1 引言

 

熱電偶是廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研中的一種測溫傳感器。由于受到測量環(huán)境、介質(zhì)氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護套管材料玷污等情況的影響,使用一段時間后,其熱電特性會發(fā)生變化。當熱電特性變化超過規(guī)定的范圍時,熱電偶指示的溫度便會失真,測溫誤差越來越大。因此,熱電偶不僅在使用前要進行校準,而且在使用一段時間后還要進行檢定,以確定其誤差大小。所謂檢定,就是為了評定熱電偶性能是否合格所進行的全部工作。然而，各高校實驗室目前仍基本采用傳統(tǒng)的熱電偶模擬校驗裝置，利用二等標準鉑銠-鉑(S分度)熱電偶和校驗熱電偶直接比較的方法進行工業(yè)用的熱電偶的校驗。數(shù)據(jù)的測量是采用讀指針表盤和手工記錄的方式進行。其操作繁雜、測量反應(yīng)慢、測試周期長、數(shù)據(jù)儲存困難、無法直接得到檢定結(jié)論，且實驗效果不理想。由于這種傳統(tǒng)的熱電偶模擬校驗裝置已很難適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，因此根據(jù)熱電偶的檢定方法，以及結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的LabVIEW開發(fā)平臺，開發(fā)了熱電偶的自動檢定系統(tǒng)。

 

2 傳統(tǒng)熱電偶模擬校驗裝置的檢定原理

 

傳統(tǒng)熱電偶檢定原理及過程可通過舉例表述如下：假設(shè)設(shè)定測量溫度是600℃，當爐溫穩(wěn)定后，獲得的標準熱電偶的熱電勢平均值VS=5.252mv。在S分度表上，工作端為600℃，自由端為0℃時，熱電勢為VS標=5.222mv。該標準熱電偶S分度號證書中得工作端為600℃，自由端為0℃時的熱電勢為VS證=5.242mv。求偏差值△=5.222-5.242=-0.02mv。標準熱電偶測得的實際電勢值： VS標實=5.252+(-0.02)=5.232mv。反查S表得TS標實=599.5℃，獲得被檢S(K)型熱電偶VS被檢=5.230mv。反查S表得TS被檢=599.2℃。直接得出被檢熱電偶的誤差為0.3℃?？雌湔`差屬于哪個溫度段哪個等級，從而得出結(jié)論。

 

3 熱電偶自檢定系統(tǒng)的設(shè)計

 

根據(jù)熱電偶校驗的原理圖，我們可以利用LabVIEW把模擬裝置的不同部分相應(yīng)模塊化和集成， PID調(diào)節(jié)器可以完成對溫度的自動控制。用計算機屏幕來代替操作屏，在計算機屏幕上，我們可以觀察到實時爐溫和爐溫的歷史控制曲線，既直觀又準確。比起原來的人工讀數(shù)大為簡便直接，而且可以避免了人為讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。同時，虛擬儀器還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理，從面板上直接看到校驗結(jié)論。校驗記錄還可以進行存儲和打印，以備以后調(diào)用。

 

 

 

 

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計

 

在具體軟件和硬件的實現(xiàn)上，我們用標準熱電偶來身兼兩職：即做標準電偶又做控溫電偶，這樣就會減少在軟件上實現(xiàn)控溫和采集判斷的難度，同時也避免了加熱穩(wěn)定溫度與設(shè)定溫度相差比較大，而不能執(zhí)行采集程序的現(xiàn)象發(fā)生。即插即用式數(shù)據(jù)采集設(shè)備使我們更好的完成了軟件和硬件的結(jié)合。

 

3.1 管狀檢定爐自整定Fuzzy-P I D雙模復合控制

 

本文提出了復合自整定FUZZY-PID雙模控制算法，其基本思想是采用PID控制器與模糊控制器并聯(lián)方式，大偏差時采用模糊控制，小偏差則用自整定PID控制，既提高了控制精度，又消除了極限環(huán)振蕩，從而使二者的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，實現(xiàn)了最佳控制。自整定Fuzzy-PID雙?；旌峡刂破鞯脑韴D如圖2所示。系統(tǒng)引入Bang-Bang開關(guān)，程序判斷偏差E的大小來進行控制模式的切換，當偏差E大于某一閥值X時，系統(tǒng)切換到常規(guī)模糊控制器，在常規(guī)模糊控制器的作用下，系統(tǒng)可以加快響應(yīng)速度;當偏差E小于閥值X時，系統(tǒng)切換至常規(guī)PID控制器，在常規(guī)PID的控制下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度可以得到大大的提高，控制過程中可以根據(jù)需要啟動PID參數(shù)繼電自整定程序，使得PID參數(shù)的整定由控制系統(tǒng)自動完成而不需要人工整定，從而使得這種雙?？刂破骶哂许憫?yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高、使用方便的特點。并且，其中的FUZZY和PID控制器可以分開設(shè)計，若已有常規(guī)模糊控制器，可以不用修改原程序，只需嵌入PID算法和PID參數(shù)自整定模塊，加一條閥值判斷語句即可。

 

當E>X時，K1=0，K2=1

 

當E≤X時，K1=1，K2=0

 

 

 

 

圖2 管狀檢定爐爐溫控制方案

 

其中X根據(jù)對象特性及控制要求而定，也可在現(xiàn)場調(diào)試確定。通過這種變結(jié)構(gòu)控制，可使系統(tǒng)誤差較大時，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程:而誤差較小時則可提高系統(tǒng)的阻尼，使過程具有超調(diào)小的特性。值得一提的是自整定Fuzzy-PID雙?？刂破鞯脑O(shè)計對被控對象的數(shù)學模型精度要求不高，對環(huán)境溫度等外界條件變化而引起的系統(tǒng)參數(shù)變化也不敏感，表明系統(tǒng)具有一定的魯棒性。另外，與傳統(tǒng)的PID控制器相比，自整定Fuzzy-PID雙?？刂破饔捎谀：惴▍⑴c以及參數(shù)自調(diào)整等，降低了對PID參數(shù)的整定要求。

 

3.2 信號調(diào)理與采集

 

基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為：傳感器→信號調(diào)理器→數(shù)據(jù)采集設(shè)備→計算機。傳感器將被測量的溫度，壓力，位移等各種物理量轉(zhuǎn)化為電量;信號調(diào)理器對電信號進行放大，濾波，隔離等預處理;數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要功能是將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，此外一般還有放大，采樣保持，多路復位等功能。

 

 

 

 

圖3 信號調(diào)理電路設(shè)計

 

信號調(diào)理系統(tǒng)可以從被測試信號中濾波掉不需要的成分和噪聲。對于熱電偶測溫這樣緩慢變化的微弱信號常常需要使用低通濾波器，減少信號的高頻成分，提高數(shù)模轉(zhuǎn)化的精度。使用低通濾波器可以濾掉截止頻率以上的所有信號頻率成分。許多信號調(diào)理裝置都有4HZ的低通濾波器,它很適于從低頻采樣的信號中濾除50HZ交流噪聲。當被檢測的信號含有高電壓峰值時,它可能損壞計算機或傷害操作者。在這種情況下出于安全考慮就需要將計算機與傳感器隔離。進行隔離的另一個原因是確保數(shù)據(jù)采集設(shè)備的測量不受地勢差的影響。

 

3.3 數(shù)據(jù)在線自動分析和處理

 

熱電偶電勢與溫度之間是一高階函數(shù)關(guān)系，且不同溫度段的溫度電動勢轉(zhuǎn)換關(guān)系不一樣，所以要分段判斷，常用的S型熱電偶的熱電勢與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示。

 

 

 

 

圖4 S型熱電偶電勢溫度曲線

 

在-50～630.74℃時，S型熱電偶的熱電勢與溫度為6次冪多項式關(guān)系：

 

E=ai ti (1)

 

t為溫度 a0=0

 

a1 =5.3995782346

 

a2=1.251977E-2

 

a3=-2.2448217997E-5

 

a4=2.8452164949E-8

 

a5=-2.2440584544E-11

 

a6=8.5054166936E-15

 

在630.74～1064.43℃時，S型熱電偶的熱電勢與溫度多項式關(guān)系為：

 

E=bi ti (2)

 

b0=-2.9824481615E+2 b1=8.2375528221 b2=1.6453909942E-3

 

在1064.43～1665℃時，S型熱電偶的熱電勢與溫度多項式關(guān)系為：

 

E=ci ti (3)

 

c0=1.2766292175E+3

 

c1=3.4970908041

 

c2=6.3824648666E-3

 

c3=-1.5722424599E-6

 

數(shù)據(jù)在線自動分析和處理中，含有幾個重要的模塊，它們分別是：

 

1、溫度——電動勢轉(zhuǎn)換模塊。

 

2、電動勢——溫度轉(zhuǎn)換模。

 

3、讀取采集判斷模塊。

 

4、讀取采集模塊。

 

5、求△模塊(分度表與標準證書電勢差值△)。

 

6、求均值處理模塊。

 

7、檢定結(jié)論處理模塊。

 

8、數(shù)據(jù)存儲處理模塊。

 

 

 

 

圖5 熱電偶自動檢定前面板設(shè)計

 

操作人員設(shè)定檢定溫度點，當輸入溫度點后，這個信息一路通過求△模塊顯示證書與標準分度表的電勢差值△;一路通過溫度——電動勢轉(zhuǎn)換模塊顯示設(shè)定點的標準分度表電勢;另一路送給讀取采集判斷模塊，等待與標準熱電偶通道來的經(jīng)電動勢——溫度轉(zhuǎn)換后的溫度信號在采集判斷模塊進行比較。讀取采集模塊控制著讀取采集模塊的開關(guān)。若標準通道來的溫度沒有達到設(shè)定溫度或說與之相差比較大時，讀取采集判斷模塊便會做出相應(yīng)的判斷——發(fā)關(guān)閉開關(guān)命令，不符合讀取采集的初步要求，指示燈保持開始的“滅”狀態(tài)，繼續(xù)等待升溫。當標準熱電偶通道溫度與設(shè)定溫度相差不大時，讀取采集判斷模塊才控制打開讀取采集開關(guān),允許通道來的信號進入數(shù)據(jù)預采集狀態(tài)，同時采集預備指示燈亮。當完全符合讀取采集條件時，采集程序便會在指定的間隔內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集(初步設(shè)定為3分鐘之內(nèi)完成5個點的采集，采集點的個數(shù)與模擬裝置一樣)。采集到的標準熱電偶和測量熱電偶的電勢信號，分別經(jīng)過求均值模塊送往檢定結(jié)論處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。檢定結(jié)論處理部分會根據(jù)采集處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定的熱電偶標準對比，看符合哪個等級。檢定結(jié)論處理后的信息又可以存儲到指定的文件路徑里，以備查看和輸出打印。同時檢定結(jié)果也實時顯示在前面板上，以便操作人員當場觀察結(jié)果。整個數(shù)據(jù)處理過程實現(xiàn)了全自動。即避免了操作人員的讀數(shù)的誤差，又不用大量的手動操作。與傳統(tǒng)模擬裝置相比，數(shù)據(jù)的采集時間縮短了許多，提高了效率同時提高了準確率。我們在采取冷端補償時用的是冰點槽法，這個方法得到的測量精度高、誤差小，為數(shù)據(jù)處理提供了方便。

 

 

 

 

圖6 熱電偶自動檢定框圖程序

 

4 結(jié)束語

 

虛擬儀器是計算機技術(shù)和現(xiàn)代測控技術(shù)融合的產(chǎn)物,它遵循“軟件即儀器”的概念,將計算機資源、儀器測/ 控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進行有效結(jié)合,從而大大減少了儀器的硬件資源,并可以按照用戶的需要定義儀器功能、結(jié)構(gòu),設(shè)計用戶自己的儀器。所以,在熱電偶的檢定和分度工作中,應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)可以提高工作效率,節(jié)約成本和提高檢定及分度的準確性。