摘 要：根據(jù)熱電偶的檢定方法，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，開(kāi)發(fā)了熱電偶的自動(dòng)檢定系統(tǒng)。給出了裝置的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了如何實(shí)現(xiàn)采集后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和處理。開(kāi)發(fā)后的系統(tǒng)用于在線自動(dòng)檢定各種工作用的熱電偶效果良好。
Abstract：According to method of the used thermocouple calibration device and the technology of virtual instrument, An auto-calibration system based on Labview is developed. It proposed the concrete design project about hardware and software, especially introduced how to realize the data processing and analysis. The practice showed that the system run well
Key words：Thermocouple; Calibration; data analysis; LABVIEW
1 引言
基于變壓器繞組變形測(cè)試儀在線自動(dòng)檢定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。由于受到測(cè)量環(huán)境、介質(zhì)氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護(hù)套管材料玷污等情況的影響,使用一段時(shí)間后,其熱電特性會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)熱電特性變化超過(guò)規(guī)定的范圍時(shí),熱電偶指示的溫度便會(huì)失真,測(cè)溫誤差越來(lái)越大。因此,熱電偶不僅在使用前要進(jìn)行校準(zhǔn),而且在使用一段時(shí)間后還要進(jìn)行檢定,以確定其誤差大小。所謂檢定,就是為了評(píng)定熱電偶性能是否合格所進(jìn)行的全部工作。然而，各高校實(shí)驗(yàn)室目前仍基本采用傳統(tǒng)的熱電偶模擬校驗(yàn)裝置，利用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑銠-鉑（S分度）熱電偶和校驗(yàn)熱電偶直接比較的方法進(jìn)行工業(yè)用的熱電偶的校驗(yàn)。數(shù)據(jù)的測(cè)量是采用讀指針表盤(pán)和手工記錄的方式進(jìn)行。其操作繁雜、測(cè)量反應(yīng)慢、測(cè)試周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存困難、無(wú)法直接得到檢定結(jié)論，且實(shí)驗(yàn)效果不理想。由于這種傳統(tǒng)的熱電偶模擬校驗(yàn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了熱電偶的自動(dòng)檢定系統(tǒng)。
2 傳統(tǒng)熱電偶模擬校驗(yàn)裝置的檢定原理
傳統(tǒng)熱電偶檢定原理及過(guò)程可通過(guò)舉例表述如下：基于變壓器繞組變形測(cè)試儀在線自動(dòng)檢定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，假設(shè)設(shè)定測(cè)量溫度是600℃，當(dāng)爐溫穩(wěn)定后，獲得的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)平均值VS=5.252mv。在S分度表上，工作端為600℃，自由端為0℃時(shí)，熱電勢(shì)為VS標(biāo)=5.222mv。該標(biāo)準(zhǔn)熱電偶S分度號(hào)證書(shū)中得工作端為600℃，自由端為0℃時(shí)的熱電勢(shì)為VS證=5.242mv。求偏差值△=5.222-5.242=-0.02mv。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)得的實(shí)際電勢(shì)值： VS標(biāo)實(shí)=5.252+（-0.02）=5.232mv。反查S表得TS標(biāo)實(shí)=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(gè)溫度段哪個(gè)等級(jí)，從而得出結(jié)論。
3 熱電偶自檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)熱電偶校驗(yàn)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(duì)溫度的自動(dòng)控制。用計(jì)算機(jī)屏幕來(lái)代替操作屏，在計(jì)算機(jī)屏幕上，我們可以觀察到實(shí)時(shí)爐溫和爐溫的歷史控制曲線，既直觀又準(zhǔn)確。比起原來(lái)的人工讀數(shù)大為簡(jiǎn)便直接，而且可以避免了人為讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。同時(shí)，虛擬儀器還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，從面板上直接看到校驗(yàn)結(jié)論。校驗(yàn)記錄還可以進(jìn)行存儲(chǔ)和打印，以備以后調(diào)用。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)
在具體軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)上，我們用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶來(lái)身兼兩職：即做標(biāo)準(zhǔn)電偶又做控溫電偶，這樣就會(huì)減少在軟件上實(shí)現(xiàn)控溫和采集判斷的難度，同時(shí)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(fù)合控制
本文提出了復(fù)合自整定FUZZY-PID雙?？刂扑惴ǎ谧儔浩骼@組變形測(cè)試儀在線自動(dòng)檢定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，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(shí)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(diǎn)得以充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了*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(kāi)關(guān)，程序判斷偏差E的大小來(lái)進(jìn)行控制模式的切換，當(dāng)偏差E大于某一閥值X時(shí)，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(dāng)偏差E小于閥值X時(shí)，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(guò)程中可以根據(jù)需要啟動(dòng)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(dòng)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(diǎn)。并且，其中的FUZZY和PID控制器可以分開(kāi)設(shè)計(jì)，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(yǔ)句即可。
當(dāng)E>X時(shí)，K1=0，K2=1
當(dāng)E≤X時(shí)，K1=1，K2=0
圖2 管狀檢定爐爐溫控制方案
其中X根據(jù)對(duì)象特性及控制要求而定，也可在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。通過(guò)這種變結(jié)構(gòu)控制，可使系統(tǒng)誤差較大時(shí)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程:而誤差較小時(shí)則可提高系統(tǒng)的阻尼，使過(guò)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(jì)對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型精度要求不高，對(duì)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(duì)PID參數(shù)的整定要求。
3.2 信號(hào)調(diào)理與采集
基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)為：傳感器→信號(hào)調(diào)理器→數(shù)據(jù)采集設(shè)備→計(jì)算機(jī)。傳感器將被測(cè)量的溫度，壓力，位移等各種物理量轉(zhuǎn)化為電量;信號(hào)調(diào)理器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，隔離等預(yù)處理;數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，此外一般還有放大，采樣保持，多路復(fù)位等功能。
圖3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)可以從被測(cè)試信號(hào)中濾波掉不需要的成分和噪聲。基于變壓器繞組變形測(cè)試儀在線自動(dòng)檢定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)于熱電偶測(cè)溫這樣緩慢變化的微弱信號(hào)常常需要使用低通濾波器，減少信號(hào)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(hào)頻率成分。許多信號(hào)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(hào)中濾除50HZ交流噪聲。當(dāng)被檢測(cè)的信號(hào)含有高電壓峰值時(shí),它可能損壞計(jì)算機(jī)或傷害操作者。在這種情況下出于**考慮就需要將計(jì)算機(jī)與傳感器隔離。進(jìn)行隔離的另一個(gè)原因是確保數(shù)據(jù)采集設(shè)備的測(cè)量不受地勢(shì)差的影響。
3.3 數(shù)據(jù)在線自動(dòng)分析和處理
熱電偶電勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(shì)與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示。
圖4 S型熱電偶電勢(shì)溫度曲線
在-50～630.74℃時(shí)，S型熱電偶的熱電勢(shì)與溫度為6次冪多項(xiàng)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(shí)，S型熱電偶的熱電勢(shì)與溫度多項(xiàng)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(shí)，S型熱電偶的熱電勢(shì)與溫度多項(xiàng)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(dòng)分析和處理中，含有幾個(gè)重要的模塊，它們分別是：
1、溫度——電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊。
2、電動(dòng)勢(shì)——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(biāo)準(zhǔn)證書(shū)電勢(shì)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(chǔ)處理模塊。
圖5 熱電偶自動(dòng)檢定前面板設(shè)計(jì)
操作人員設(shè)定檢定溫度點(diǎn)，當(dāng)輸入溫度點(diǎn)后，這個(gè)信息一路通過(guò)求△模塊顯示證書(shū)與標(biāo)準(zhǔn)分度表的電勢(shì)差值△;一路通過(guò)溫度——電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換模塊顯示設(shè)定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)分度表電勢(shì);另一路送給讀取采集判斷模塊，等待與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通道來(lái)的經(jīng)電動(dòng)勢(shì)——溫度轉(zhuǎn)換后的溫度信號(hào)在采集判斷模塊進(jìn)行比較。讀取采集模塊控制著讀取采集模塊的開(kāi)關(guān)。若標(biāo)準(zhǔn)通道來(lái)的溫度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定溫度或說(shuō)與之相差比較大時(shí)，讀取采集判斷模塊便會(huì)做出相應(yīng)的判斷——發(fā)關(guān)閉開(kāi)關(guān)命令，不符合讀取采集的初步要求，指示燈保持開(kāi)始的“滅”狀態(tài)，繼續(xù)等待升溫。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通道溫度與設(shè)定溫度相差不大時(shí)，讀取采集判斷模塊才控制打開(kāi)讀取采集開(kāi)關(guān),允許通道來(lái)的信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)預(yù)采集狀態(tài)，同時(shí)采集預(yù)備指示燈亮。當(dāng)完全符合讀取采集條件時(shí)，采集程序便會(huì)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(gè)點(diǎn)的采集，采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)與模擬裝置一樣）。采集到的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和測(cè)量熱電偶的電勢(shì)信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)求均值模塊送往檢定結(jié)論處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。檢定結(jié)論處理部分會(huì)根據(jù)采集處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，看符合哪個(gè)等級(jí)。檢定結(jié)論處理后的信息又可以存儲(chǔ)到指定的文件路徑里，以備查看和輸出打印。同時(shí)檢定結(jié)果也實(shí)時(shí)顯示在前面板上，以便操作人員當(dāng)場(chǎng)觀察結(jié)果。整個(gè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)。即避免了操作人員的讀數(shù)的誤差，又不用大量的手動(dòng)操作。與傳統(tǒng)模擬裝置相比，數(shù)據(jù)的采集時(shí)間縮短了許多，提高了效率同時(shí)提高了準(zhǔn)確率。我們?cè)诓扇±涠搜a(bǔ)償時(shí)用的是冰點(diǎn)槽法，這個(gè)方法得到的測(cè)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(dòng)檢定框圖程序
4 結(jié)束語(yǔ)
虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)融合的產(chǎn)物,它遵循“軟件即儀器”的概念,將計(jì)算機(jī)資源、儀器測(cè)/ 控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的軟件進(jìn)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),基于變壓器繞組變形測(cè)試儀在線自動(dòng)檢定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性。
