【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 業(yè)人員編寫(xiě)的軟件，工作積極性和創(chuàng)造力受到影響，許多項(xiàng)目實(shí)際效果并不理想。虛擬儀器設(shè)計(jì)所采用的圖形化編程語(yǔ)言，十分適合工程師應(yīng)用，有利于提高企業(yè)自主開(kāi)發(fā)和管理項(xiàng)目的能力，降低工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)改造的成本。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(guò)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。(2)儀器產(chǎn)業(yè)改造儀器制造業(yè)是代表一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要領(lǐng)域。是否具備各種先進(jìn)和高性能儀器，對(duì)整個(gè)國(guó)家的科技開(kāi)發(fā)能力，國(guó)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。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國(guó)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(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。目前，像數(shù)字示波儀，頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還依賴于進(jìn)口。即使像數(shù)字萬(wàn)用表，發(fā)生器等基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，國(guó)產(chǎn)的與進(jìn)口的產(chǎn)品在功能上，易用性方面仍存在差距。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器制造水平不僅取決于設(shè)計(jì)，還依賴于工藝和加工水平，因此短期內(nèi)提高是有一定困難的。采用虛擬儀器技術(shù)，將過(guò)去的儀器中許多靠硬件來(lái)完成實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來(lái)代替，利用商品化的數(shù)據(jù)采集和PC技術(shù)，完全可以開(kāi)發(fā)出各行各業(yè)急需的各種測(cè)量?jī)x器，縮短我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家在儀器領(lǐng)域的差距。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]。(3)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用電子儀器與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是高等工科院校必備的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。為了提供一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，保證每個(gè)學(xué)生得到實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需要購(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器，萬(wàn)用表，信號(hào)源，投資大，技術(shù)更新快，維護(hù)困難。利用虛擬儀器技術(shù)，我們可以設(shè)計(jì)出與實(shí)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。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(guò)儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實(shí)際測(cè)試過(guò)程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的目的。這種思想對(duì)從根本上改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的參考價(jià)值[16]。 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)——LabVIEWLabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它是由美國(guó)NI公司(NATIONAL INSTRUMENT Company)推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[17]。它把復(fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡(jiǎn)單方便的環(huán)境，同時(shí)集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數(shù)值分析與處理功能。LabVIEW是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其開(kāi)發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有180多種，除了具備其它語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內(nèi)部還包括許多特殊的功能庫(kù)函數(shù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)以及多種以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。LabVIEW作為一種強(qiáng)大的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。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(kù)函數(shù)。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。LabV IEW簡(jiǎn)化了虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期，它讓用戶從煩瑣的計(jì)算機(jī)代碼編寫(xiě)中解放出來(lái)，把大部分精力投入系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析當(dāng)中，而不再拘泥于程序細(xì)節(jié)。它的程序由前面板(front panel)和流程圖(block diagram)兩部分組成，整個(gè)程序是基于多線程的設(shè)計(jì)，前面板和流程圖各占用一個(gè)線程。前面板是LabVIEW程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板。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。在流程圖中對(duì)VI進(jìn)行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖包括內(nèi)置于LabVIEW VI庫(kù)中的函數(shù)(functions)和結(jié)構(gòu)(structures)，還包括與前面板上的控制對(duì)象、顯示對(duì)象對(duì)應(yīng)的連線端子(terminals) 。LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，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，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率，其主要特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn):(1)簡(jiǎn)單的方案即使沒(méi)有多少編程經(jīng)驗(yàn)，仍可以方便的使用LabVIEW，因?yàn)樗褂谩八?jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供大量的儀器面板中的控制對(duì)象。此外，LabVIEW按其易用的方式將復(fù)雜的任務(wù)包裝起來(lái)，從而復(fù)雜任務(wù)得到簡(jiǎn)化。先進(jìn)的ActiveX技術(shù)融合了簡(jiǎn)單的拖動(dòng)編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集在開(kāi)發(fā)向?qū)У囊龑?dǎo)下變得十分簡(jiǎn)單，使用戶十分容易地開(kāi)發(fā)自己的儀器，并將其立即投入使用。(2)靈活的儀器將LabVIEW與一般的數(shù)據(jù)采集及儀器加以組合，可以設(shè)計(jì)出靈活的虛擬儀器，并可以隨時(shí)將儀器系統(tǒng)移植到最適用的平臺(tái)上使用。(3)方便的程序調(diào)試具有一些專用程序開(kāi)發(fā)箱，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯示，連線上設(shè)置探針，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)流的變化。(4)完整的開(kāi)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。另外，它還有一個(gè)多線程和用于最大限度提高系統(tǒng)性能的優(yōu)化圖形編輯器。這樣，不僅簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，而且可生成按編譯速度執(zhí)行的可復(fù)用代碼。此外，LabVIEW還可以生成在沒(méi)有LabVIEW編程環(huán)境的目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行可執(zhí)行的代碼。(5)快速開(kāi)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。通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序可以與大多數(shù)儀器進(jìn)行通訊。用戶不必學(xué)習(xí)各種儀器的低級(jí)編程協(xié)議，從而簡(jiǎn)化了儀器的控制，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。(6)開(kāi)放的平臺(tái)提供的DLL接口和CIN接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺(tái)上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用C語(yǔ)言程序、Matlab程序及已存在的DLL庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)[19]。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。從日本的Honda汽車測(cè)試、澳洲的心臟起搏器設(shè)計(jì)/驗(yàn)證，到英國(guó)電信電話線路性能測(cè)試，全世界數(shù)以萬(wàn)計(jì)的工程師和科學(xué)家們都在使用NI的產(chǎn)品達(dá)到他們共同的目的—更快、更好、更省錢。85%的全球500強(qiáng)制造型企業(yè)是NI虛擬儀器技術(shù)的用戶[20]。尤其要提及的是在NI公司的LabVIEW這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(shí)。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(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域。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(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)資源，增強(qiáng)臨場(chǎng)感。要實(shí)現(xiàn)虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的應(yīng)用最關(guān)鍵的問(wèn)題是:如何充分考慮到虛擬儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為適合于在以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序間共享現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)。盡管現(xiàn)在TCP/IP DDE等技術(shù)可以現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)共享，但是這些技術(shù)大多數(shù)都不適用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，DataSocket編程技術(shù)能夠非常有效地解決上述的問(wèn)題。第三章 熱電偶檢定爐控制過(guò)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。對(duì)熱電溫度計(jì)的理論和特性如果不作較深入的了解，不僅其潛力不能充分發(fā)揮，往往還會(huì)發(fā)生選配錯(cuò)誤和使用不當(dāng)，造成較大的測(cè)量誤差。故本章重點(diǎn)介紹了研究對(duì)象的測(cè)溫原理和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的相關(guān)檢定規(guī)程。熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的敏感元件，它測(cè)溫的基本原理是熱電效應(yīng)，又稱塞貝克效應(yīng)[21]。，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。AB(T, T0)。導(dǎo)體A和B叫做熱電極。兩熱電極A和B的組合稱作熱電偶。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]。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)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。非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量，這里我們主要介紹標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。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型和J型。我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶全部按IEC國(guó)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(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 熱電偶誤差的產(chǎn)生熱電偶產(chǎn)生測(cè)量誤差有3個(gè)原因：一是在制造時(shí)，熱電偶材料由于受到外力的作用而產(chǎn)生應(yīng)力，造成應(yīng)力分布的不均勻。二是在使用中往往會(huì)受到其他化學(xué)成分的影響而使得材料成分發(fā)生變化。三是使用中產(chǎn)生的誤差。后者因與工藝或生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)，這里不再贅述，只討論前面2個(gè)原因。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(yàn)合格后方可使用。然而，在檢定過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些超出允許誤差的檢定偏差。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)。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(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電勢(shì)。此附加電勢(shì)的存在會(huì)使熱電偶的熱電特性發(fā)生變化，降低測(cè)溫的準(zhǔn)確性。而造成熱電極材料不均勻的主要原因有化學(xué)成分和物理狀態(tài)兩方面。化學(xué)成分：(1)熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。(2)熱電極中某些元素的選擇性氧化。(3)測(cè)溫氣氛、絕緣材料和保護(hù)套管材料對(duì)熱電極的局部站污和腐蝕等。(4)材料的性質(zhì)改變。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。但在高溫氣氛中使用時(shí)，隨著鉻的揮發(fā)，原先不具有親磁性的鎳鉻極，在測(cè)量端會(huì)出現(xiàn)親磁性。測(cè)量端的誤差越大，親磁性越明顯。物理狀態(tài):(1)雜質(zhì)的存在。(2)應(yīng)力分布的不均勻。實(shí)踐證明熱電偶的熱電特性因應(yīng)力的影響而發(fā)生變化。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于塑性形變和退火不均勻、不徹底，往往造成偶絲材料的應(yīng)力分布不均勻；在安裝和使用過(guò)程中也會(huì)發(fā)生偶絲局部形變和加熱不均勻而使熱電極產(chǎn)生新的應(yīng)力分布不均勻，從而使熱電極沿長(zhǎng)度方向出現(xiàn)熱電特性不一致的現(xiàn)象，導(dǎo)致熱電勢(shì)發(fā)生變化。(3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。熱電極的晶粒大小對(duì)熱電特性有影響。(4)測(cè)量端的熱擴(kuò)散[23]。 熱電偶的工作原理熱電偶就是通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。該熱電勢(shì)是由兩部分組成:接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)[24]。(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)。電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的電子密度分別為NA、NB，并且NANB，則在單位時(shí)間內(nèi)，由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多，導(dǎo)體A因推動(dòng)電子而帶正電，導(dǎo)體B因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在A和B之間形成了電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)在A, B接觸處形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。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。 （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。 EAB(T)、EAB(T0)分別為導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)在溫度T和T0時(shí)的電位差。NAT 、NAT0即導(dǎo)體A在溫度分別為T(mén)和T0時(shí)的電子密度，NBT、 NBT0即導(dǎo)體B在溫度分別為T(mén)和T0時(shí)的電子密度。，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]。 (2)單一導(dǎo)體中的溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)是基于湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。設(shè)導(dǎo)體A(或B)兩端溫度分別為T(mén)和T0，且TT0，此時(shí)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多，結(jié)果使高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負(fù)電荷。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(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)所形成的電位差稱作溫差電勢(shì)。A、 B導(dǎo)體分別都有溫差電勢(shì)產(chǎn)生，可由式32表示 (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)。(3)熱電偶閉合回路的總電勢(shì)(T，T0) 、EB(T，T0)及兩個(gè)接觸電勢(shì)EAB(T)、EAB(T0)。設(shè)TT0、 NA NB，由于溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小，所以在總電勢(shì)中，以導(dǎo)體AB在熱端的接觸電勢(shì)EAB(T)所占百分比最大，決定了總電勢(shì)的方向，這時(shí)總電勢(shì)EAB(T，T0)可寫(xiě)成： (33)經(jīng)整理后推導(dǎo)可得： (34)由式34可知，熱電偶總電勢(shì)與電子密度及兩接觸點(diǎn)溫度有關(guān)。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)。所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì)EAB(T ，T0)成為溫度T