1 引言

 

热电偶是广泛应用于工业和科研中的一种测温传感器。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。因此,热电偶不仅在使用前要进行校准,而且在使用一段时间后还要进行检定,以确定其误差大小。所谓检定,就是为了评定热电偶性能是否合格所进行的全部工作。然而，各高校实验室目前仍基本采用传统的热电偶模拟校验装置，利用二等标准铂铑-铂(S分度)热电偶和校验热电偶直接比较的方法进行工业用的热电偶的校验。数据的测量是采用读指针表盘和手工记录的方式进行。其操作繁杂、测量反应慢、测试周期长、数据储存困难、无法直接得到检定结论，且实验效果不理想。由于这种传统的热电偶模拟校验装置已很难适应现代化生产的需要，因此根据热电偶的检定方法，以及结合虚拟仪器技术的LabVIEW开发平台，开发了热电偶的自动检定系统。

 

2 传统热电偶模拟校验装置的检定原理

 

传统热电偶检定原理及过程可通过举例表述如下：假设设定测量温度是600℃，当炉温稳定后，获得的标准热电偶的热电势平均值VS=5.252mv。在S分度表上，工作端为600℃，自由端为0℃时，热电势为VS标=5.222mv。该标准热电偶S分度号证书中得工作端为600℃，自由端为0℃时的热电势为VS证=5.242mv。求偏差值△=5.222-5.242=-0.02mv。标准热电偶测得的实际电势值： VS标实=5.252+(-0.02)=5.232mv。反查S表得TS标实=599.5℃，获得被检S(K)型热电偶VS被检=5.230mv。反查S表得TS被检=599.2℃。直接得出被检热电偶的误差为0.3℃。看其误差属于哪个温度段哪个等级，从而得出结论。

 

3 热电偶自检定系统的设计

 

根据热电偶校验的原理图，我们可以利用LabVIEW把模拟装置的不同部分相应模块化和集成， PID调节器可以完成对温度的自动控制。用计算机屏幕来代替操作屏，在计算机屏幕上，我们可以观察到实时炉温和炉温的历史控制曲线，既直观又准确。比起原来的人工读数大为简便直接，而且可以避免了人为读数误差的产生。同时，虚拟仪器还可以实现数据的自动处理，从面板上直接看到校验结论。校验记录还可以进行存储和打印，以备以后调用。

 

 

 

 

图1 系统结构图设计

 

在具体软件和硬件的实现上，我们用标准热电偶来身兼两职：即做标准电偶又做控温电偶，这样就会减少在软件上实现控温和采集判断的难度，同时也避免了加热稳定温度与设定温度相差比较大，而不能执行采集程序的现象发生。即插即用式数据采集设备使我们更好的完成了软件和硬件的结合。

 

3.1 管状检定炉自整定Fuzzy-P I D双模复合控制

 

本文提出了复合自整定FUZZY-PID双模控制算法，其基本思想是采用PID控制器与模糊控制器并联方式，大偏差时采用模糊控制，小偏差则用自整定PID控制，既提高了控制精度，又消除了极限环振荡，从而使二者的优点得以充分发挥，实现了最佳控制。自整定Fuzzy-PID双模混合控制器的原理图如图2所示。系统引入Bang-Bang开关，程序判断偏差E的大小来进行控制模式的切换，当偏差E大于某一阀值X时，系统切换到常规模糊控制器，在常规模糊控制器的作用下，系统可以加快响应速度;当偏差E小于阀值X时，系统切换至常规PID控制器，在常规PID的控制下，系统的稳态精度可以得到大大的提高，控制过程中可以根据需要启动PID参数继电自整定程序，使得PID参数的整定由控制系统自动完成而不需要人工整定，从而使得这种双模控制器具有响应快、稳态精度高、使用方便的特点。并且，其中的FUZZY和PID控制器可以分开设计，若已有常规模糊控制器，可以不用修改原程序，只需嵌入PID算法和PID参数自整定模块，加一条阀值判断语句即可。

 

当E>X时，K1=0，K2=1

 

当E≤X时，K1=1，K2=0

 

 

 

 

图2 管状检定炉炉温控制方案

 

其中X根据对象特性及控制要求而定，也可在现场调试确定。通过这种变结构控制，可使系统误差较大时，提高系统的响应速度，加快响应过程:而误差较小时则可提高系统的阻尼，使过程具有超调小的特性。值得一提的是自整定Fuzzy-PID双模控制器的设计对被控对象的数学模型精度要求不高，对环境温度等外界条件变化而引起的系统参数变化也不敏感，表明系统具有一定的鲁棒性。另外，与传统的PID控制器相比，自整定Fuzzy-PID双模控制器由于模糊算法参与以及参数自调整等，降低了对PID参数的整定要求。

 

3.2 信号调理与采集

 

基于虚拟仪器的测试系统的硬件结构为：传感器→信号调理器→数据采集设备→计算机。传感器将被测量的温度，压力，位移等各种物理量转化为电量;信号调理器对电信号进行放大，滤波，隔离等预处理;数据采集设备主要功能是将模拟信号转化成数字信号，此外一般还有放大，采样保持，多路复位等功能。

 

 

 

 

图3 信号调理电路设计

 

信号调理系统可以从被测试信号中滤波掉不需要的成分和噪声。对于热电偶测温这样缓慢变化的微弱信号常常需要使用低通滤波器，减少信号的高频成分，提高数模转化的精度。使用低通滤波器可以滤掉截止频率以上的所有信号频率成分。许多信号调理装置都有4HZ的低通滤波器,它很适于从低频采样的信号中滤除50HZ交流噪声。当被检测的信号含有高电压峰值时,它可能损坏计算机或伤害操作者。在这种情况下出于安全考虑就需要将计算机与传感器隔离。进行隔离的另一个原因是确保数据采集设备的测量不受地势差的影响。

 

3.3 数据在线自动分析和处理

 

热电偶电势与温度之间是一高阶函数关系，且不同温度段的温度电动势转换关系不一样，所以要分段判断，常用的S型热电偶的热电势与温度的转换关系如下所示。

 

 

 

 

图4 S型热电偶电势温度曲线

 

在-50～630.74℃时，S型热电偶的热电势与温度为6次幂多项式关系：

 

E=ai ti (1)

 

t为温度 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℃时，S型热电偶的热电势与温度多项式关系为：

 

E=bi ti (2)

 

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

 

在1064.43～1665℃时，S型热电偶的热电势与温度多项式关系为：

 

E=ci ti (3)

 

c0=1.2766292175E+3

 

c1=3.4970908041

 

c2=6.3824648666E-3

 

c3=-1.5722424599E-6

 

数据在线自动分析和处理中，含有几个重要的模块，它们分别是：

 

1、温度——电动势转换模块。

 

2、电动势——温度转换模。

 

3、读取采集判断模块。

 

4、读取采集模块。

 

5、求△模块(分度表与标准证书电势差值△)。

 

6、求均值处理模块。

 

7、检定结论处理模块。

 

8、数据存储处理模块。

 

 

 

 

图5 热电偶自动检定前面板设计

 

操作人员设定检定温度点，当输入温度点后，这个信息一路通过求△模块显示证书与标准分度表的电势差值△;一路通过温度——电动势转换模块显示设定点的标准分度表电势;另一路送给读取采集判断模块，等待与标准热电偶通道来的经电动势——温度转换后的温度信号在采集判断模块进行比较。读取采集模块控制着读取采集模块的开关。若标准通道来的温度没有达到设定温度或说与之相差比较大时，读取采集判断模块便会做出相应的判断——发关闭开关命令，不符合读取采集的初步要求，指示灯保持开始的“灭”状态，继续等待升温。当标准热电偶通道温度与设定温度相差不大时，读取采集判断模块才控制打开读取采集开关,允许通道来的信号进入数据预采集状态，同时采集预备指示灯亮。当完全符合读取采集条件时，采集程序便会在指定的间隔内完成数据采集(初步设定为3分钟之内完成5个点的采集，采集点的个数与模拟装置一样)。采集到的标准热电偶和测量热电偶的电势信号，分别经过求均值模块送往检定结论处理模块和数据存储模块。检定结论处理部分会根据采集处理后的数据与设定的热电偶标准对比，看符合哪个等级。检定结论处理后的信息又可以存储到指定的文件路径里，以备查看和输出打印。同时检定结果也实时显示在前面板上，以便操作人员当场观察结果。整个数据处理过程实现了全自动。即避免了操作人员的读数的误差，又不用大量的手动操作。与传统模拟装置相比，数据的采集时间缩短了许多，提高了效率同时提高了准确率。我们在采取冷端补偿时用的是冰点槽法，这个方法得到的测量精度高、误差小，为数据处理提供了方便。

 

 

 

 

图6 热电偶自动检定框图程序

 

4 结束语

 

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。