【正文】 管材料對熱電極的局部站污和腐蝕等。根據(jù)《 JJG35196 工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》規(guī)定，新制造或使用中的熱電偶必須經(jīng)檢驗合格后方可使用。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。故本章重點介紹了研究對象的測溫原理和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的相關(guān)檢定規(guī)程。 85%的全球 500 強制造型企業(yè)是 NI虛擬儀器技術(shù)的用戶 [20]。這樣，不僅簡化了開發(fā)過程，而且可生成按編譯速度執(zhí)行的可復(fù)用代碼。流程圖包括內(nèi)置于 LabVIEW VI 庫中的函數(shù) (functions)和結(jié)構(gòu) (structures)，還包括與前面板上的控制對象、顯示對象對應(yīng)的連線端子 (terminals) 。 LabVIEW 作為一種強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。為了提供一定的實驗規(guī)模，保證每個學(xué)生得到實際動手能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實驗室一般需要購置大量的基礎(chǔ)測量儀器，如示波器，萬用表，信號源，投資大，技術(shù)更新快，維護困難。是否具 備各種先進(jìn)和高性能儀器，對整個國家的科技開發(fā)能力，國防高科技技術(shù)水平和工業(yè)現(xiàn)代話水平都有直接或潛在的重要影響。虛擬儀器技 術(shù)應(yīng)用方式多種多樣，下面主要針對虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動化，儀器制造和實驗室方面的應(yīng)用前景和效益進(jìn)行分析。其技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶自己定義儀器系統(tǒng)功能，且定義的功能也比較靈活，也很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。以一臺高性能儀器為例，用戶可以裝配一臺裝有基于硬件和軟件部分的個人計算機系統(tǒng)，為專門的應(yīng)用軟件設(shè)計虛擬儀器 [12]。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，最直觀的區(qū)別就是與用戶進(jìn)行交互的面板。它可以通過與計算機的通信來獲得 USB設(shè)備的配置指令，從而靈活地改變自己的外部特性，實現(xiàn)了智能化的接口功能。 GPIB 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算 機高速傳輸狀況時應(yīng)用 [9]。 虛 擬 儀 器 應(yīng) 用 程 序（ 軟 面 板 、 各 種 功 能 模 塊 ）虛 擬 儀 器 應(yīng) 用 程 序（ L a b V I E W , L a b W i n d o w s / C V I , V B , V C ）V I S A 庫 D A Q I / O 庫操 作 系 統(tǒng)虛 擬 儀 器 驅(qū) 動 程 序計 算 機V X I D A Q其 他P X I儀 器 接 口 儀 器 接 口儀 器 接 口 儀 器 接 口儀 器 驅(qū) 動 接 口通 訊 接 口純軟件虛擬儀器虛擬軟結(jié)虛擬硬結(jié) 圖 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 通用儀器硬件平臺 虛擬儀器的硬件平臺由通用計算機和 I/O 接口設(shè)備兩部分組成。這類儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動測試和數(shù)據(jù)處理功能，習(xí)慣上稱其為智能儀器。這類指針式儀器借助指針來顯示最終結(jié)果。虛擬儀器 ( Virtual Instrument，簡稱 VI)是 20 世紀(jì) 90 年代提出的新概念，是現(xiàn)代計算機技術(shù)、儀器技術(shù)以及其它新技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 虛擬儀器概述 虛擬儀器的基本知識 虛擬儀器的概念 所謂虛擬儀器 (Vnrtual Inshument，簡稱 VI)，就是用戶在通用計算機平臺上，根據(jù)需求定義和設(shè)計儀器的測試功能，使得使用者在操作計算機時，就像是在操作他自己設(shè)計的測試儀器一樣。其缺點是成本高，體積大，檢定系統(tǒng)會占用一定的微機資源 。近幾年來，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，國內(nèi)對 檢定爐溫度控制 技術(shù)的研究正處于百家爭鳴的時代，所研制的檢定設(shè)備也層出不窮，花樣不斷翻新。利用 檢定爐溫度控制 系統(tǒng)進(jìn)行檢 定，只要將需要檢定的熱電偶放入檢定爐中，在計算機的提示下輸入有關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)根據(jù)要求實現(xiàn)升溫、恒溫等工作。如：檢定爐溫度控制系統(tǒng)多采用模擬 PID 控制算法，需要人工調(diào)整并依據(jù)經(jīng)驗做出判斷，這對操作人員的能力要求非常高。近 40 年來，在發(fā)展新型熱電偶材料方面取得了不少成績。研究方法除了配對法外，還出現(xiàn)了一種新方法 —— 比較法。從 19 世紀(jì)發(fā)展至今已有一百多年歷史，現(xiàn)己被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、航空、航天、核電等行業(yè)領(lǐng)域 [2]。由于 LabVIEW 的開放性和圖形化編程方式，溫度計量工程師只需 懂得一些基本編程知識，便可以對計算機測控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。因此，本文提出了基于 LabVIEW 平臺的 熱電偶 檢定爐溫度 自動 控制 系統(tǒng)。從塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)算起，一百多年來，熱電偶發(fā)展的歷史大約經(jīng)歷了三個不同的階段。比較法的核心是選擇一種熱電性能穩(wěn)定，化學(xué)性能好的材料作標(biāo)準(zhǔn)電極，各種被試材料分別與標(biāo)準(zhǔn)電極組成熱 電偶，測定這些熱電偶的熱電勢 —— 溫度特性曲線。愷裝熱電偶材料得到普遍推廣使用，產(chǎn)品規(guī)格和性能試驗多己標(biāo)準(zhǔn)化 ， 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和各種尖端技術(shù)對測溫的要求，為了研制出能在極端條件下和特殊環(huán)境介質(zhì)中使用的新型熱電偶材料，改進(jìn)和提高現(xiàn)有熱電偶的精度和可靠性，國內(nèi)外投入不少人力物力進(jìn)行研究和開發(fā)，重點有兩方面 :其一，把熱電偶作為一種測溫儀 器，大力改進(jìn)熱電偶的結(jié)構(gòu)，檢定方法，安裝技術(shù)和性能試驗，最大限度地發(fā)揮熱電溫度計的潛力和優(yōu)點；另一方面，把熱電偶作為一種特殊材料，研究其熱電性與化學(xué)組成、雜質(zhì)元 素、物理缺陷和表面狀態(tài)的關(guān)系，以提高測溫精度，擴大測溫范圍，延長使用壽命。同時，檢定過程中數(shù)據(jù)的記錄也是采用手工方式，由于檢定耗時較長，在記錄過程中溫度往往已經(jīng)偏離了檢定點，并且對檢定結(jié)果的處理運算量非常巨大。第一個溫度點 檢定完成后，自動轉(zhuǎn)入第二個溫度點，直至所有的被檢溫度點檢定完畢 ，最后系統(tǒng)根據(jù)要求打印 檢定數(shù)據(jù) 。就調(diào)研和查閱所得的情況來看，可歸納為如下兩大類 ： (1)微處理器型。 本設(shè)計的任務(wù)和要求 本文以檢定爐為研究對象，針對檢定爐的溫度，在比較研究不同控制策略的基 礎(chǔ)上，主要對虛擬儀器在檢定 爐溫度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能的工作模式，使得用戶可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器充分利用計算機系統(tǒng)資源，通過計算機總線與外圍通用硬件設(shè)備構(gòu)筑了功能更豐富、處理速度更快、測量效率更高、可擴展性更好的儀器系統(tǒng)。 (2)第二代分立元件式儀器。其缺點是它的功能塊都以硬件 (或固化的軟件 )的形式存在，無論是針對開發(fā)還是 針對應(yīng)用，都缺乏靈活性。 I/O 接口設(shè)備主要完成信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換等。 (3)VXI 總線虛擬儀器 ： VXI(VME Bus Extensions for Instrumentation)總線支持即插即用，人機界面良好，資源利用率高，容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級和擴展。另外 它可以實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的資源共享，減少了成本。傳統(tǒng)儀器面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識別與操作錯誤。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。 (1)工業(yè)自動化 我國工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動化程度遠(yuǎn)不能滿足市場經(jīng)濟快速發(fā)展的要求。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國的儀器制造，尤其是高性能科學(xué)儀器的制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國防和經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的需要。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計出與實際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟 件虛擬儀器。它集成了GPIB, VXI, PXI, RS232 和 RS485 協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP, ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。 LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具，它可以增強用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，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，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率，其主要特點可歸納為如下幾點 : (1)簡單的方案即使沒有多少編程經(jīng)驗，仍可以方便的使用 LabVIEW，因為它使用“所見即所得”的可視 化技術(shù)建立人機界面，提供大量的儀器面板中的控制對象。此外， LabVIEW 還可以生成在沒有 LabVIEW 編程環(huán)境的目標(biāo)機器上運行可執(zhí)行的代碼。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 尤其要提及的是在 NI公司的 LabVIEW 這個開發(fā)平臺上，應(yīng)用 NI的技術(shù)，虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化也成為了現(xiàn)實。熱電偶是熱電偶溫度計的敏感元件，它測溫的基本原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng) [21]。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量，這里我們主要介紹標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。然而，在檢定過程中經(jīng)常會出現(xiàn)一些超出允許誤差的檢定偏差。 (4)材料的性質(zhì)改變。 (3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。這個電勢在 A, B 接觸處形成一個靜電場，阻礙擴散作用的繼續(xù) 進(jìn)行。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后使電子擴散達(dá)到動態(tài)平衡，此時所形成的電位差稱作溫差電勢。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點檢查其熱電動勢的量值大小和穩(wěn)定程度是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，熱電偶的檢定步驟和檢定周期按國家計量部門制訂的檢定規(guī)程進(jìn)行。將熱電偶束插入爐膛內(nèi)，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內(nèi)。 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種被 普遍采用的控制方法，是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti，時間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強。首先把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若 干 相對獨立的、簡單的、容易實現(xiàn)的幾個部分，再分別把這些部分分解成實現(xiàn)不同具體功能 的模塊，采用模塊化設(shè)計的思想，分別設(shè)計各個模塊，完成后再進(jìn)行綜合而形成整個系統(tǒng)。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡 可能采用實用、易實現(xiàn)、簡潔的方案，因為方案簡潔意味著所用環(huán)節(jié)少，可靠性高，而且也比較經(jīng)濟。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計軟件分析 本論文設(shè)計開發(fā)的基于虛擬儀器的檢定爐溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個系統(tǒng)分解為實現(xiàn)不同功能的幾個部分，然后分別對每個部分設(shè)計。通過以上分析可知在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，該系統(tǒng)的設(shè)計主要是軟件程序的設(shè)計，所以軟件的開發(fā)質(zhì)量也將決定溫度控制系統(tǒng)的性能好壞。本論文的被控對象檢定爐是一種能自衡的對象，將 檢定 爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量。 02 KTTQ R?? （ 311） 式中， T0為周圍環(huán)境溫度， R 為檢定爐的熱阻 (絕緣材料及爐內(nèi)、外部流動氣體產(chǎn)生的 )。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 被控對象數(shù)學(xué)建模 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的重點在溫度控制部分，根據(jù)檢定爐的溫度特性，采用 PID控制器來實現(xiàn)對檢定 爐溫度的控制。溫度信號采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。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)，采用 PCDAQ 虛擬儀器系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)成本低。 (2)可擴展性原則。但內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 過小的積分常數(shù)會加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 比 例積 分微 分被 控 對 象+C ( t )r ( t )e ( t )u ( t ) 圖 PID控制原理圖 理想的 PID 控制器根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成的控制偏差 e(t) ( ) ( ) ( )e t r t c t?? （ 37） 將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。 (2)同名極比較法 :將同型號的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶工作端捆在一起，在固定點上 進(jìn)行電極的比較。當(dāng)前階段，實驗室人員 熱電偶檢定要求 溫度來調(diào)節(jié) 檢定 爐的輸入 電 流 以實現(xiàn)對 檢定 爐的溫度控制，一般的有兩種方法 :第一種就是手動調(diào)壓法：此種方法在當(dāng)今試驗室中比較普遍，這種方法的缺點是控制過程中必須有試驗人員在場，浪費人力資源，控制精度依賴于試驗者的調(diào)節(jié)，控制精度不高。 (3)熱電偶閉合回路的總電勢 如圖 所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個溫差電勢 EA(T， T0) 、 EB(T， T0)及兩個接觸電勢 EAB(T)、 EAB(T0)。 () ATAB BTNKTE T LneN? 00 0() ATAB BTNkTE T LneN? （ 31） 式中， e為單位電荷， e=* 1019 C； K為玻耳茲曼常數(shù)， K=*1023 J/K。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） (4)測量端的熱擴散 [23]。但在高溫氣氛中使用時，隨著鉻的揮發(fā)，原先不具有親磁性的鎳鉻極，在測量端會出現(xiàn)親磁性。若熱電極材料 不均勻，兩熱電極又處于溫度梯度中，則熱電偶回路中就會產(chǎn)生一個附加電勢。我國 從 1988 年 1月 1日起，熱電偶全部按 IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S, B,E, K, R, J, T 七種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。AB(T, T0)。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器可以為遠(yuǎn)程故障診斷提供形象生動的現(xiàn)場資源，增強臨場感。通過儀