基于虚拟仪器的热电偶检定系统—数据采集与处理系统方案

毕业设计论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计论文,是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计论文的规定,即：按照学校要求提交毕业设计论文的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计论文的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注意事项1.设计论文的容包括：1封面按教务处制定的标准封面格式制作2原创性声明3中文摘要300字左右、关键词4外文摘要、关键词5目次页附件不统一编入6论文主体部分：引言或绪论、正文、结论7参考文献8致9附录对论文支持必要时2.论文字数要求：理工类设计论文正文字数不少于1万字不包括图纸、程序清单等,文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文复印件。4.文字、图表要求：1文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4图表应绘制于无格子的页面上5软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1设计论文2附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文复印件次序装订3其它基于虚拟仪器的热电偶检定系统数据采集及处理系统摘 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,作为现代检测技术和仪器仪表工业的主要工具,它的准确与否直接关系到制造商与用户的经济利益。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繁琐、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,本论文利用现代计算机控制技术和数据采集技术,以及丰富的软、硬件资源,论述了一种新型的标准热电偶计算机自动检定系统的研制方法。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,构建了一种新型热电偶自动检定系统。此系统界面友好,操作灵活方便,而且可移植性和重用性强。关键词：热电偶；自动检定；数据采集；虚拟仪器49 / 57The Calibration System of Thermocouples Based on Virtual Instrument Data Acquisition and Processing SystemAbstractThermocouple is a sort of temperature sensor, which is used extensivly in industry and scientific field. As the important means of temperature measurement and industry in themodern society,its accuracy directly relates the economy benefits of the manufacturers and the users. To ensure the thermocouples veracity, it must be calibrated strictly before it leave factory, and be calibrated periodically in the process of use it.With the further developing and wide application for computer in the various fields, the calibrating work for standard thermocouple has being developed from the past traditional manual operation to automation. Computer can complete the calibrating inculding sampling、controlling、processing data、displaying、saving and printing calibrating records. So the automatic calibration system not only resovlved a series of problems such as detailed data-calculating,major errors,time-wasting and so on,but also improved the technique.Based on above-mentioned situations, this thesis makes use ofmordencomputer contorl and data acquisition technologywith abundant software and hardware resources ,and expounds the research of a new kind of automatic calibration system.The system uses the advanced DAQ and the powerful function LabVIEW virtual instrument technology,which designsthe new automatic calibration system for thermocouple. It has friendly interface, and can be operated conveniently , moreover, it can be transplanted and repeated used.Key words: Thermocouple; Automatic test; Data acquisition; Virtual Instrument目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题的研究背景及发展概况11.2 课题研究的主要容4第二章 虚拟仪器的基本知识52.1 虚拟仪器基本概念52.2 虚拟仪器发展方向9第三章 热电偶简介113.1 热电偶基本概念与测温原理113.1.1 热电偶的基本概念113.1.2 热电偶的测温原理153.2 标准热电偶的检定163.3 热电偶检定的数据处理18第四章 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的设计194.1 系统总体设计194.2 炉温控制系统设计204.3 数据采集系统设计224.3.1 数据采集原理224.3.2 数据采集系统的实现23第五章 热电偶检定系统的硬件配置245.1 DAQ系统设计245.1.1 信号调理卡245.1.2 数据采集卡255.1.3 DAQ硬件配置255.2 热电偶检定炉265.3 JKH-C2型可控硅移相触发器/调压器275.4 零点恒温器295.5 计算机配置29第六章 热电偶检定系统的软件设计与开发306.1 软件系统的整体设计306.2 软件设计316.2.1 登陆系统子VI316.2.2 初始设置子VI336.2.3 预警系统子VI346.2.4 数据采集子VI366.2.5 数据记录与读取子VI386.2.6 温度曲线子VI386.2.7 误差与修正曲线子VI406.3 检定结果分析41第七章 总结43参考文献44附录A总系统前面板46附录B总系统数据流程图47致48第一章 绪论1.1 课题的研究背景及发展概况热电偶是我国目前工业常用的感温传感器,通常与温度仪表配套使用,广泛应用于工业生产、国防工业及科研中。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沾污等影响,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,这种影响就更严重。当热电偶的热电特性变化超过规定的围时,热电偶指示的温度便会失真,测温误差越来越大。因此,热电偶作为温度计量器件,不仅在出厂时要对它进行严格检定,而且必须按照国家检定规程和校准规要求进行定期检定,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,如果误差大小在相关检定规程的围,则给出其修正值,否则,判为不合格。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。随着计算机技术的迅速发展,90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,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。虚拟仪器是计算机技术和现代测控技术融合的产物,它遵循软件即仪器的概念,将计算机资源、仪器测/控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件进行有效结合,从而大大减少了仪器的硬件资源,并可以按照用户的需要定义仪器功能、结构,设计用户自己的仪器。所以,在热电偶的检定和分度工作中,应用虚拟仪器技术可以提高工作效率,节约成本和提高检定及分度的准确性。目前无论国还是国外,都对行业标准化有了足够的重视,但在我国毕竟起步较晚,对计量技术自动化和标准化的建设才刚刚开始,介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥无几。总体上说,国外在检定精度上发展较快。上个世纪末国电子仪器仪表市场几乎完全被国外拥有先进技术的产品所占领。近几年来,在国家大力扶持下,一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起,国对热电偶自动检定技术的研究正处于百家争鸣的时代,所研制的检定设备也层出不穷。就调查所得的情况来看,可归纳为以下两大类：微处理器型。这种类型的检定设备,是以各种各样的微处理器为智能核心,自组专用CPU系统,将检测、控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机箱。其优点是体积小,成本低,仪表自动化程度高。其缺点是开发阶段投资多,工作量大,线路复杂,专业性强,技术难度高,而且在显示及打印输出方面功能有限,故不易推广使用。通用微型计算机型。这种类型的热电偶检定设备,直接利用目前迅速发展的计算机控制技术进行开发,专门设计一个通信检测接口,利用计算机强大的智能控制和数据处理功能,结合可视化操作界面和高级程序设计语言,配合键盘、鼠标和打印机输入输出。其优点是开发环境优越,技术难度和工作量小,检定精度高,人机交互界面友好,功能齐全完善,故易于推广使用。其缺点是成本高,体积大,检定系统会占用一定的计算机资源。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。随着科学技术的发展,热电偶的检定还会出现更好的方法。因此,我还对热电偶检定做了如下的展望：热电偶的检定过去都是由人工操作完成的,这不仅工作效率低,而且会引起人为误差。随着计算机应用的普及和数字化仪表的发展,近十几年来,国外在热电偶检定自动化方面作了不少研究,有了很大发展。本文从温度自动检定系统的国外研究现状出发,提出了基于LabVIEW的工业热电偶自动检定系统。LabVIEW编程的主要特点就是将虚拟仪器分解为若干基本的功能模块,模块的引脚代表输入/输出接口。编程者可以通过交互式手段,采用图形化框图设计的方法,完成虚拟仪器的测量控制功能设计。LabVIEW编程的另一个优点是将软件的界面设计与功能设计独立开来,修改人机交互界面无需对整个程序进行调试,这对设计像仪器操作面板这样复杂的人机界面而言是十分方便的。目前,工业热电偶的检定基本上仍是在温度计量实验室完成的。而很多时候,工业热电偶是被安装在现场测温,若要把它们拆卸下来放到实验室去检定是比较麻烦的。另一方面,热电偶热电阻在现场环境下长期使用后,材料成分发生了不均匀变化,热电特性也发生了变化,而要在实验室中查看清楚这种热电特性的变化是不现实的。唯一可行而有实际意义的做法是在所使用的现场条件下,通过检定查看其热电特性变化。因此,在线检定是自动检定以外热电偶检定方面的又一个趋势。此外,在现已进行的工作基础上,对本课题的研究作以下构想：1、改进检定炉,使之能够提供各种工业常用标准热电偶检定的温场环境；2、对炉温控制做进一步研究,实现计算机自动控制系统的精密控温；3、改进软件系统,扩充系统功能和完善视窗画面效果；4、引进先进设备,提高检定系统的测量精度；5、建立功能强大的数据库管理系统,使数据处理更趋合理。1.2 课题研究的主要容本论文以现代工业中生产和使用的标准热电偶为研究对象,通过了解它的热电特性、工作原理和检定方法,结合温度计量和计算机软、硬件设计的技术,遵照标准热电偶检定的步骤和规程,依托计算机虚拟仪器技术来实现热电偶检定的自动化。最终目的是使人们能够在计算机上通过清晰的人机界面以菜单和图形方式将实验数据输入计算机,然后由计算机自动控温、自动检定、自动数据处理、自动打印检定结果,提高工作效率和检定精度。系统的硬件方面,检定炉选用本学校实验室的回转式管式电阻炉,数据采集卡选用美国NI公司出品的PCI-6221数据采集卡。系统的主控部分是配有键盘、鼠标和打印机的计算机系统。系统的软件方面,选用美国NI公司开发的LabVIEW8.5来编写程序。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构建系统,使用方便、快捷,而且系统可移植性和重用性强。第二章 虚拟仪器的基本知识2.1 虚拟仪器基本概念虚拟仪器Virtual Instrumention是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式,一种是将计算机装入仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。20年来,无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员,虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎,这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流,同时地图化的用户界面直观地显示数据,使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入1。虚拟仪器的发展过程：1、GPIBVSIPXI总线方式适合大型高精度集成系统。GPIB 于1978年问世,VXI于1987年问世,PXI于1997年问世。2、PC插卡并口式串口USB方式适合于普及型的廉价系统,有广阔的应用发展前景。PC插卡式于80年代初问世,并行口方式于1995年问世,串口USB方式于1999年问世。综上所述,虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：计算机是载体；软件是核心；高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中,硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备,或者是其它各种可程控的外置测试设备,设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序,虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯,并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。同其他技术相比,虚拟仪器技术具有四大优势：1、性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的,所以完全继承了以现成的PC技术为主导的最新商业技术的优点,包括功能超卓的处理器和文件I/O,使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外,不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2、扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性,只需更新计算机或测量硬件,就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候,我们可以把它们集成到现有的测量设备,最终以较少的成本加速产品上市的时间。3、开发时间少在驱动和应用两个层面上,NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作,同时还提供了灵活性和强大的功能,使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。4、无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂,工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求,而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口,帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统,减少了任务的复杂性2。虚拟仪器的发展随着计算机的发展和采用总线方式的不同,可分为五种类型：1、PC总线插卡型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合。Labview/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具,通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi构成测试系统,它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制,且有电源功率不足,机箱部的噪声电平较高,插槽数目也不多,插槽尺寸比较小,机箱无屏蔽等缺点。另外,ISA总线的虚拟仪器已经淘汰,PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。2、并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置,它们把仪器硬件集成在一个采集盒。仪器软件装在计算机上,通常可以完成各种测量测试仪器的功能,可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连,方便野外作业,又可与台式PC机相连,实现台式和便携式两用,非常方便。由于其价格低廉、用途广泛,特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。3、GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展,典型的GPIB系统由1台PC机、1块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下,1块GPIB接口可带多达14台仪器,电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制,替代传统的人工操作方式,可以很方便地把多台仪器组合起来,形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单,主要应用于台式仪器,适合于精确度要求高的,但不要求对计算机高速传输状况时应用。4、VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展,它具有稳定的电源,强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点,很快得到广泛的应用。经过多年的发展,VXI系统的组建和使用越来越方便,尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而,组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。5、PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线核技术增加了成熟的技术规和要求形成的。PXI具有高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽,而台式PCI系统只有34个扩展槽,通过使用PCIPCI桥接器,可扩展到256个扩展槽,台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来,将形成未来的虚拟仪器平台3。虚拟仪器在国际上早已进入实用阶段,在我国虽刚起步,但发展迅速,已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。LabVIEWLaboratory Virtual Instrument Engineering是一种图形化的编程语言,由美国国家仪器NI公司研制开发的,类似于C和BASIC开发环境,但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样,LabVIEW也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等等,便于程序的调试。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言,又称为G语言。使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念,因此,LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率。 所有的LabVIEW应用程序,即虚拟仪器VI,它包括前面板front panel、流程图block diagram以及图标/连结器三部分。利用LabVIEW,可产生独立运行的可执行文件,它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样,LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。它主要的方便就是,一个硬件的情况下,可以通过改变软件,就可以实现不同的仪器仪表的功能4。2.2 虚拟仪器发展方向虚拟仪器精确的采样,及时的数据处理和快速的数据传输使其在自动控制领域和工业控制领域得到广泛的应用。它以计算机发展为平台,更迎合了在当今信息社会各行各业向智能化、自动化、集成化发展的趋势。它的灵活性,软、硬件的标准化令其在仪器计量领域逐渐取代传统仪器。PC技术与嵌入式系统融合发展,使虚拟仪器的功能得以进一步的发展,如更多的嵌入式和实时功能。随着PC技术和相关科技的发展,虚拟仪器技术已成为一项前沿学科,代表着仪器发展的最新方向,不断地被推向各个新的领域。随着计算机、通信、微电子技术的不断发展,以及网络时代的到来和信息化要求的不断提高,网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势。使用网络化虚拟仪器,可使任何地点、任意时刻获取测量数据信息的愿望得到实现。网络化虚拟仪器也适合异地或远程控制、数据采集、故障监测、报警等。与以PC机为核心的虚拟仪器相比,在不远的将来,网络化虚拟仪器将是仪器发展中的又一次革命5。第三章 热电偶简介3.1 热电偶基本概念与测温原理3.1.1 热电偶的基本概念热电偶是一种感温元件,是一次仪表,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表二次仪表转换成被测介质的温度。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用围或数量级上均不及标准热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量,这里我们主要介绍标准热电偶。目前国际上规定了以下8种标准热电偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我国从1988年1月1日起,热电偶全部按国际标准生产,并指定S,B,E, K,R,J,T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。下面对这8种标准热电偶做一些介绍。S型热电偶即铂铑10-铂热电偶,它是一种贵金属热电偶。电极线径规定为0.5mm,其正极的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为10%,含铂为90%。负极为纯铂,故俗称为单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300,短期最高使用温度为1600。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。其物理化学性能良好,在高温下抗氧化性能好,适用与氧化和惰性气氛中,使用广泛。S型热电偶的缺点是热点率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,对污染敏感,贵金属材料昂贵,因此一次性投资较大。R型热电偶即铂铑13-铂热电偶,它是一种贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm,允许偏差-0.015mm,其正极RP的名义化学成分为铂铑合金,其中含铑为13%,含铂为87%,负极RN为纯铂,长期最高使用温度为1300,短期最高使用温度为1600。R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高,稳定性最好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理、化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当,在我国一直难于推广,除在进口设备上的测温有所应用外,国测温很少采用。1967年至1971年间,英国NPL,美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究,其结果表明,R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好,我国目前尚未开展这方面的研究。 R型热电偶不足之处是热电势,热电势率较小,灵敏读低,高温下机械强度下降,对污染非常敏感,贵金属材料昂贵,因而一次性投资较大。B型热电偶即铂铑30-铂铑6热电偶。它是一种贵金属热电偶。偶丝线径规定为0.5mm,其正极和负极的名义化学成分均为铂铑合金,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,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸汽中。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050围,热电势小于3V。B型热电偶缺点是热电率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,抗污染能力差,贵金属材料昂贵。K型热电偶即镍铬-镍硅热电偶,它是一种能测量较高温度的廉价金属热电偶。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性,可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1000的高温,短期可测到1200。它不能用于还原性介质中,否则,很快腐蚀,在此情况下只能用于500以下的测量。它比S型热电偶要便宜很多,它的重复性很好,产生的热电势大,因而灵敏度很高,而且它的线性很好。虽然其测量精度略低,但完全能满足工业测温要求,所以它是工业上最常用的热电偶。N型热电偶即镍铬硅镍硅镁热电偶,它是一种廉价金属热电偶,热电偶的正极NP为名义值13.714.7%的铬和1.21.6%的硅及0.01%的镁与镍合金,负极NN为名义值4.24.6%的硅和0.51.5%的镁及0.02%的铬与镍合金。它是一种最新国际标准化的热电偶,是在70年代初由澳大利亚国防部实验室研制成功的。它克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300500间由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定；在800左右由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。N型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,抗氧化性能强,价格便宜,不受短程有序化影响等优点,其综合性能优于K型热电偶,是一种很有发展前途的热电偶。 N型热电偶不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中和真空中,也不推荐用于弱氧化气氛中6。T型热电偶即铜-康铜热电偶,也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为铜镍合金,常称之为康铜,它与镍铬-康铜的康铜EN通用,与铁-康铜的康铜JN不能通用,尽管它们都叫康铜,铜-康铜热电偶的测量温区为-200350。T型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,特别在-2000温区使用,稳定性更好,稳定性可小于3V,经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化性能差,故使用温度上限受到限制。E型热电偶即镍铬-铜镍热电偶又称镍铬-康铜热电偶,也是一种廉价金属热电偶。其正极为镍铬10合金,化学成分与KP相同,负极为铜镍合金,名义化学成分为55%的铜、45%的镍及少量的钴、锰、铁等元素。该热电偶电动势之大,灵敏度之高属所有标准热电偶之最,宜制成热电偶堆来测量微小温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境里,具有稳定性好,抗氧化性能高,价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫、还原性气氛中。J型热电偶即铁-康铜热电偶,它是一种价格低廉的廉价金属的热电偶。它的正极JP的名义化学成分为纯铁,负极JN为铜镍合金,常被含糊地称之为康铜,其名义化学成分为：55%的铜和45%的镍以及少量却十分重要的锰,钴,铁等元素,尽管它叫康铜,但不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜,故不能用EN和TN来替换。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-2001200,但通常使用的温度围为0750。J型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度较高,稳定性和均匀性较好,价格便宜等优点,广为用户所采用。J型热电偶可用于真空、氧化、还原和惰性气氛中,但正极铁在高温下氧化较快,故使用温度受到限制,也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。热电偶产生测量误差有3个原因：一是在制造时,热电偶材料由于受到外力的作用而产生应力,造成应力分布的不均匀；二是在使用中往往会受到其他化学成分的影响而使得材料成分发生变化；三是使用中产生的误差。后者因与工艺或生产过程有关,这里不再赘述,只讨论前面2个原因。 根据JJG351-96工业用廉金属热电偶检定规程规定,新制造或使用中的热电偶必须经检验合格后方可使用。然而,在检定过程中经常会出现一些超出允许误差的检定偏差。出现这种情况是由于热电偶由2个不同的金属导体制成,导体自由电子的运动产生热电势,它与制作热电偶热电极的材料均匀性有关。若热电极材料不均匀,两热电极又处于温度梯度中,则热电偶回路中就会产生一个附加电势。此附加电势的存在会使热电偶的热电特性发生变化,降低测温的准确性。而造成热电极材料不均匀的主要原因有化学成分和物理状态两方面。 化学成分：热电极表面局部的金属挥发和氧化。热电极中某些元素的选择性氧化。测温气氛、绝缘材料和保护套管材料对热电极的局部玷污和腐蚀等。材料的性质改变。物理状态：杂质的存在。应力分布的不均匀。实践证明热电偶的热电特性因应力的影响而发生变化。在生产过程中,由于塑性形变和退火不均匀、不彻底,往往造成偶丝材料的应力分布不均匀；在安装和使用过程中也会发生偶丝局部形变和加热不均匀而使热电极产生新的应力分布不均匀,从而使热电极沿长度方向出现热电特性不一致的现象,导致热电势发生变化。晶体结构不均匀。热电极的晶粒大小对热电特性有影响。测量端的热扩散7。3.1.2 热电偶的测温原理热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。如图3.1所示,把两种不同的导体A和B连接成闭合回路,当两接点1与2的温度不同时,如T To,则回路中就会产生热电势。导体A和B叫做热电极,两热电极A和B的组合称作热电偶。在两个接点中,接点1是将两电极焊在一起,测温时将它放入被测对象中感受被测温度,故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中,要求温度恒定,故称之为参考端、冷端或自由端。热电偶就是通过测量热电势来实现测温的8。图3.1热电偶结构图3.2 标准热电偶的检定所谓热电偶检定,是指为评定热电偶的热电特性是否合格而进行的全部工作。其中包括外观检查和在规定的温度点检查其热电动势的量值大小和稳定程度是否符合标准规。热电偶的检定步骤和检定周期按国家计量部门制订的检定规程进行9。我国的标准热电偶检定系统表也就是温标的传递系统,见图3.2.图3.2标准热电偶检定系统图工业热电偶主要包括工作用贵金属热电偶和工作用廉价金属热电偶。工作用贵金属热电偶主要指铂铑10-铂、铂铑13-铂和铂铑30-铂铑6热电偶。工作用廉价金属热电偶主要指镍铬-镍硅、镍铬硅-镍硅、镍铬-康铜、铁-康铜这四种热电偶。本文主要针对工作用廉价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价金属热电偶的检定。不同等级热电偶在规定温度围,其允差应符合表3.1规定。表3.1工作用廉金属热电偶测温围及允差检定时用可控硅调压器来调节炉温,当炉温达到所需的检定温度点10,且炉温变化每分钟不超过0.2时,就可以进行读数。检定可采用下列三种方法的任意一种方法。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偶的热电动势。将热电偶束插入炉膛,并把热电偶的冷端引入零度恒温器。先使炉温恒定在检定点温度附近,然后从标准偶开始依次读取各热电偶的热电势,再按相反顺序进行,每支读数不应少于2次。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。微差法：将同型号的标准热电偶与被检热电偶反向串联,直接测量其热电势差值。在本文中,我们采用的热电偶检定方法是同名极比较法。3.3 热电偶检定的数据处理本文主要针对工作用廉价金属热电偶,研究300-1200围的检定点,该围热电动势误差e用下式计算：式中：被检热电偶在某检定点附近温度下,测得的热电动势算术平均值；标准热电偶证书上某检定点温度的热电动势值；标准热电偶在某检定点附近温度下,测得的热电动势算术平均值；被检热电偶分度表上查得的某检定点温度的热电动势值；、分别表示标准、被检热电偶在某检定点温度的微分热电势。被检热电偶在该检定点的温度示值误差用式计算：3-2该误差应符合检定规程要求,否则即为不合格。第四章 基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的设计4.1 系统总体设计本文设计的热电偶自动检定系统是基于虚拟仪器的,图4.1是我所设计的基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统的总体设计方案图。图4. 1基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统装置的总体设计方案图接下来我将对这一系统做简要的介绍。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计算机。计算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,通过数据采集卡接收数据,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,计算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,计算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,用户可在计算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。由于本文是针对热电偶检定系统的数据采集和处理部分做的设计,因此我将对这一部分做重点的介绍10。热电偶自动检定系统具有以下的特点：实现检定过程的全自动化：从检定方案选择、炉温控制、数据采集,到检定结果分析、检定证书和分度表的打印全过程实现自动。用户界面友好：具有参数输入、通道设置、过程参数实时监测等多种功能,并可根据用户要求随时增加或删减部分功能。提供多种检定方案：可以采用双极法、同名极法和微差法进行检定,也可根据需要自定义检定程序。可以进行热电偶的分度：新研制的和非标准化热电偶在使用前都需要进行分度实验,得到分度表及热电性能的温度曲线或参考函数；某些热电性能发生改变的标准化热电偶也需要进行重新分度,本系统就可以提供这项功能,并可以根据用户需要对分度点进行随意设置11。4.2 炉温控制系统设计基于虚拟仪器的热电偶自动检定系统对检定炉各项技术指标要求较高,整个检定过程要求达到升温快,恒温时炉温变化率不能超过0.5/min,且恒温值要相对准确,偏离检定温度不超过0.5。本文对炉温控制系统的设计思想来源于用电压调整器控制可控硅导通角的原理。可控硅是一种大功率半导体元器件,它具有体积小、效率高、可以控制、动作迅速、无噪声等优点,是用来在温度控制系统中调整交流电压以控制电加热器加热功率的执行元件。可控硅的导通时刻是由可控硅电压调整器中的触发脉冲电路产生的脉冲信号决定的。可控硅控温设备按其触发控制电路触发方式的不同,可分为可控硅调压器与可控硅调功器。它们与电流输出的调节仪表配套使用,用于控制检定炉温度。本系统选用可控硅调压器把模拟控制信号变为疏密变化的脉冲列,在同步电路的配合下,改变可控硅的导通角,就可以控制检定炉中电流的大小,从而实现对炉温的控制。这里使用的可控硅调压器采用移相触发控制电路,它主要由放大与触发电路、反馈与预给电路、同步脉冲发生器和保护电路等部分组成。其控制系统原理图如图4.2所示。图4.2可控硅调压器控温系统原理图图4.2中虚线框是移相触发式可控硅调压器,K是拨动开关,它有Z位置和S位置。当K拨向Z时,就可以实现温度的自动控制,其控温过程大致如下：当检定炉炉温发生变化时,将引起热电偶送至PID温度显示调节仪的热电势发生变化,其输出电流也就会随着热电势的变化而变化。变化的直流电流信号输送到可控硅调压器的输入端,在其电阻Rz上造成直流电压降,此电压降与电位器R4上的预给电压、电位器R6上的反馈电压叠加以后,输入至放大与触发电路。放大与触发电路又将直流电压信号转变成相应的移相触发脉冲信号,触发脉冲信号经过脉冲变压器B3送到可控硅的控制极上,使可控硅的导通角改变。反并联的两只可控硅接在主回路中,分别控制交流单相电源正负半周的导通角。加在放大与触发电路上的输入电压越大,可控硅的导通角就越大,因而使检定炉的温度发生变化,实现炉温的自动控制。可控硅调压器的优点是调节精度比较高,体积小,重量轻,效率高,寿命长,没有噪音。是一种比较理想的电热温度控制装置。但它也有缺点,由于可控硅调压器采用移相触发的原理,因而在负载上必然是一种有缺角的正弦波。还有电源波形畸变和高频电磁波辐射往往会产生某些不良后果12。4.3 数据采集系统设计4.3.1 数据采集原理模拟信号y经过采样开关抽样成离散的模拟信号,再经A/D转换器转换为计算机能接受的数字信号Y。其中采样信号可用式表示：其中,在t=nT时,在时,。采样信号仅在采样时刻0,T,2TnT有值,如第k时刻的值为。在采样过程中,应注重采样周期T的选择。即：1、T的选择应满足采样定理：。2、从控制性能来考虑：T越小,越接近连续系统,控制精度越高,但计算量越大,使可控制的回路数越小,且执行机构来不及响应。3、T的选择影响因素较多,一般可根据对象来经验选取。数据采集原理如图4.3所示13。图4.3数据采集原理图4.3.2 数据采集系统的实现数据采集系统的硬件主要由AI通道十计算机系统两部分构成,软件则由各种功能模块构成。数据采集系统主要是对检定炉的标准和被检热电偶参数进行定时采集、检查有效性及越限检查、处理、存储、显示、打印、报警等。系统在运行过程中,可随时接受由键盘输入命令,以达到随时选择采集、显示、打印的目的。数据采集部分将检测数据从采集卡读入计算机中,同时对数据进行预处理,实时地显示采样结果。用数据滤波来消除数据采集过程中偶然的脉冲干扰和周期性干扰。数据采样时,为了减少温度变化引起的测量误差,每个采样周期对选定的通道巡测1次,连续采集20次后取平均值,测量的顺序为：标准被标1被标2被标n被标n被标n被标2被标1标准。用相同的方法获取3个结果,取中间值作为有效的采样值1415。第五章 热电偶检定系统的硬件配置5.1 DAQ系统设计通过数据采集卡获取数据的虚拟仪器称为PC-DAQ卡式仪器。数据采集卡为I/O接口设备,对I/O接口设备的驱动是通过相应模板中的图标函数来实现的。从最基本的角度出发,DAQ系统的主要任务是测量或生成物理信号。一个DAQ系统除了插入式DAQ卡之外,通常还包括信号调理模块以及一套用于获取、处理数据,分析、显示、存储数据的软件,基本结构如图5.1所示。图5.1数据采集系统结构5.1.1 信号调理卡热电偶的输出电压很小,并且对噪声敏感。因此,在测量前常需要进行放大和滤波,而且不能把被测信号直接连接到数据采集卡上,而必须使用信号调理辅助电路,需要先将信号进行一定的处理。本设计使用的是由NI公司制作的一个非常易于扩展的仪器信号调节可扩展系统。SCC-TC02信号调理模块是一个多用途、高性能的信号调理平台,适用于通道超过一定数量、封装条件恶劣、并且对信号调理要求很高的应用系统。它是一个自带冷端温度补偿的热电偶输入模块,可接各种标准热电偶,也可以用作插卡式数据采集板、VXI模块或PXI模块的调理前端,还可以将它作为完整的远程数据采集模块。通过SCC模块强大的多路能力,SCXI模块可以将多路信号接入到一块数据采集板上。对于多通道、缓变的数据采集系统,如温度监测系统,SCC是一种高可靠性的选择。5.1.2 数据采集卡PCI-6221是NI公司NI 6221系列数据采集卡之一,是一种性能优良、适合PC的数据采集卡,能够完成信号采集、数字信号的模拟输出以及定时、计数等功能。它有16个模拟量输入通道、2个模拟量输出通道。16个模拟输入通道ai0ai15,其部模数转换器是16bit逐步逼近式,可以将其设定为16个单端信号输入方式或8个差动信号输入方式。该卡具有三种不同的模拟输入模式：RSE、NRSE、DIFF输入模式。RSE是单端参考地模式；NRSE是单端无参考地模式；DIFF是差分模式。PCI6221的模拟输入还可以选择单极性或双极性。选择单极性,输入电压围为010V；选择双极性,输入电压围为-5V+5V。我们设置模拟输入为单极性。 2个模拟输出通道ao0和ao1,可以设置模拟输出通道为单极性或双极性输出。单极性输出围为010V；双极性输出围为-5V+5V。我们设置的模拟输出为单极性。ao0对应模拟输出通道0,ao1对应模拟输出通道1。AGND是这两个模拟输出端的参考地。在使用前要进行硬件安装和软件设置。硬件安装就是将数据采集卡插入PC机的标准总线扩展槽,软件