【正文】 e temperature test furnace based on the LabVIEW platform. We make a main analysis of the working principle, the test of the thermocouple, and the temperature control in the process of being tested. according to the characteristics of temperature in furnace, we use the traditional PID control program, and design the software in temperature test system of thermocouple, including data acquisition, temperature control, data processing functions. Key Words: thermocouple。近十幾年來，國(guó)內(nèi)外在實(shí)現(xiàn)熱電偶分度、檢定自動(dòng)化方面作了不少研究，有了很大發(fā)展，采用了傳統(tǒng)的編程語言，編程耗費(fèi)的時(shí)間比較長(zhǎng)，依賴于專業(yè)程序員和特定的編程語言。 因此， 必須按照國(guó)家檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行定期檢定。 主要分析了熱電偶的工作原理、熱電偶的檢定 及檢定過程中 檢定爐的溫度控制 ， 根據(jù)檢定爐溫度特性，運(yùn)用了傳統(tǒng)的 PID控制方案，進(jìn)行 熱電偶 檢定爐溫度控制 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、溫 度控制、數(shù)據(jù)處理 等功能。assay furnace。 第一階段為早期探索階段。 第二階段為第一次世界大戰(zhàn)后 40 年。二次世界大戰(zhàn)前后，熔鋼溫度測(cè)定問題曾經(jīng)是推動(dòng)熱電偶材料發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。在研究的方法中，除了傳統(tǒng)的配對(duì)法、比較法外，還出現(xiàn)了分析法。 隨著時(shí)代的發(fā)展，熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，而其測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確也成為我們十分關(guān)注的問題，所以對(duì)熱電偶進(jìn)行定期地檢定便非常重要 。 在傳統(tǒng)的熱電偶校驗(yàn)及檢定方式中，都沒有專用的設(shè)備，而是通過人工操作許多的檢定儀器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的檢定。這些因素造成的測(cè)量誤差已經(jīng)直接影響到溫度量值傳遞的準(zhǔn)確性。因此，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，高效、準(zhǔn)確和可靠這些指標(biāo)已越來越成為熱電偶檢定工作的發(fā)展趨勢(shì)和需要。由于在整個(gè)測(cè)試過程中不需要人工干預(yù)，可以大大提高測(cè)試精度、縮短人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 [6]?？傮w上說，國(guó)外在控制 精度上發(fā)展較快 [7]。這種類型的檢定設(shè)備，是以各種各樣的微處理器為智能核心，自組專用 CPU 系統(tǒng)，將檢測(cè)、控制和數(shù)據(jù)處理等各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)在一塊線路板上或一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。這種類型的熱電偶檢定設(shè)備，直接利用目前迅速發(fā)展的微機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，專門設(shè)計(jì)一個(gè)通信檢測(cè)接口，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的智能控制和數(shù)據(jù) 處理功能，結(jié)合可視化操作界面和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，配合鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)輸入輸出。利用虛擬儀器的巨大優(yōu)越性，改善 檢定 爐溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。模糊控制雖然能夠適用于無法精確建模的物理對(duì)象，但要獲得好的控制效果需要有系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)和完整合理的模糊規(guī)則，這導(dǎo)致其應(yīng)用受 到了很大局限。在測(cè)試系 統(tǒng)和儀器設(shè)計(jì)中盡量用軟件代替硬件，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)與儀器的功能。這樣，可以利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和寬大的顯示屏更好地來完成原來的功能。近年來，虛擬儀器在測(cè)試、控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 追溯電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷史，大體經(jīng)歷了以下的發(fā)展歷程： (1)第一代模擬儀器。當(dāng) 20世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)了電子管，隨后 60 年代出現(xiàn)了晶體管時(shí)，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管電子電路為基礎(chǔ)的第二代儀器。 (4)第四代智能儀器。 (5)虛擬儀器。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的組成 虛擬儀器一般由通用計(jì)算機(jī)（ PC 機(jī)）、數(shù)據(jù)采集卡及軟件 系統(tǒng)組成。根據(jù) I/O 接口設(shè)備總線類型的不同，虛擬儀器可分為五類： PCI 總線虛擬儀器、 GPIB 總線虛擬儀器、 VXI 總線虛擬儀器、 PXI 總線虛擬儀器 、 串口總線虛擬儀器。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） (2) GPIB 總線虛擬儀器 ： GPIB 總線 (General Purpose Interface Bus)是 HP 公司在70年代推出的臺(tái)式儀器接口總線。不足的是 VXI 系統(tǒng)的成本相對(duì)較高。 PXI 體系結(jié)構(gòu)是以國(guó)內(nèi)最普及的 PCI 總線為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，其總線吞吐率高、硬件的價(jià)格較低，因此，比VXI總線方式更容易在近期內(nèi)搶占國(guó)內(nèi)的虛擬儀器市場(chǎng) [10]。 無論上述哪種 VI系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，各種專用儀器開發(fā)系統(tǒng)的功能也越來越強(qiáng)大和完善。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。決定虛擬儀器具有內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進(jìn)行 設(shè)計(jì)，以使用戶操作方便和快捷。然而，技術(shù)的進(jìn)步是以復(fù)雜性的提高為代價(jià)的，比起使用具 有類似功能的一臺(tái)獨(dú)立儀器 [13]，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識(shí)。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器”。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的廣泛應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。制約工業(yè)自動(dòng)化水平提高的一個(gè)關(guān)鍵因素就是企業(yè)缺乏開發(fā)自動(dòng)化控制和管理軟件的專業(yè)人才。另一方面，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實(shí)際工藝流程和控制要求，將分布在企業(yè)不同位置的各種測(cè)量?jī)x表和控制裝置連接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)實(shí)施集中控制和管理，可以改變采用傳統(tǒng)單元儀表分散時(shí)工作成本高，維護(hù)困難，資源配置重復(fù)等缺點(diǎn)，提高工業(yè)自動(dòng)化改造的經(jīng)濟(jì)效益，降低管理成本。目前，像數(shù)字示波儀，頻內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還依賴于進(jìn)口。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)大有可為的領(lǐng)域 [15]。利用這些虛擬儀器，學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以學(xué)習(xí)和掌握儀器原理，功能與操作，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實(shí)際測(cè)試過程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的目的。 LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 LabVIEW 的程序包括前面板 (Front Panel )、流程圖 (Block Diagram)以及圖標(biāo) /連接器 (Icon/Connector)三部分。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它的控制 (controls)與顯示對(duì)象 (indicators)流程圖包括虛擬儀器程序的圖形化源代碼。此外，LabVIEW 按其易用的方式將復(fù)雜的任務(wù)包裝起來，從而復(fù)雜任務(wù)得到簡(jiǎn)化。 (4)完整的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW軟件包中包含了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的能力，使用戶可以在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的解決方案。 (5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。 目前， NI 共提供了多種軟硬件產(chǎn)品，應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化是指將工作于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 熱電偶檢定爐 控制過程 熱電偶概述 熱電偶的結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上看熱電偶是十分簡(jiǎn)單的，但其理論卻比較復(fù)雜，它是一種能獲得高測(cè)量準(zhǔn)確度的儀器，但也是一種容易出現(xiàn)誤差的儀器。如圖 所示，把兩種不同的導(dǎo)體 (或半導(dǎo)體 )A 和 B 連接成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn) 1 與 2的溫度不同時(shí)，如 T T0，則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) E39。在兩個(gè)接點(diǎn)中，接點(diǎn) 1是將兩電極焊在一起，測(cè)溫時(shí)將它放入被測(cè)對(duì)象中感受被測(cè)溫度，故稱之為測(cè)量端、熱端或工作端 ； 接點(diǎn) 2 處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故 稱之為參考端、冷端或自由端 [22]。目前國(guó)際上規(guī)定了以下 8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 :S 型、 R型、 B 型、 K 型、 N 型、 T型、 E 型內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 和 J 型。三是使用中產(chǎn)生的誤差。出現(xiàn)這種情況是由于熱電偶由 2個(gè)不同的金屬導(dǎo)體制成，導(dǎo)體內(nèi)自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱電勢(shì)，它與制作熱電偶熱電極的材料均勻性有關(guān)。 化學(xué)成分： (1)熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。鎳鉻一鎳硅熱電偶是一種價(jià)格低廉、用途廣泛的廉金屬熱電偶。 (2)應(yīng)力分布的不均勻。熱電極的晶粒大小對(duì)熱電特性有影響。 (1)接觸電勢(shì) 接觸電勢(shì)是基于帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的，即兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)形成的熱電勢(shì)。在某一溫度下，電子擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在接點(diǎn)處形成接觸電勢(shì)，如式 31所示。從式 可以看出，接觸電勢(shì)的大小與該接點(diǎn)溫度的高低以及導(dǎo)體 A和 B的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢(shì)越大，兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)也越大 [25]。 A、 B 導(dǎo)體分別都有溫差電勢(shì)產(chǎn)生，可由式 32表示 00 1( , ) ( )TA A TATTKE T T d N TeN? ? 00 1( , ) ( )TB B TBTTKE T T d N TeN? ? (32) 式中， NAT、 NBT分別為導(dǎo)體 A、 B在某溫度 T 時(shí)的電子密度； EA(T， T0)、 EB(T ， T0)分別為 A和 B兩端在 T和 T0(TT0)時(shí)的溫差電勢(shì) 。所以，當(dāng)熱電偶材料一內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì) EAB(T ， T0)成為溫度 T和 T0的函數(shù)差，即 00( , ) ( ) ( )ABE T T f T f T?? （ 35） 如果能使冷端溫度 T0固定，即 f(T0)=C(常數(shù) )，則對(duì)確定的熱電偶材料，其總電勢(shì)EAB(T， T0)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即 0( , ) ( )ABE T T f T C?? （ 36） 這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過實(shí)驗(yàn)方法求得。 熱電偶檢定爐是電阻爐的一種，是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的 檢定 爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的數(shù)學(xué)模型基 礎(chǔ)上，對(duì)被控對(duì)象中的非線性、時(shí)變性及隨機(jī)干擾無能為力。 檢定時(shí)用 雙向可控硅 來調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫 達(dá)到所需的檢定溫度點(diǎn) 10C??內(nèi)，且爐溫內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 變化每分鐘不超過 ? 時(shí)，就可以進(jìn)行讀數(shù)。先使?fàn)t溫恒定在檢定點(diǎn)溫度附近，然后從標(biāo)準(zhǔn)偶開始依次讀取各熱電偶的熱電勢(shì)，再按相反順序進(jìn)行，每支讀數(shù)不應(yīng)少于 2次。不僅可以采用常規(guī)的 PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種 PID的變 種，如 PI, PD控制，不完全微分控制，積分分離式 PID控制，帶死區(qū)的 PID控制，變速積分 PID控制，比例 PID控制等等。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 。 1比例環(huán)節(jié)的引入是為了及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，以最快的速度產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著積分時(shí)間常數(shù) Ti 的減小，靜差在減小 。PID控制器是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢定 爐溫度的控制。本論文所研究 的基于虛擬儀器技術(shù)的溫度 控制系統(tǒng)將系統(tǒng)分成多個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，正是考慮了從整體到部分的設(shè)計(jì)原則。本論文所開發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。另外，在考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，除造價(jià)外還應(yīng)顧及使用成本，即使用期間的維護(hù)費(fèi)，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)等，必須綜合考慮后才能評(píng)估內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 出其真正的經(jīng)濟(jì)效果，從而選出正確的方案。對(duì)于本論文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于虛擬儀器的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，在軟硬件支持的條件下確保計(jì)算機(jī)與外圍硬件通信 順暢，不能出現(xiàn)測(cè)試過程中的通信中斷，還要軟件的容錯(cuò)能力。為了能夠?qū)崿F(xiàn)檢定爐溫度控制系統(tǒng)所提出的各項(xiàng)具體功能，可以將整個(gè)系統(tǒng)分解為兩個(gè)部分 ： 溫度信號(hào)采集系統(tǒng)和 PID控制器。在虛擬儀器的設(shè)計(jì)過程中軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)非常重要并且占據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大部分工作量，這是虛擬儀器較傳統(tǒng)儀器具有的優(yōu)點(diǎn) —— 即用軟件代替部分硬件的功能。只有設(shè)計(jì)出運(yùn)行可靠、執(zhí)行效率高的程序，才能得到整體性能良好的系統(tǒng)。從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可分為控制器和被控對(duì)象兩部分。當(dāng)檢定爐爐膛溫度穩(wěn)定時(shí)，則某一時(shí)刻加熱元件放出的熱量 Qt應(yīng)該等于該時(shí)刻爐膛中積累的熱量 Q1，和通過爐體散失掉的熱量 Q2之和，即： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12tQ Q Q?? （ 39） Q1 、 Q2大致可以用下面兩個(gè)式子表示： 1 KtdTQC d? （ 310） 式中， C 為 檢定 爐的熱容量， TK為爐內(nèi)溫度， t 為 加熱 時(shí)