【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，國內(nèi)外在實現(xiàn)熱電偶分度、檢定自動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，編程耗費的時間比較長，依賴于專業(yè)程序員和特定的編程語言。 因此， 必須按照國家檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范要求進行定期檢定。 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，運用了傳統(tǒng)的 PID控制方案，進行 熱電偶 檢定爐溫度控制 系統(tǒng)的軟件設(shè)計，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，熔鋼溫度測定問題曾經(jīng)是推動熱電偶材料發(fā)展的強大動力。在研究的方法中，除了傳統(tǒng)的配對法、比較法外，還出現(xiàn)了分析法。 隨著時代的發(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，所以對熱電偶進行定期地檢定便非常重要 。 在傳統(tǒng)的熱電偶校驗及檢定方式中，都沒有專用的設(shè)備，而是通過人工操作許多的檢定儀器，來實現(xiàn)對熱電偶的檢定。這些因素造成的測量誤差已經(jīng)直接影響到溫度量值傳遞的準(zhǔn)確性。因此，隨著現(xiàn)代計算機技術(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)展趨勢和需要。由于在整個測試過程中不需要人工干預(yù)，可以大大提高測試精度、縮短人員的勞動強度 [6]。總體上說，國外在控制 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、控制和數(shù)據(jù)處理等各項功能設(shè)計在一塊線路板上或一個機箱內(nèi)。這種類型的熱電偶檢定設(shè)備，直接利用目前迅速發(fā)展的微機控制技術(shù)進行開發(fā)，專門設(shè)計一個通信檢測接口，利用計算機強大的智能控制和數(shù)據(jù) 處理功能，結(jié)合可視化操作界面和高級程序設(shè)計語言，配合鍵盤、鼠標(biāo)和打印機輸入輸出。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象，但要獲得好的控制效果需要有系統(tǒng)的先驗知識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。在測試系 統(tǒng)和儀器設(shè)計中盡量用軟件代替硬件，充分利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。這樣，可以利用計算機的高速計算能力和寬大的顯示屏更好地來完成原來的功能。近年來，虛擬儀器在測試、控制等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 追溯電子測量儀器的發(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，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 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算機（ PC 機）、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 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年代推出的臺式儀器接口總線。不足的是 VXI 系統(tǒng)的成本相對較高。 PXI 體系結(jié)構(gòu)是以國內(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、硬件的價格較低，因此，比VXI總線方式更容易在近期內(nèi)搶占國內(nèi)的虛擬儀器市場 [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算機相結(jié)合。隨著計算機技術(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)的功能也越來越強大和完善。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(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 說明書（畢業(yè) 論文 ） 傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點的根本原因在于“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行 設(shè)計，以使用戶操作方便和快捷。然而，技術(shù)的進步是以復(fù)雜性的提高為代價的，比起使用具 有類似功能的一臺獨立儀器 [13]，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識。虛擬儀器技術(shù)先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，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 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)作為計算機技術(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)自動化水平提高的一個關(guān)鍵因素就是企業(yè)缺乏開發(fā)自動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)不同位置的各種測量儀表和控制裝置連接成為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過計算機實施集中控制和管理，可以改變采用傳統(tǒng)單元儀表分散時工作成本高，維護困難，資源配置重復(fù)等缺點，提高工業(yè)自動化改造的經(jīng)濟效益，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 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口。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個大有可為的領(lǐng)域 [15]。利用這些虛擬儀器，學(xué)生在計算機上就可以學(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，完成實際測試過程，達到與用實際儀器教學(xué)相同的目的。 LabVIEW 是一個帶有擴內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 展功能庫和子程序庫的通用程序設(shè)計系統(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)得到簡化。 (4)完整的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW軟件包中包含了功能強大的數(shù)據(jù)采集、分析和表達的能力，使用戶可以在該平臺上實現(xiàn)一個完整的解決方案。 (5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實現(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、機械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化是指將工作于試驗現(xiàn)場的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)擴展到遠程應(yīng)用領(lǐng)域。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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單的，但其理論卻比較復(fù)雜，它是一種能獲得高測量準(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 1 與 2的溫度不同時，如 T T0，則回路中就會產(chǎn)生熱電勢 E39。在兩個接點中，接點 1是將兩電極焊在一起，測溫時將它放入被測對象中感受被測溫度，故稱之為測量端、熱端或工作端 ； 接點 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 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個不同的金屬導(dǎo)體制成，導(dǎo)體內(nèi)自由電子的運動產(chǎn)生熱電勢，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熱電特性有影響。 (1)接觸電勢 接觸電勢是基于帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的，即兩種不同導(dǎo)體接觸時，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴散，直至達到動態(tài)平衡時形成的熱電勢。在某一溫度下，電子擴散能力與靜電場的阻力達到動態(tài)平衡，此時在接點處形成接觸電勢，如式 31所示。從式 可以看出，接觸電勢的大小與該接點溫度的高低以及導(dǎo)體 A和 B的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢越大，兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢也越大 [25]。 A、 B 導(dǎo)體分別都有溫差電勢產(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)時的溫差電勢 。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 說明書（畢業(yè) 論文 ） 定時，熱電偶的總電勢 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) )，則對確定的熱電偶材料，其總電勢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，可通過實驗方法求得。 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，對被控對象中的非線性、時變性及隨機干擾無能為力。 檢定時用 雙向可控硅 來調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫 達到所需的檢定溫度點 10C??內(nèi)，且爐溫內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 變化每分鐘不超過 ? 時，就可以進行讀數(shù)。先使?fàn)t溫恒定在檢定點溫度附近，然后從標(biāo)準(zhǔn)偶開始依次讀取各熱電偶的熱電勢，再按相反順序進行，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)的引入是為了及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 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。隨著積分時間常數(shù) Ti 的減小，靜差在減小 。PID控制器是系統(tǒng)的一個重要組成部分，實現(xiàn)對檢定 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)分成多個模塊進行設(shè)計，正是考慮了從整體到部分的設(shè)計原則。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)具有良好的可擴展性。另外，在考慮經(jīng)濟性時，除造價外還應(yīng)顧及使用成本，即使用期間的維護費，運轉(zhuǎn)費等，必須綜合考慮后才能評估內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 出其真正的經(jīng)濟效果，從而選出正確的方案。對于本論文設(shè)計開發(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算機與外圍硬件通信 順暢，不能出現(xiàn)測試過程中的通信中斷，還要軟件的容錯能力。為了能夠?qū)崿F(xiàn)檢定爐溫度控制系統(tǒng)所提出的各項具體功能，可以將整個系統(tǒng)分解為兩個部分 ： 溫度信號采集系統(tǒng)和 PID控制器。在虛擬儀器的設(shè)計過程中軟件的設(shè)計開發(fā)非常重要并且占據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的大部分工作量，這是虛擬儀器較傳統(tǒng)儀器具有的優(yōu)點 —— 即用軟件代替部分硬件的功能。只有設(shè)計出運行可靠、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，整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可分為控制器和被控對象兩部分。當(dāng)檢定爐爐膛溫度穩(wěn)定時，則某一時刻加熱元件放出的熱量 Qt應(yīng)該等于該時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 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12tQ Q Q?? （ 39） Q1 、 Q2大致可以用下面兩個式子表示： 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