【文章內(nèi)容簡介】 徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 所有的LabVIEW應用程序，即虛擬儀器（VI），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結(jié)器(icon/connector)三部分。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位編譯器。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。它主要的方便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能[4]。 虛擬儀器發(fā)展方向虛擬儀器精確的采樣，及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動控制領域和工業(yè)控制領域得到廣泛的應用。它以計算機發(fā)展為平臺，更迎合了在當今信息社會各行各業(yè)向智能化、自動化、集成化發(fā)展的趨勢。它的靈活性，軟、硬件的標準化令其在儀器計量領域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。PC技術與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展，使虛擬儀器的功能得以進一步的發(fā)展，如更多的嵌入式和實時功能。隨著PC技術和相關科技的發(fā)展，虛擬儀器技術已成為一項前沿學科，代表著儀器發(fā)展的最新方向，不斷地被推向各個新的領域。隨著計算機、通信、微電子技術的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡技術應用到虛擬儀器領域是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。使用網(wǎng)絡化虛擬儀器，可使任何地點、任意時刻獲取測量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實現(xiàn)。網(wǎng)絡化虛擬儀器也適合異地或遠程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等。與以PC機為核心的虛擬儀器相比，在不遠的將來，網(wǎng)絡化虛擬儀器將是儀器發(fā)展中的又一次革命[5]。第三章 熱電偶簡介 熱電偶基本概念與測溫原理 熱電偶的基本概念熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準熱電偶，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準熱電偶。目前國際上規(guī)定了以下8種標準熱電偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我國從1988年1月1日起，熱電偶全部按國際標準生產(chǎn)，并指定S，B，E， K，R，J，T七種標準熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。下面對這8種標準熱電偶做一些介紹。S型熱電偶即鉑銠10鉑熱電偶，它是一種貴金屬熱電偶。，其正極(SP)的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%。負極(SN)為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。S型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用與氧化和惰性氣氛中，使用廣泛。S型熱電偶的缺點是熱點率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。R型熱電偶即鉑銠13鉑熱電偶，它是一種貴金屬熱電偶。，其正極（RP）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負極（RN）為純鉑，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。R型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理、化學性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當，在我國一直難于推廣，除在進口設備上的測溫有所應用外，國內(nèi)測溫很少采用。1967年至1971年間，英國NPL，美國NBS和加拿大NRC三大研究機構(gòu)進行了一項合作研究，其結(jié)果表明，R型熱電偶的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性比S型熱電偶均好，我國目前尚未開展這方面的研究。 R型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一次性投資較大。B型熱電偶即鉑銠30鉑銠6熱電偶。它是一種貴金屬熱電偶。，其正極(BP)和負極(BN)的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶，該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。B型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中。它還有一個明顯的優(yōu)點是參比端不需進行冷端補償，因為在0℃~50℃范圍內(nèi)，熱電勢小于3μV。B型熱電偶缺點是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。K型熱電偶即鎳鉻鎳硅熱電偶，它是一種能測量較高溫度的廉價金屬熱電偶。由于這種合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質(zhì)中。它可長期測量1000℃的高溫，短期可測到1200℃。它不能用于還原性介質(zhì)中，否則，很快腐蝕，在此情況下只能用于500℃以下的測量。它比S型熱電偶要便宜很多，它的重復性很好，產(chǎn)生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。雖然其測量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測溫要求，所以它是工業(yè)上最常用的熱電偶。N型熱電偶即鎳鉻硅－鎳硅鎂熱電偶，它是一種廉價金屬熱電偶，熱電偶的正極（NP）％～%％～%的硅及∠%的鎂與鎳合金，負極（NN）％～%％～%的鎂及∠%的鉻與鎳合金。它是一種最新國際標準化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研制成功的。它克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定；在800℃左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定。N型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點，其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶，是一種很有發(fā)展前途的熱電偶。 N型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中[6]。T型熱電偶即銅康銅熱電偶，也是一種最佳的測量低溫的廉價金屬熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負極（TN）為銅鎳合金，常稱之為康銅，它與鎳鉻康銅的康銅EN通用，與鐵康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都叫康銅，銅康銅熱電偶的測量溫區(qū)為200~350℃。T型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，特別在200~0℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好，穩(wěn)定性可小于177。3μV，經(jīng)低溫檢定可作為二等標準進行低溫量值傳遞。T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。E型熱電偶即鎳鉻銅鎳熱電偶又稱鎳鉻康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。其正極(EP)為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極(EN)為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、45%的鎳及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。J型熱電偶即鐵康銅熱電偶，它是一種價格低廉的廉價金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學成分為純鐵，負極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻康銅和銅康銅的康銅，故不能用EN和TN來替換。鐵康銅熱電偶的覆蓋測量溫區(qū)為200~1200℃，但通常使用的溫度范圍為0~750℃。J型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，廣為用戶所采用。J型熱電偶可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護地在高溫下用于硫化氣氛中。熱電偶產(chǎn)生測量誤差有3個原因：一是在制造時，熱電偶材料由于受到外力的作用而產(chǎn)生應力，造成應力分布的不均勻；二是在使用中往往會受到其他化學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)過程有關，這里不再贅述，只討論前面2個原因。 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)檢驗合格后方可使用。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。出現(xiàn)這種情況是由于熱電偶由2個不同的金屬導體制成，導體內(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。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。此附加電勢的存在會使熱電偶的熱電特性發(fā)生變化，降低測溫的準確性。而造成熱電極材料不均勻的主要原因有化學成分和物理狀態(tài)兩方面。 化學成分：(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)測溫氣氛、絕緣材料和保護套管材料對熱電極的局部玷污和腐蝕等。(4)材料的性質(zhì)改變。物理狀態(tài)：(1)雜質(zhì)的存在。(2)應力分布的不均勻。實踐證明熱電偶的熱電特性因應力的影響而發(fā)生變化。在生產(chǎn)過程中，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力分布不均勻；在安裝和使用過程中也會發(fā)生偶絲局部形變和加熱不均勻而使熱電極產(chǎn)生新的應力分布不均勻，從而使熱電極沿長度方向出現(xiàn)熱電特性不一致的現(xiàn)象，導致熱電勢發(fā)生變化。(3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。熱電極的晶粒大小對熱電特性有影響。(4)測量端的熱擴散[7]。 熱電偶的測溫原理熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢—熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。，把兩種不同的導體(或半導體)A和B連接成閉合回路，當兩接點1與2的溫度不同時，如T To，則回路中就會產(chǎn)生熱電勢。導體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。熱電偶就是通過測量熱電勢來實現(xiàn)測溫的[8]。 標準熱電偶的檢定所謂熱電偶檢定，是指為評定熱電偶的熱電特性是否合格而進行的全部工作。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)定程度是否符合標準規(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”進行[9]。我國的標準熱電偶檢定系統(tǒng)表也就是溫標的傳遞系統(tǒng)，.工業(yè)熱電偶主要包括工作用貴金屬熱電偶和工作用廉價金屬熱電偶。工作用貴金屬熱電偶主要指鉑銠10鉑(S型)、鉑銠13鉑(R型)和鉑銠30鉑銠6(B型)熱電偶。工作用廉價金屬熱電偶主要指鎳鉻鎳硅(鋁)(K型)、鎳鉻硅鎳硅(N型)、鎳鉻康銅(E型)、鐵康銅(J型)這四種熱電偶。本文主要針對工作用廉價金屬熱電偶的自動檢定進行研究，故下面將詳細論述工作用廉價金屬熱電偶的檢定。不同等級熱電偶在規(guī)定溫度范圍內(nèi)。檢定時用可控硅調(diào)壓器來調(diào)節(jié)爐溫，當爐溫達到所需的檢定溫度點177。10℃內(nèi)，℃時，就可以進行讀數(shù)。檢定可采用下列三種方法的任意一種方法。(1)雙極比較法：將同分度號同種規(guī)格的正、負極偶絲焊接成電偶，直接測量標準偶與被檢偶的熱電動勢。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)。先使爐溫恒定在檢定點溫度附近，然后從標準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)不應少于2次。(2)同名極比較法：將同型號的標準熱電偶與被檢熱電偶工作端捆在一起，在固定點上進行電極的比較。(3)微差法：將同型號的標準熱電偶與被檢熱電偶反向串聯(lián)，直接測量其熱電勢差值。在本文中，我們采用的熱電偶檢定方法是同名極比較法。 熱電偶檢定的數(shù)據(jù)處理本文主要針對工作用廉價金屬熱電偶，研究300℃1200℃范圍內(nèi)的檢定點，該范圍內(nèi)熱電動勢誤差△e用下式(31)計算： (31)式中：—被檢熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值；—標準熱電偶證書上某檢定點溫度的熱電動勢值；—標準熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值；—被檢熱電偶分度表上查得的某檢定點溫度的熱電動勢值；、分別表示標準、被檢熱電偶在某檢定點溫度的微分熱電勢。被檢熱電偶在該檢定點的溫度示值誤差用式(32)計算：