【正文】 提高的一個(gè)關(guān)鍵因素就是企業(yè)缺乏開發(fā)自動(dòng)化控制和管理軟件的專業(yè)人才。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法使得實(shí)際工程人員很難掌握和修改專業(yè)人員編寫的軟件，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。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。 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。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。即使像數(shù)字萬用表，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。采用虛擬儀器技術(shù)，將過去的儀器中許多靠硬件來完成實(shí)現(xiàn)的功能用軟件來代替，利用商品化的數(shù)據(jù)采集和 PC 技術(shù)，完全可以開發(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。 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用 。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，萬用表，信號(hào)源， 使得投資大、技術(shù)更新快、維護(hù)困難。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，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實(shí)際測(cè)試過程，達(dá)到與用實(shí)際儀器教學(xué)相同的目的。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 11 目前， NI 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。 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。 尤其要提及的是在 NI 公司的 LabVIEW 這個(gè)開發(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)。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)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 12 第三章 溫度傳感器的分類及 溫度信號(hào)的檢測(cè) 將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處 理后即可作為辨識(shí)數(shù)據(jù)源，本文采用多項(xiàng)式擬合算法得到電阻爐的數(shù)學(xué)模型，具體算法如下：假定辨識(shí)對(duì)象的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)為 ? ? m m 1m m 1 1 0n n n 1 n 1 1b s b s b s b G s a s a s a s 1????? ? ? ?? ? ? ? ? (n m) ()h(t)為系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，根據(jù) Laplace 變換終值定理，有 0000lim ( ) lim ( )tsk h t G s b? ???? () 定義 100( ) [ ( )]th t k h d? ? ? ?? () 則 1 0 11{ ( ) } [ ( ) ] ( )L h t k G s G ss? ? ? () 那么 ? ?1 1 1 0 1 10l i m l i m ( )tsk h t G s k a b? ? ?? ? ? ? () 同理，定義 110( ) [ ( ) ]t rrh t k h d? ? ?? ? ? ?? () 則 111{ ( ) } [ ( ) ] ( )r r r rL h t k G s G ss ??? ? ? () 11 1 2 00l i m ( ) l i m ( ) ( 1 ) . . . ( 1 ) rrr r r r r r rtsk h t G s b K a k K a????? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? () 于是得到如下線性方程組 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書（畢業(yè)論文） 13 1 1 1 2 2 . . . 0 001 0 1 12 1 1 1...( 1 ) ( 1 )rrr r r r rkbk k a bk k a bk b K a k a K a?? ? ? ? ??????? ? ? ? () 其中 b0,b1,…… bm和 a1,a2,… ..an 為待求解系數(shù) ， 參數(shù) kr,r=0,1,2,… n+m 通過數(shù)值積分算的。 辨識(shí)中，傳遞函數(shù)分子分母的階次 m， n 的取值對(duì)辨識(shí)結(jié)果也有很大的影響，例如當(dāng)m=3， n=4 時(shí)模型的擬合程度要比當(dāng) m=0， n=2 時(shí)的擬合程度好，但是 m=3， n=4 時(shí)模型在實(shí)際應(yīng)用中的仿真效果反而不如 m=0， n=2 時(shí)的模型，它擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的凹陷部分很可能是數(shù)據(jù)采集第三個(gè)小時(shí)的電壓波動(dòng)，因此我們選擇的標(biāo)準(zhǔn)是將所獲得的模型進(jìn)行仿真，與實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行比 較。為獲取電阻爐針對(duì)仿真足夠精確的數(shù)學(xué)模型，其他的辨識(shí)方法和模型結(jié)構(gòu)也被加以比較和嘗試，如作圖法，兩點(diǎn)法獲取一階慣性加純滯后模型，二階慣性加純滯后系統(tǒng)模擬法等。模型檢驗(yàn)是過程辨識(shí)不可缺少的步驟，它與模型的結(jié)構(gòu)、階次的選擇密切相關(guān)。因此我們采用模型仿真結(jié)果與實(shí)際控制系統(tǒng)比較的方式進(jìn)行模型檢驗(yàn)。采取比例積分微分 (PD)控制方案，選取了比例控制 (P)、比例積分控制 (PI)、比例積分微分 (PID)三種控制器結(jié)構(gòu)，并對(duì)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 。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。 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(shí)，由于電子熱運(yùn)動(dòng)的差異，會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生熱電勢(shì)塞貝克效應(yīng)， 其值與被測(cè)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(shì)量的溫度傳感器。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 ： 熱電偶在使用中的一個(gè)重要問題是冷端溫度補(bǔ)償，因?yàn)闊犭娕嫉妮敵鰺犭妱?shì)取決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?，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。 熱電偶的分類 ： 目前， 使用較廣泛的熱電偶有幾十種，但國(guó)際電工委員會(huì)只對(duì)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(guó)際公認(rèn)，性能優(yōu)良和產(chǎn)量最大的熱電偶制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 表 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 熱電偶名稱 IEC分度號(hào) 使用范圍 使用溫度范圍（℃ ） 鉑銠 10鉑 S 用于氧化中氣氛測(cè)溫，長(zhǎng)時(shí)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(cè) 溫 0— 1100 11001600 0— 600 6001600 鉑銠 30鉑銠 6 B 用于氧化氣氛中測(cè)溫，長(zhǎng)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(cè)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?？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(cè)溫，特性是測(cè)溫密度精度高，穩(wěn)定性好，低溫時(shí)靈敏度高， 價(jià)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(cè)溫，按其偶絲直徑不同，測(cè)溫范圍為 200 到 900，具有穩(wěn)定好，靈敏度高，價(jià)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(cè)溫，也可以在真空和中性氣氛中測(cè)溫，按其偶絲直徑不同，測(cè)溫范圍為 40 到 750℃ ，具有穩(wěn)定性好，靈敏度高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 40750 40750 鉑銠 13鉑 R 用于氧化中氣氛中測(cè)溫，長(zhǎng)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(cè)溫 01600 01600 集成溫度傳感器。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。 AD590 半導(dǎo)體集成溫度傳感器是一種二端式器件，測(cè)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。 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (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(cè)控對(duì)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(cè)元件，其測(cè)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)。傳感器采用 K 型熱電偶，它的的精度分為三級(jí)： 級(jí)在 01000℃之間，其誤差 為177。 2. 5℃，為測(cè)量溫度的 % ； 級(jí)在2000℃之間，其誤差為士 ℃，為測(cè)量溫度的 %。 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(cè)溫 熱電偶是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)溫儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、能夠遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)工作人員編程能力要求較高，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性不是很好。而虛擬儀器的出現(xiàn)可以較好的解決這樣一些問題。在眾多虛擬儀器應(yīng)用軟件中，又以美國(guó)國(guó)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。 熱電偶測(cè)溫 的硬件由熱電偶傳感器、集成溫度傳感器 、 AD590、信號(hào)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。 集成溫度傳感器 AD590 測(cè)量實(shí)時(shí)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償， AD590 是由美國(guó)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(cè)量誤差小、體積小、微功耗，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫，不需要進(jìn)行非線性校正。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(cè)量與顯示。實(shí)驗(yàn)時(shí) K 型熱電偶插入加熱源測(cè)量熱源的溫度， AD590 測(cè)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度。軟件自動(dòng)顯示冷、熱端溫度及電壓，畫出溫度變化曲線。同時(shí)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(cè)效率，節(jié)約了成本，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)試的許多弊端，必將是測(cè)控技術(shù)發(fā)展的個(gè)方向。測(cè)溫點(diǎn)的選擇： 熱電偶的安裝位置，即測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的，選擇 測(cè)溫點(diǎn)時(shí)應(yīng)具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。插入深度的控制： 熱電偶測(cè)溫時(shí)，沿著傳感器長(zhǎng)度方向會(huì)產(chǎn)生熱流，如果冷熱端溫差較大，就會(huì)有熱損失產(chǎn)生，這將導(dǎo)致熱電偶熱端溫 度比被測(cè)實(shí)際溫度偏低而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。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。 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(duì)高溫高壓蒸汽管道的公稱通徑小于等于 250mm 時(shí)，插入深度宜為70mm。 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。二、 熱響應(yīng)時(shí)間 。在測(cè)溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才 能使兩者達(dá)到熱平衡， 而 保 持時(shí)間的長(zhǎng)短，同測(cè)溫元 件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。對(duì)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(duì)于液體 而 言，最快也要在 5mi n 以上。普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后， 而且也會(huì)因 達(dá)不到熱平衡 而產(chǎn)生測(cè)量誤差。三、 熱阻抗 。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。 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。伴隨 上述變化，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也將極其敏感地發(fā)生變化。 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(zhǎng)期在高溫作用下發(fā)生變質(zhì)；另一方面 測(cè)溫環(huán)境各種氣氛對(duì)熱