【正文】 零度。圖4. 1基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)裝置的總體設(shè)計方案圖接下來我將對這一系統(tǒng)做簡要的介紹。被檢熱電偶在該檢定點的溫度示值誤差用式(32)計算： （32）該誤差應(yīng)符合檢定規(guī)程要求，否則即為不合格。在本文中，我們采用的熱電偶檢定方法是同名極比較法。(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。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)。檢定可采用下列三種方法的任意一種方法。檢定時用可控硅調(diào)壓器來調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫達(dá)到所需的檢定溫度點177。本文主要針對工作用廉價金屬熱電偶的自動檢定進(jìn)行研究，故下面將詳細(xì)論述工作用廉價金屬熱電偶的檢定。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。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[9]。 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的全部工作。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。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1與2的溫度不同時，如T To，則回路中就會產(chǎn)生熱電勢。(4)測量端的熱擴(kuò)散[7]。(3)晶體結(jié)構(gòu)不均勻。實踐證明熱電偶的熱電特性因應(yīng)力的影響而發(fā)生變化。物理狀態(tài)：(1)雜質(zhì)的存在。(3)測溫氣氛、絕緣材料和保護(hù)套管材料對熱電極的局部玷污和腐蝕等。 化學(xué)成分：(1)熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。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(zhǔn)確性。出現(xiàn)這種情況是由于熱電偶由2個不同的金屬導(dǎo)體制成，導(dǎo)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(guān)。 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。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(yīng)力，造成應(yīng)力分布的不均勻；二是在使用中往往會受到其他化學(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。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。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來替換。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。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。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。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，銅康銅熱電偶的測量溫區(qū)為200~350℃。 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]。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(fù)極（NN）％～%％～%的鎂及∠%的鉻與鎳合金。它比S型熱電偶要便宜很多，它的重復(fù)性很好，產(chǎn)生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。它可長期測量1000℃的高溫，短期可測到1200℃。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。它還有一個明顯的優(yōu)點是參比端不需進(jìn)行冷端補償，因為在0℃~50℃范圍內(nèi)，熱電勢小于3μV。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，該熱電偶長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。B型熱電偶即鉑銠30鉑銠6熱電偶。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(jìn)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(fù)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。其物理、化學(xué)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。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，長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。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。S型熱電偶具有準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。負(fù)極(SN)為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。S型熱電偶即鉑銠10鉑熱電偶，它是一種貴金屬熱電偶。我國從1988年1月1日起，熱電偶全部按國際標(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。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。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。與以PC機為核心的虛擬儀器相比，在不遠(yuǎn)的將來，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將是儀器發(fā)展中的又一次革命[5]。使用網(wǎng)絡(luò)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)。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，不斷地被推向各個新的領(lǐng)域。它的靈活性，軟、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化令其在儀器計量領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。 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(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。 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。它可以增強你構(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。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。PXI具有8個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3~4個擴(kuò)展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺[3]。PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。GPIB測量系統(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。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，1塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺儀器，電纜長度可達(dá)40米。GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。美國LINK公司的DSO2XXX系列虛擬儀器，它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。虛擬儀器的發(fā)展隨著計算機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：PC總線—插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。擴(kuò)展性強 NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中?！　⊥渌夹g(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢：性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：(1)計算機是載體；(2)軟件是核心；(3)高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）。虛擬儀器的發(fā)展過程：GPIB→VSI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）。20年來，無論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語言。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。基于虛擬儀器的開放性和圖形化模塊式編程特點，可按不同的校準(zhǔn)要求構(gòu)建系統(tǒng)，使用方便、快捷，而且系統(tǒng)可移植性和重用性強。系統(tǒng)的主控部分是配有鍵盤、鼠標(biāo)和打印機的計算機系統(tǒng)。最終目的是使人們能夠在計算機上通過清晰的人機界面以菜單和圖形方式將實驗數(shù)據(jù)輸入計算機，然后由計算機自動控溫、自動檢定、自動數(shù)據(jù)處理、自動打印檢定結(jié)果，提高工作效率和檢定精度。此外，在現(xiàn)已進(jìn)行的工作基礎(chǔ)上，對本課題的研究作以下構(gòu)想：改進(jìn)檢定爐，使之能夠提供各種工業(yè)常用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢定的溫場環(huán)境；對爐溫控制做進(jìn)一步研究，實現(xiàn)計算機自動控制系統(tǒng)的精密控溫；改進(jìn)軟件系統(tǒng)，擴(kuò)充系統(tǒng)功能和完善視窗畫面效果；引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，提高檢定系統(tǒng)的測量精度；建立功能強大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)處理更趨合理。唯一可行而有實際意義的做法是在所使用的現(xiàn)場條件下，通過檢定查看其熱電特性變化。而很多時候，工業(yè)熱電偶是被安裝在現(xiàn)場測溫，若要把它們拆卸下來放到實驗室去檢定是比較麻煩的。LabVIEW編程的另一個優(yōu)點是將軟件的界面設(shè)計與功能設(shè)計獨立開來，修改人機交互界面無需對整個程序進(jìn)行調(diào)試，這對設(shè)計像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機界面而言是十分方便的。LabVIEW編程的主要特點就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊，模塊的引腳代表輸入/輸出接口。隨著計算機應(yīng)用的普及和數(shù)字化儀表的發(fā)展，近十幾年來，國內(nèi)外在熱電偶檢定自動化方面作了不少研究，有了