接测量其热 电势差值 7 2 22 2 热电偶的测温原理热电偶的测温原理 热电偶测温是基于热电效应 两种不同成份的导体 称为热电偶丝材或热 电极 两端接合成回路 当接合点的温度不同时 在回路中就会产生电动势 这种现象称为热电效应 而这种电动势称为热电势 8 热电偶就是利用这种原 理进行温度测量的 其中 直接用作测量介质温度的一端叫做工作端 也称为 测量端 另一端叫做冷端 也称为补偿端 冷端与显示仪表或配套仪表连接 显示仪表会指出热电偶所产生的热电势 图 1 热电偶示意图 塞贝克效应 EAB T T0 EAB T EB T T0 EAB T0 EA T T0 Ln d NBT e KT AT AT B N e K T T0 BTN 1 T Ln Ln d NAT T 2 1 e TK0 TB TNA A0 0 e TK0 DB TNA A0 0 e K T T0 ATN 1 EA T T0 EB T T0 EAB T EAB T0 6 2 32 3 热电偶检定原理热电偶检定原理 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的原理是首先把标准偶和被检偶捆扎 在一起 装到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 标准热电偶直接连铜导线 将冷端置于冰点恒温器中以保证其恒为 0 度 信号调理模块将原始信号进行放大 滤波后 再经过数据采集模块将数据 送入微机 9 2 42 4 基于虚拟仪器的热电偶检定系统原理图基于虚拟仪器的热电偶检定系统原理图 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 10 而基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统则可消除以上问题 它的总 体框图如图 2 所示 检 定 炉 虚 拟 仪 器 计 算 机 可控硅 数据处理 图形显示 文件管理 打印输出 数 据 采 集 模 块 信 号 调 理 模 块 冰点恒温器 标准偶 被检偶 图 2 检定系统的总体框图 由图2 可知 检定系统由3 部分组成 11 温度检定系统 数据调理与采集系 统以及控制与处理系统 温度检定系统包括 1 检定炉为高温管形电阻电炉 2 冰点恒温器的作用是保证热电偶的冷端温度保持在0 也可以使用冰点瓶 3 可控硅温度调节器用于调节炉温 使之在检定点保持温度恒定 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的原理 12 是首先把标准偶和被检偶捆 7 扎在一起 装到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 标准热电偶直接连铜导线 将冷端置于冰点恒温器中以保证其恒为 零度 信号调理模块将原始信号进行放大 滤波后 再经过数据采集模块将数 据送入微机 微机是热电偶自动检定系统过程的控制者 它根据检定工作的需 要 通过可控硅调节器控制检定炉温度 通过数据采集卡接受数据 通过软件 程序实现自动检定 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控温调压器 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点的温度要求时 微机则控 制数据采集程序打开指定的数据采集通道 录入相应的标准偶和被检偶数据 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数据 用户可在微机上随时调出所有检定报表 查看或 打印 基于虚拟仪器的开放性和图形化模块式编程特点 可按不同的校准要求 组合构建系统 此系统使用方便 快捷 而且可移植性和重用性强 8 第三章第三章 虚拟仪器的简介虚拟仪器的简介 3 13 1 虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器 就是用户在通用计算机平台上 根据需求定义和设计仪器 的测试功能 使得使用者在操作这台计算机时 就像是在操作一台他自己设计 的测试仪器一样 VI 以透明的方式把计算机资源 如微处理器 内存 显示器 等 和仪器硬件 如 A D D A 数字 I O 定时器 信号处理等 的测量 控制能力结合在一起 通过软件实现对信号的分析处理 表达及图形化用户接 口等 13 应用程序将可选硬件 如 GPIB VXI RS232 QAD 板 和可重复使用原码 库函数等软件结合在一起 实现了仪器模块间的通信 定时与触发 原码库函 数为用户构造自己的 VI 系统提供了基本的软件模块 由于 VI 的模块化 开放性和灵活性 以及软件是核心的特点 当用户的测 试要求变化时 可以方便地由用户自己来增减硬软件模块 或重新配置现有系 统以满足新的测试需求 这样 当用户从一个测试项目转向另一个测试项目时 就能简单地构造出新的 VI 系统而不丢失已有的硬件和软件资源 软件是虚拟仪器的核心 软件即仪器 形象地概述了软件在 VI 中的重要 作用 通过应用程序提供的仪器硬件接口 可以用透明的方式操作仪器硬件 能 方便 有效地使用这类硬件 控制诸如万用表 示波器 频率计等特定仪器的 软件模块就是所谓的仪器驱动程序 Instrument Drivers 它现在已经成为应 用软件包的标准组成部分 这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制与通信 成为用户建立 VI 系统的基础软件模块 除仪器硬件接口 14 即仪器驱动程序 是 VI 应用软件的标准模块之外 用户接口开发工具 User Interface Development Tools 不仅是通用语言的 标准组成部分 而且也已成为 VI 应用软件的标准组成部分 而现在的 VI 软件 包括诸如菜单 表头 可编程光标 纸带记录仿真窗和数字显示窗等 VI 应用接 口属性 9 3 23 2 虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素 15 虚拟仪器中硬件的主要 功能是获取真实测试中的被测信号 而软件的作用是控制实现数据采集 分析 处理 显示等功能 并将其集成为仪器操作与运行的命令环境 3 33 3 虚拟仪器的优点虚拟仪器的优点 1 图形化和数据驱动式的开发环境 2 灵活的程序调试手段和高速编程效率 3 功能强大的函数库 4 支持多种系统平台 5 开放式的开发平台 10 第四章第四章 总结总结 基于虚拟仪器的热电偶检定系统 经实际测试验证了各项性能指标完全达到 检定要求 检定时间大大缩短 炉温控制质量有所提高 数据处理功能强 具有数 字和图象显示等功能 这套系统不但适合实验室的计量实验 而且也适合现场的 在线校准 检定程真正实现自动化