【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致。含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)。的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法。律后果由本人承擔(dān)。質(zhì)量，因而對溫度控制系統(tǒng)的要求很高。目前工業(yè)電阻爐通常采用常規(guī)PID控制，PID. 制系統(tǒng)，在工業(yè)過程控制中至今仍得到廣泛應(yīng)用。得良好的控制效果；本文采用增量式PID控制算法來進(jìn)行PID參數(shù)的自動整定。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有功能更豐富、處理速度更快、測量效率更高、可擴(kuò)充性更好的優(yōu)點(diǎn)。本文把虛擬儀器與智能溫度控制相結(jié)合，用。制的發(fā)展與現(xiàn)狀，介紹了虛擬儀器的發(fā)展及其突出特點(diǎn)。詳細(xì)地論述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)?，F(xiàn)方法，其中包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波等功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　

【正文】 ID)三種控制器結(jié)構(gòu)，并對每種結(jié)構(gòu)選取無超調(diào)、有超調(diào)和無法穩(wěn)定收斂三種典型控制 效果的控制參數(shù)，將模型的仿真結(jié)果與實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行比較 。 得出了比例 (P)控制下系統(tǒng)處于 無法穩(wěn)定收斂的振蕩狀態(tài)時，仿真結(jié)果與實(shí)際控制結(jié)果比較得出了一階慣性加純滯后模型 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 14 15015() 5 8 0 0 1 sG s es ?? ? () 和 m=3， n=4 時的多項(xiàng)式模型： 11 3 8 2 4 4 1 0 3 7 21 .124 1 0 1 . 787 1 0 5 . 1 1 0 14 . 43() 4 .744 1 013 5 . 88 1 0 3 . 186 1 0 873 0 1s s sGs s s s s? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 這兩種情況與實(shí) 際情況接近。本系統(tǒng)選用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)（ ）作為電阻爐模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示：其中 G(S)為被控對象的傳遞函數(shù)， D（ S）為控制器的數(shù)學(xué)模型，也是控制算法，它是控制系統(tǒng)的核心。 溫度傳感器的選用 熱電偶的工作原理 ： 把兩種不同材料導(dǎo)體的一端連接在一起，當(dāng)連接點(diǎn)的溫度和導(dǎo)體另一端的溫度不同時，由于電子熱運(yùn)動的差異，會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生熱電勢塞貝克效應(yīng)， 其值與被測溫度有確定的關(guān)系，熱電偶就是把這種溫度差量轉(zhuǎn)化成電勢量的溫度傳感器。在輸出端（冷端）溫度恒定的情況下，熱電偶的輸出電勢隨著熱端的溫 度增高而增大， 熱電勢的大小只與二支電極的材料及熱電偶兩端的溫差有關(guān)，而與電極的長度，直徑，氣壓和空氣濕度等無關(guān)。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 ： 熱電偶在使用中的一個重要問題是冷端溫度補(bǔ)償，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵鰺犭妱萑Q于熱端和冷端的溫差，實(shí)際使用中，其冷端所處的溫度經(jīng)常變化。如果不對這種變化進(jìn)行補(bǔ)償，即使測量端的溫度恒定不變，由于冷端溫 度的變化，也會使輸出電勢發(fā)生相應(yīng)的變化，舊時很多儀表因?yàn)榭紤]沒有考慮 冷端溫度補(bǔ)償功能，故實(shí)際誤差較大，有時高達(dá) 50℃ ?，F(xiàn)在的智能儀表一般采用不平衡電橋進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。由于冷端溫度變化而 導(dǎo)致電橋輸出電壓的變化，熱電勢相反，而大小則取決于熱電偶冷端作為工作端，而零度作為自由端時輸出電壓值，從而達(dá)到冷端溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩? 熱電偶的分類 ： 目前， 使用較廣泛的熱電偶有幾十種，但國際電工委員會只對其中 D （ S ） G ( S )r e u_ y內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 15 幾種已被國際公認(rèn)，性能優(yōu)良和產(chǎn)量最大的熱電偶制定國際標(biāo)準(zhǔn)。它們被稱為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 表 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 熱電偶名稱 IEC分度號 使用范圍 使用溫度范圍（℃ ） 鉑銠 10鉑 S 用于氧化中氣氛測溫，長時間最高使用溫度 1300 攝氏度，短期最高使用溫度1600℃ ，不推薦在還原氣氛中使用，但短期內(nèi)可以用于真空測 溫 0— 1100 11001600 0— 600 6001600 鉑銠 30鉑銠 6 B 用于氧化氣氛中測溫，長期使用最高溫度為 1600℃ ，短期最高使用溫度為 1800℃ ，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，測溫溫度高，自由端在0 到 100℃ 內(nèi)可以不用補(bǔ)償導(dǎo)線，不推薦在還原氣氛中使用。短期可以用于真空測溫 6001700 600800 8001700 鎳鉻 鑷硅 鎳鉻 鑷鋁 K 用于氧化和中性氣氛中測溫，但偶絲直徑不同， 其測溫范圍 200℃ 到 1300℃ ，不推薦在還原氣氛中使用?？啥唐谠谶€原氣氛中使用， 但必須加密封保護(hù)管 401100 401300 20040 銅 銅鎳 (康銅 ) T 用于在 200℃ 到 400℃范圍內(nèi)測溫，特性是測溫密度精度高，穩(wěn)定性好，低溫時靈敏度高， 價格低廉 40350 40350 20040 鎳鉻 銅鎳（康銅） E 用于氧化或弱還原性氣氛中測溫，按其偶絲直徑不同，測溫范圍為 200 到 900，具有穩(wěn)定好，靈敏度高，價格低廉等優(yōu)點(diǎn) 40800 40900 20040 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 16 鐵 銅鎳（康銅） J 用于氧化和還 原氣氛中測溫，也可以在真空和中性氣氛中測溫，按其偶絲直徑不同，測溫范圍為 40 到 750℃ ，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價格低廉等優(yōu)點(diǎn) 40750 40750 鉑銠 13鉑 R 用于氧化中氣氛中測溫，長期最高使用溫度為 1300 ℃ ，短期最高使用溫度為1600℃ ，不推薦在還原氣氛中使用，但短期內(nèi)可以用于真空測溫 01600 01600 集成溫度傳感器。熱電偶 由于熱電勢小、靈敏度低 ， 在常溫區(qū)的溫度測量精度不高 ， 盡管其對溫度變化反應(yīng)靈敏 ， 但其非線性太大而影響測量精度。鉑電阻由于成本高 ， 而且在還原介質(zhì) 中容易被從氧化物中還原出來的氣體 污染而影響壽命。上述傳感器溫度的變化一般表現(xiàn)為電壓的變化 ， 因而不宜在有強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信號傳送 ， 采用溫度變送器價格又昂貴 ， 但是半導(dǎo)體集成溫度傳感器可以解決這類問 題。 AD590 半導(dǎo)體集成溫度傳感器是一種二端式器件，測溫范圍 55150℃ ，工作電壓 430V， AD590 是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需要在其二端加上一定工作電壓則其輸出電流隨溫度變化而變化，其線性電流輸出為 1uA/K， 即溫度每變化 1 攝氏度其輸出電流變化 1 毫安。 AD590是一種電流型的溫度傳感器， 因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力，使用于計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度測量和控制，遠(yuǎn)距離信號傳遞時，可以采用一般的雙絞線來完成，其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電， 長導(dǎo)線上的 壓降一般不影響測量精度，而且不需要溫度補(bǔ)償和專門的的線性電路，由于 AD590 上述的優(yōu)點(diǎn)，使其在溫度測量領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。 根據(jù)國際電工委員會 (IEC)推薦的八種類型標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，以及本設(shè)計(jì)要求，測控對象 (電阻爐 )的溫度變化范圍為 200 到 800℃ ，選用 K 型熱電偶 (鎳鉻一鎳硅熱電偶 )作為檢測元件，其測溫范圍一般在 200 到 1200℃ ，具有高溫下抗 氧化，抗腐蝕，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。并且所用的元器件少，性能優(yōu)良，精度高，具有先進(jìn)水平。傳感器采用 K 型熱電偶，它的的精度分為三級： 級在 01000℃之間，其誤差 為177。 ℃，為測量溫度的 % ； 級在 0 1200℃之間，其誤差為 177。 2. 5℃，為測量溫度的 % ； 級在2000℃之間，其誤差為士 ℃，為測量溫度的 %。本系統(tǒng)采用 級 K 型熱電偶。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 17 電阻 爐熱電偶測溫 熱電偶是一種應(yīng)用廣泛的測溫儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)。由于熱電偶熱電 勢和溫度之間的非線性以及冷端溫度的不穩(wěn)定，影響了測溫精度。傳統(tǒng)的冷端及非線性補(bǔ)償方法主要有以下兩種 ： 一是基于硬件的補(bǔ)償，但補(bǔ)償電路復(fù)雜，成本較高，精度不夠 ； 二是基于軟件的補(bǔ)償，通過微機(jī)進(jìn)行擬合或插值實(shí)現(xiàn)修正，普通的 軟 件補(bǔ)償對工作人員編程能力要求較高，計(jì)算量大，實(shí)時性不是很好。因此，傳統(tǒng)補(bǔ)償方法在很多場合己經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代測溫的要求。而虛擬儀器的出現(xiàn)可以較好的解決這樣一些問題。 虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲、顯示以及文件管理等智能功能，可以把傳統(tǒng)儀器的 功能軟件化。在眾多虛擬儀器應(yīng)用軟件中，又以美國國家儀 器公司開發(fā)的圖形化編程語言 LabVIEW 最受專業(yè)人員的青睞。 LabVIEW 軟件開發(fā)系統(tǒng)是用工程人員所熟悉的術(shù)語和圖形化符號代替常規(guī)的文本語言編程，界面友好，操作方便，可大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不再是具體軟件細(xì)節(jié)的推敲上。 熱電偶測溫 的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器 、 AD590、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及 PC 四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖 熱電偶測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 熱電偶采集被測溫度信號并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)儀表放大器放大， 濾波電路濾波后輸入到數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給 PC。 集成溫度傳感器 AD590 測量實(shí)時環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償， AD590 是由美國模擬器件公司 (AD)生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器，它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，測量誤差小、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測溫，不需要進(jìn)行非線性校正。通過取樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大后，由數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入 PC。由基于 LabVIE1V 的軟件采用二次查表法加線性插值實(shí)現(xiàn)溫度的測量與顯示。 實(shí)驗(yàn)在 CSY2020C 型傳感器實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺提供前置放大AD 590濾波前置放大數(shù)據(jù)采集卡PC 基于LABVIE熱電偶測溫儀熱電偶內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 18 了加熱源 ( 200℃ 可調(diào) )，高精度溫度控制儀， K， E 型熱電偶，集成溫度傳感器 AD590，調(diào)理電路模板等實(shí)驗(yàn)器件。實(shí)驗(yàn)時 K 型熱電偶插入加熱源測量熱源的溫度， AD590 測量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度。運(yùn)行測溫軟件，設(shè)定溫度值為 100℃ +n X△ t，△ t=5℃ ， n=0， 1，2…… 18，每隔 一段時間 ，按下前面板的“顯示結(jié)果”按鍵進(jìn)行測量。軟件自動顯示冷、熱端溫度及電壓，畫出溫度變化曲線。 理論與實(shí)驗(yàn)表明 ： 用集成溫度傳感器測量環(huán)境溫度，利用中間溫度定律和二次分度表查詢進(jìn)行線性插值，可以實(shí)現(xiàn)熱電偶的高精度測溫。同時充分利用虛擬儀器發(fā)展的最新成果，將許 多以前用硬件或人工計(jì)算所做的工作通過軟件來實(shí)現(xiàn)，大大提高了檢測效率，節(jié)約了成本，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測試的許多弊端，必將是測控技術(shù)發(fā)展的個方向。 一、 插入深度 。測溫點(diǎn)的選擇： 熱電偶的安裝位置，即測溫點(diǎn)的選擇是最重要的，選擇 測溫點(diǎn)時應(yīng)具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。測溫元 件應(yīng)安裝在測量值能代表被測介質(zhì)溫度的位置，不得裝在管道和設(shè)備的死角 ，且不應(yīng)受到劇烈震動和沖擊。插入深度的控制： 熱電偶測溫時，沿著傳感器長度方向會產(chǎn)生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會有熱損失產(chǎn)生，這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫 度比被測實(shí)際溫度偏低而產(chǎn)生測溫誤差。為了解決這種由熱傳導(dǎo)引起的誤差，必須保證熱電偶有足夠的插入深度，而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些。例如，對高溫高壓蒸汽管道和一般流體介質(zhì)管道，插入深度與其公稱通徑或管道外徑的大小有關(guān)。 見下表： 表 高溫高壓蒸汽管道和一般流體介質(zhì)管道的插入深度一覽表 高溫高壓蒸汽管道 一般流體介質(zhì)管道 公稱通徑或管道外徑 ≤ 250mm ＞ 250mm ≤ 500mm ＞ 500mm 插入深度 70mm 100mm 管道外徑的 300mm 從表可以看出，對高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑小于等于 250mm 時，插入深度宜為70mm。公稱通徑大于 250mm 時，插入深度宜為 100mm， 一般流體介質(zhì)管道的外徑小于等于 5 0 0mm 時，插入深度宜為管道外徑的 1/2 外徑大于 500mn 時，插入深度宜為300mm。 當(dāng)然，具體插入深度還必須兼顧容器體積或管道內(nèi)徑等 因 素。對于實(shí)際工程測內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 19 溫，其插入深度還應(yīng)考慮被測介質(zhì)的靜 止 或流動狀態(tài)，如 果是流動的液體或氣體，可以不受上述條件限制，插入深度可適當(dāng)淺一些 ，具體數(shù)值由實(shí)際情 況分析確定。二、 熱響應(yīng)時間 。接觸法測溫的基本原 理是測溫元 件要與被測對象達(dá)到熱平 衡。在測溫時需要保持一定時間，才 能使兩者達(dá)到熱平衡， 而 保 持時間的長短，同測溫元 件的熱響應(yīng)時間有關(guān)。熱響應(yīng)時間要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜 止 氣體，至少應(yīng)保持 30min 以上才能達(dá)到平衡 ； 對于液體 而 言，最快也要在 5mi n 以上。對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，整個過程僅 1 秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時間在毫秒級。普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后， 而且也會因 達(dá)不到熱平衡 而產(chǎn)生測量誤差。因此，最好選擇響應(yīng)快的傳感器 。三、 熱阻抗 。 在高溫下使用的熱電偶，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大；如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加熱電偶的響應(yīng)時間，而且還使指示溫度 偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢套管是否結(jié)焦 也是必要的。 四、 熱電偶的劣化 。 所謂熱電偶的劣化，即熱電偶經(jīng)使用后，出現(xiàn)老化變質(zhì)的現(xiàn)象。由金屬或合金構(gòu)成的熱電偶，在高溫下其內(nèi)部晶粒要逐漸長大，合金中含有少量雜質(zhì)，其位置或形狀也將發(fā)生變化，而且，對周環(huán)環(huán)境中的還原或氧化性氣體也要發(fā)生反應(yīng)。伴隨 上述變化，熱電偶的熱電動勢也將極其敏感地發(fā)生變化。因此，熱電偶的劣化現(xiàn)象是不可避免的。 熱電偶的劣化因其自身情況不同而異，主要原因是 ：一方面熱電偶材料本身長期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì)；另一方面 測溫環(huán)境各種氣氛對熱