【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 所有的LabVIEW應(yīng)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(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)三部分。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)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(gè)硬件的情況下，可以通過(guò)改變軟件，就可以實(shí)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(shí)的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動(dòng)控制領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它以計(jì)算機(jī)發(fā)展為平臺(tái)，更迎合了在當(dāng)今信息社會(huì)各行各業(yè)向智能化、自動(dòng)化、集成化發(fā)展的趨勢(shì)。它的靈活性，軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化令其在儀器計(jì)量領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。PC技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展，使虛擬儀器的功能得以進(jìn)一步的發(fā)展，如更多的嵌入式和實(shí)時(shí)功能。隨著PC技術(shù)和相關(guān)科技的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)已成為一項(xiàng)前沿學(xué)科，代表著儀器發(fā)展的最新方向，不斷地被推向各個(gè)新的領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)、通信、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢(shì)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可使任何地點(diǎn)、任意時(shí)刻獲取測(cè)量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測(cè)、報(bào)警等。與以PC機(jī)為核心的虛擬儀器相比，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)介 熱電偶基本概念與測(cè)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(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。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。下面對(duì)這8種標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為10%，含鉑為90%。負(fù)極(SN)為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。該熱電偶長(zhǎng)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(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其物理化學(xué)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(diǎn)是熱點(diǎn)率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)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(xué)成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負(fù)極（RN）為純鉑，長(zhǎng)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(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其物理、化學(xué)性能良好，熱電勢(shì)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(dāng)，在我國(guó)一直難于推廣，除在進(jìn)口設(shè)備上的測(cè)溫有所應(yīng)用外，國(guó)內(nèi)測(cè)溫很少采用。1967年至1971年間，英國(guó)NPL，美國(guó)NBS和加拿大NRC三大研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一項(xiàng)合作研究，其結(jié)果表明，R型熱電偶的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性比S型熱電偶均好，我國(guó)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(shì)，熱電勢(shì)率較小，靈敏讀低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)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(fù)極(BN)的名義化學(xué)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(zhǎng)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(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是參比端不需進(jìn)行冷端補(bǔ)償，因?yàn)樵?℃~50℃范圍內(nèi)，熱電勢(shì)小于3μV。B型熱電偶缺點(diǎn)是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)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(cè)量較高溫度的廉價(jià)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(zhǎng)期測(cè)量1000℃的高溫，短期可測(cè)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(cè)量。它比S型熱電偶要便宜很多，它的重復(fù)性很好，產(chǎn)生的熱電勢(shì)大，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。雖然其測(cè)量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測(cè)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(jià)金屬熱電偶，熱電偶的正極（NP）％～%％～%的硅及∠%的鎂與鎳合金，負(fù)極（NN）％～%％～%的鎂及∠%的鉻與鎳合金。它是一種最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國(guó)防部實(shí)驗(yàn)室研制成功的。它克服了K型熱電偶的兩個(gè)重要缺點(diǎn)：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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定。N型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)量低溫的廉價(jià)金屬熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負(fù)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(cè)量溫區(qū)為200~350℃。T型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jià)金屬熱電偶。其正極(EP)為鎳鉻10合金，化學(xué)成分與KP相同，負(fù)極(EN)為銅鎳合金，名義化學(xué)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(dòng)勢(shì)之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來(lái)測(cè)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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。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(jià)格低廉的廉價(jià)金屬的熱電偶。它的正極（JP）的名義化學(xué)成分為純鐵，負(fù)極（JN）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學(xué)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(lái)替換。鐵康銅熱電偶的覆蓋測(cè)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(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)保護(hù)地在高溫下用于硫化氣氛中。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(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[7]。 熱電偶的測(cè)溫原理熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)—熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。，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 To，則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。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。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[8]。 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的檢定所謂熱電偶檢定，是指為評(píng)定熱電偶的熱電特性是否合格而進(jìn)行的全部工作。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點(diǎn)檢查其熱電動(dòng)勢(shì)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(guó)家計(jì)量部門制訂的“檢定規(guī)程”進(jìn)行[9]。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定系統(tǒng)表也就是溫標(biāo)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(jià)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(jià)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(duì)工作用廉價(jià)金屬熱電偶的自動(dòng)檢定進(jìn)行研究，故下面將詳細(xì)論述工作用廉價(jià)金屬熱電偶的檢定。不同等級(jí)熱電偶在規(guī)定溫度范圍內(nèi)。檢定時(shí)用可控硅調(diào)壓器來(lái)調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫達(dá)到所需的檢定溫度點(diǎn)177。10℃內(nèi)，℃時(shí)，就可以進(jìn)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(hào)同種規(guī)格的正、負(fù)極偶絲焊接成電偶，直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偶與被檢偶的熱電動(dòng)勢(shì)。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?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。(2)同名極比較法：將同型號(hào)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(diǎn)上進(jìn)行電極的比較。(3)微差法：將同型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被檢熱電偶反向串聯(lián)，直接測(cè)量其熱電勢(shì)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(duì)工作用廉價(jià)金屬熱電偶，研究300℃1200℃范圍內(nèi)的檢定點(diǎn)，該范圍內(nèi)熱電動(dòng)勢(shì)誤差△e用下式(31)計(jì)算： (31)式中：—被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值；—標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢(shì)值；—標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下，測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值；—被檢熱電偶分度表上查得的某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢(shì)值；、分別表示標(biāo)準(zhǔn)、被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的微分熱電勢(shì)。被檢熱電偶在該檢定點(diǎn)的溫度示值誤差用式(32)計(jì)算：