【正文】 點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電偶、被檢電偶的熱電勢，然后根據(jù)檢定規(guī)程對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行手工統(tǒng)計(jì)處理，并把結(jié)果填表記錄。上述檢定步驟中完全靠手工操作完成，不但人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢定時(shí)間長， 原始數(shù)據(jù)量大，運(yùn)算處理較復(fù)雜，容易出錯(cuò)，而且不可避免地產(chǎn)生人為誤差。檢定工作的低效率，大大影響了企業(yè)質(zhì)量保證工作的正常進(jìn)行。 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 熱電偶是基于物質(zhì)的熱心效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)測溫的一種接觸法測量儀器。熱電偶種類繁多、結(jié)構(gòu)多樣、測量范圍廣 (40~1600℃ )、性能可靠，是生產(chǎn)中最常見的溫度傳感器之一。作為熱電轉(zhuǎn)換器件，其特性的好壞和指示值準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、安全防護(hù)和能源的損耗等情況。在其使用期間，熱電偶的熱電動(dòng)勢也將極其敏 2 感的發(fā)生變化，產(chǎn)生測溫誤差。因此，我國計(jì)量法 規(guī)定，熱電偶不僅在出廠時(shí)要進(jìn)行嚴(yán)格檢查，在隨后的使用過程中還要進(jìn)行周期檢定。在傳統(tǒng)檢定過程中，用電位計(jì)通過手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)讀取在不同檢點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電偶、被檢電偶的熱電勢，然后根據(jù)檢定規(guī)程對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行手工統(tǒng)計(jì)處理，并把將結(jié)果填表記錄。過程都由手工操作完成，不但人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢定時(shí)間長，而且效率低、誤差大，影響工作正常進(jìn)行 ［ 1］ 。 近幾年，在國家大力扶持下，一些技術(shù)先進(jìn)的儀器儀表廠家逐漸興起，所研制的檢定設(shè)備也層出不窮。國內(nèi)熱電偶檢定方法可采用雙極比較法、同名級(jí)比較法和微分法三種，目前的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)大多采用雙 極比較法。設(shè)置若干溫度檢定點(diǎn)，當(dāng)檢定爐在某一設(shè)定溫度點(diǎn)穩(wěn)定后，直接測量標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶的熱電勢，并分別轉(zhuǎn)化成測量溫度值，計(jì)算出被檢熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在當(dāng)前檢定點(diǎn)測量的熱電動(dòng)勢誤差和溫度誤差，判斷被檢熱電偶是否合格。檢定爐根據(jù)發(fā)熱原理可分為電阻爐和黑體爐，是提供熱電偶檢定的溫度源。無論國內(nèi)還是國外研制的熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)，大體由檢定爐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢定爐控溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等部分。 國外在檢定精度上發(fā)展較快，美國國家航天局（ NASA）的引力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（ MMSL），早在 1991 年就研制出熱電偶自 動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)當(dāng)時(shí)可以對(duì)從室溫到650℃范圍內(nèi)的 K型熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)，局限性較大。美國 Hart’ s NVLAP accredited Metrology Laboratory 使用比較法可以對(duì) 200℃到 1100℃測溫范圍的溫度計(jì)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。 Fluke Corporation（美國福祿克公司）針對(duì)幾種型號(hào)的恒溫裝置，溫控器及電測儀表，研制了 9938MET／ TEMP 溫度自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，可以把硬件裝置結(jié)合起來，構(gòu)成一套自動(dòng)檢定系統(tǒng)。 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 以下是所研制的工業(yè)熱電偶自動(dòng) 檢定系統(tǒng)必須達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)： (1)可檢定 S、 K、 B、 E、 J等型號(hào)的熱電偶； 3 (2)測量誤差小于 0． 1℃： (3)檢定時(shí)熱電偶檢定爐溫度偏差檢定點(diǎn)不超過177。 2℃； (4)熱電偶測量過程中爐溫溫度變化不超過 0． 2℃； (5)檢定溫度范圍： 200～ 1400℃； (6)檢定熱電偶支數(shù)：同時(shí)檢定 1～ 8支； (8)平均每個(gè)溫度檢定點(diǎn)檢定時(shí)間： 30分鐘； (9)恒溫精度≤ O． 1℃；恒溫保持時(shí)間： 10s～ 1000s任選； 4 第 2 章 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)方案的選擇 在對(duì)熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的軟硬 件進(jìn)行具體設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)以及針對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行方案選擇，從而確定整個(gè)系統(tǒng)的框架組成。 系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 技術(shù)性能指標(biāo) 通過進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，明確了熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)或特點(diǎn)。這些技術(shù)指標(biāo)來自于兩個(gè)方面，一個(gè)是國家頒布的關(guān)于熱電偶檢定規(guī)程里明確規(guī)定的技術(shù)條件，另一個(gè)是委托企業(yè)計(jì)量管理部門提出的技術(shù)要求，兩方面的技術(shù)性能要求歸納起來，主要有以下幾點(diǎn)： (1)可檢定 S、 R、 K、 B、 E、 J、 N等 8種型號(hào)的工作用熱 電偶； (2)平均每個(gè)溫度檢定點(diǎn)升溫和檢定時(shí)間不超過 30分鐘； (3)檢定溫度范圍： 200～ 1600℃； (4)同時(shí)檢定熱電偶支數(shù)： 1～ 8支； (5)具有冷端自動(dòng)補(bǔ)償功能； (6)可以自動(dòng)完成控溫、檢測； (7)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，界面友好，操作簡便； 關(guān)鍵技術(shù)問題 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)需要完成參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)溫度控制和溫度穩(wěn)定性判斷，自動(dòng)切換通道，自動(dòng)測量標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶的熱電勢。它是一個(gè)過程控制系統(tǒng)，但與一般的生產(chǎn)中的溫度控制系 統(tǒng)比較是有區(qū)別的，在采樣精度、控制精度等方面有更高的技術(shù)要求，也是整個(gè)系統(tǒng)成敗的主要因素。 (1)采樣精度 5 熱電偶檢定證書需要打印熱電偶的 mV值，所以熱電偶檢定系統(tǒng)直接采樣的是標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶在各個(gè)檢定溫度點(diǎn)的 mV信號(hào)，通過計(jì)算后，與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行對(duì)比，判斷被檢熱電偶是否合格，如果被檢熱電偶誤差在允差范圍之內(nèi)，須給出被檢熱電偶的溫度修正值。如何減少采樣子系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。 (2)控溫精度 在熱電偶檢定過程中，對(duì)檢定爐溫度 的控制有要求。國家檢定規(guī)程的技術(shù)要求熱電偶檢定規(guī)程中明確規(guī)定了，在某一設(shè)定溫度點(diǎn)進(jìn)行檢定時(shí)，檢定爐的實(shí)際溫度與設(shè)定值的誤差范圍，特別是在熱電偶循環(huán)測量過程中爐溫要保持相當(dāng)恒定，溫度變化不超過177。 ℃，系統(tǒng)對(duì)檢定爐的溫度控制具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，盡量縮短調(diào)節(jié)時(shí)間 ［ 2］ 。 (3)冷端自動(dòng)補(bǔ)償 用戶提出在檢定系統(tǒng)中不采用冰槽作為參考端恒溫器，熱電偶冷端溫度不為 0℃，需要考慮進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 冷端補(bǔ)償方案 由熱電偶測溫原理可知，只有當(dāng)熱電偶的冷端溫度保持不變，熱電勢 才是被測溫度的單值函數(shù)。而且，在工程技術(shù)上使用的熱電偶分度表，和根據(jù)分度表刻劃的測溫顯示儀表的刻度，都是根據(jù)冷端溫度為 0℃而制作的。另外在實(shí)際使用時(shí)，由于熱電偶的熱端 (測量端 )與冷端離得很近，冷端又暴露于空氣中，容易受到環(huán)境溫度的影響，因而冷端溫度很難保持恒定。因此要采用適當(dāng)?shù)拇胧?duì)冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，使熱電偶測溫準(zhǔn)確而且方便。 根據(jù)中間溫度定律，當(dāng)熱電偶冷端溫度 t0≠ 0℃時(shí)，熱電偶熱端溫度 t和輸出熱電勢E(t， 0)，之間的關(guān)系式為： 6 ? ? ? ? ? ?0ttt0t 00 ，， EEE ?? （ ） 式 中 ， E (t,0)，是熱電偶熱端溫度為 t、冷端溫度為 0℃時(shí)的輸出熱電勢； E（ t,t0），是熱電偶熱端溫度為 t、冷端溫度為 t0時(shí)的輸出熱電勢； E(t0,0)，是熱電偶熱端溫度為 t0、冷端溫度為 0℃時(shí)的輸出熱電勢。 由式 ()可知，在熱電偶熱端溫度 t一定時(shí)， E(t,0)為定值。當(dāng)熱電偶冷端溫度 t0變化時(shí)， E (t0,0)隨之變化，從而導(dǎo)致 E(t,t0)變化，故要準(zhǔn)確地測量熱電偶熱端溫度，必須實(shí)時(shí)測量冷 端溫度，進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。 在實(shí)際應(yīng)用中，常用的熱電偶冷端補(bǔ)償方法有冷端恒溫法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、冷端溫度校正法、電橋補(bǔ)償法、二極管補(bǔ)償法、集成溫度電路補(bǔ)償法等。 通常有兩種溫度補(bǔ)償方式：方式一，搭建溫度補(bǔ)償回路；方式二，精確測量冷端環(huán)境溫度，選擇軟件補(bǔ)償。方式二可以較精確地測量儀器熱電偶接入點(diǎn)的環(huán)境溫度，這將成為系統(tǒng)整體測量精度的決定因素之一。 目前控制中多采用以下 3種方法測量環(huán)境溫度。 (1)直接借用 CPU內(nèi)部溫度傳感器，如 Cygnal的 CF020。然而，首先測量設(shè)備內(nèi)部溫度場并不均勻，熱點(diǎn)偶補(bǔ)償線接 入點(diǎn)的溫度與 CPU的表面溫度存在差值其次，集成溫度傳感器的靈敏度一般為 ℃，精度177。 2℃，難以滿足測量要求。 (2)使用新型智能溫度傳感器，如美信 DSl626， 12bit采樣精度， 3線串行數(shù)據(jù)通信， O～ +70℃， VDD，靈敏度 ℃，最大誤差177。 ℃。但此方法同樣存在芯片外殼對(duì)環(huán)境溫度的滯后性影響問題。 (3)高精度 A／ D采樣芯片 +遠(yuǎn)端溫度傳感器。如高精度采樣芯片（ MAXIM1403） +溫敏三極管 (3DG6)?？筛兄獪囟茸兓啃∮?℃，采取防 波動(dòng)措施后，可保證 PN結(jié) ℃和系統(tǒng) ℃的誤差要求 ［ 3］ 。 以上列出的溫度測量方法都必須經(jīng)過 A／ D轉(zhuǎn)換等電路，都會(huì)引入轉(zhuǎn)換誤差。所以 7 本熱電偶檢定系統(tǒng)對(duì)冷端的補(bǔ)償采用一支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻安裝于熱電偶冷端處，用電測儀表直接讀取標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的阻值，通過通信口送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過查表法計(jì)算出冷端溫度值。這樣，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)鉑電阻測量誤差可以達(dá)到177。 ℃，沒有中間環(huán)節(jié)，精度得到了進(jìn)一步提高，提高了儀表的復(fù)用率，節(jié)省硬件開支。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、最多 8支被檢熱電偶的 mV值，以及用于冷端溫度檢測的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的阻值。為減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，采用帶數(shù)字通信接口的高精度電量測量儀直接讀取這些信號(hào)，再通過數(shù)字通信送給上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，數(shù)字通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)采樣數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生任何誤差。 設(shè)計(jì)一個(gè)低寄生電勢多路掃描數(shù)據(jù)采集電路，加上一臺(tái)既可測電壓信號(hào)又可測電阻信號(hào)的復(fù)用電量測試儀，在計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)控制下，完成熱電偶自動(dòng)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程。這樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度，完全由電量測試儀分辨率和多通道切換開關(guān)的寄生電勢大小決。 爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 熱電偶自 動(dòng)檢定系統(tǒng)對(duì)檢定爐各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求較高，整個(gè)檢定過程要求達(dá)到升溫快，恒溫時(shí)爐溫變化率不能超過177。 ℃／分鐘，且恒溫值要相對(duì)準(zhǔn)確，偏離檢定溫度不超過177。 ℃。本文對(duì)爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想來源于用電壓調(diào)整器控制可控硅導(dǎo)通角的原理。系統(tǒng)中控溫系統(tǒng)由控溫?zé)犭娕肌?D／ A接口模塊、可控硅調(diào)壓器觸發(fā)板和可控硅組成。 控溫?zé)犭娕际菭t溫實(shí)際溫度傳感器，系統(tǒng)中不再單獨(dú)設(shè)立控溫?zé)犭娕?，由?biāo)準(zhǔn)熱電偶代替，根據(jù)測得的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢換算出當(dāng)前的爐內(nèi)溫度，這樣標(biāo)準(zhǔn)熱電偶既作為爐溫傳感器，又作為檢定標(biāo)準(zhǔn)偶。 可控硅是一種大功 率半導(dǎo)體元器件，它具有體積小、效率高、可以控制、動(dòng)作迅 8 速、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是用來調(diào)整交流電壓以控制電加熱器的加熱功率，在溫度控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件?？煽毓璧膶?dǎo)通時(shí)刻由可控硅電壓調(diào)整器中的觸發(fā)脈沖電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)決定的。可控硅控溫設(shè)備按其脈沖控制電路觸發(fā)方式的不同，可分為可控硅調(diào)壓器和可控硅調(diào)功器。它們與電流或電壓輸出的 D／ A接口模塊配套使用，用于控制檢定爐溫度。 系統(tǒng)中使用可控硅調(diào)壓器移相觸發(fā)控制電路，把模擬控制信號(hào)變?yōu)槭杳茏兓拿}沖列，改變可控硅的導(dǎo)通角θ，就可以控制檢定爐中電流的大小，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)爐溫的控制。 D／ A接口模塊選擇插在計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽中專用的計(jì)算機(jī)接口板，計(jì)算機(jī)根據(jù)特定的控制算法，利用 D／ A接口模塊將計(jì)算出的控制量結(jié)果，轉(zhuǎn)變成 4～ 20mA的模擬量給可控硅調(diào)壓器觸發(fā)板的控制端。 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)字計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，存儲(chǔ)信息量大，以及通用靈活等特點(diǎn)。在控制領(lǐng)域中作為強(qiáng)有力的控制工具，極大地推動(dòng)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。 在熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)中，上位計(jì)算機(jī)扮演著管理控制者的重要角色。系統(tǒng)所有資源都是在它的指揮管理下協(xié)調(diào)工作的，它的主要功能有： (1)提供友好的用戶界面，包括檢定參數(shù)輸入、檢定過程狀態(tài)顯示； (2)多路掃描開關(guān)通道選擇； (3)程控切換測量儀的檔位及量程，讀取采樣數(shù)字信號(hào)； (4)控溫算法軟件實(shí)現(xiàn)，輸出 4～ 20mA的控制信號(hào)，控制檢定爐加熱電流； (5)檢定爐恒溫狀態(tài)的判斷； (6)熱電偶斷線，報(bào)警輸出及緊急斷電； 9 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作原理 圖 系統(tǒng)組成框圖 熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)由測量、控制和上位機(jī)三大模塊 組成。測量部分完成數(shù)據(jù)采集工作，控制部分完成爐溫控制，計(jì)算機(jī)是系統(tǒng)控制中心。 該系統(tǒng)的工作原理如下：把標(biāo)準(zhǔn)熱電偶放入石英玻璃管內(nèi)和被檢熱電偶捆扎在一起，且所有熱電偶的感溫頭要處于同一截面上，然后裝在管式檢定爐的最高溫區(qū)。本系統(tǒng)最多可同時(shí)檢測 8支不同型號(hào)的熱電偶，同一時(shí)刻多路切換開關(guān)只能有其中 l路導(dǎo)通。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻采用四線制連接到多路切換裝置的信號(hào)輸入端，熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線延長接至檢定多路切換裝置其它信號(hào)輸入端。正確連線后，主回路送電，給計(jì)算機(jī)輸入必要的參數(shù) (熱電偶檢定溫度設(shè)定點(diǎn)、被檢熱電偶支數(shù)等 )，計(jì)算機(jī)輸出 4～ 20mA的控制信號(hào)，通過觸發(fā)器及電壓調(diào)整器對(duì)檢定爐升溫，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶把檢測到的爐溫信號(hào)，通過數(shù)字測量儀傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，在顯示屏上顯示爐溫及偏差值，并反饋給計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)達(dá)到恒溫要求后，計(jì)算機(jī)輸出數(shù)字量信號(hào)控制多路切換開關(guān)順序切換信號(hào)通道，通過串行通信口對(duì)數(shù)字測量儀發(fā)送命令，相應(yīng)改變數(shù)字測量儀的檔位和量程，順序讀取冷端電阻阻值和每支熱電偶的熱電勢 ［ 4］ 。 冷端測溫鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)熱電偶被測熱電偶多路切換開