【正文】 由導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的電子數(shù)多，導(dǎo)體A因推動(dòng)電子而帶正電，導(dǎo)體B因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在A和B之間形成了電勢差。在某一溫度下，電子擴(kuò)散能力與靜電場的阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在接點(diǎn)處形成接觸電勢，如式31所示。 EAB(T)、EAB(T0)分別為導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接點(diǎn)在溫度T和T0時(shí)的電位差。接觸電勢的大小與該接點(diǎn)溫度的高低以及導(dǎo)體A和B的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢越大，兩種導(dǎo)體電子密度的比值越大，接觸電勢也越大[25]。設(shè)導(dǎo)體A(或B)兩端溫度分別為T和T0，且TT0，此時(shí)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多，結(jié)果使高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負(fù)電荷。A、 B導(dǎo)體分別都有溫差電勢產(chǎn)生，可由式32表示 (32)式中，NAT、NBT分別為導(dǎo)體A、B在某溫度T時(shí)的電子密度；EA(T，T0)、EB(T ，T0)分別為A和B兩端在T和T0(TT0)時(shí)的溫差電勢。設(shè)TT0、 NA NB，由于溫差電勢比接觸電勢小，所以在總電勢中，以導(dǎo)體AB在熱端的接觸電勢EAB(T)所占百分比最大，決定了總電勢的方向，這時(shí)總電勢EAB(T，T0)可寫成： (33)經(jīng)整理后推導(dǎo)可得： (34)由式34可知，熱電偶總電勢與電子密度及兩接觸點(diǎn)溫度有關(guān)。所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢EAB(T ，T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差，即 （35）如果能使冷端溫度T0固定，即f(T0)=C(常數(shù))，則對確定的熱電偶材料，其總電勢EAB(T，T0)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即 （36）這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過實(shí)驗(yàn)方法求得。 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。熱電偶檢定爐是電阻爐的一種，是一種具有純滯后的大慣性系統(tǒng)，開關(guān)爐門、加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，傳統(tǒng)的檢定爐控制系統(tǒng)大多建立在一定的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對被控對象中的非線性、時(shí)變性及隨機(jī)干擾無能為力。第二種控制方法在主回路中采取雙向可控硅裝置，并結(jié)合一些簡單的儀表，使得保溫階段能夠自動(dòng)保溫，但其升溫過程還是依賴于試驗(yàn)者的調(diào)節(jié)，并不能精確的按照給定的升降溫速度來調(diào)節(jié)。檢定時(shí)用雙向可控硅來調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫達(dá)到所需的檢定溫度點(diǎn)內(nèi)，就可以進(jìn)行讀數(shù)。 (1)雙極比較法:將同分度號同種規(guī)格的正、負(fù)極偶絲焊接成電偶，直接測量標(biāo)準(zhǔn)器與被檢熱電偶的熱電動(dòng)勢。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，再按相反順序進(jìn)行，每支讀數(shù)不應(yīng)少于2次。 (3)微差法:將同型號的標(biāo)準(zhǔn)與被檢熱電偶反向串聯(lián)，直接測量其熱電勢差值。不僅可以采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用各種PID的變種，如PI, PD控制，不完全微分控制，積分分離式PID控制，帶死區(qū)的PID控制，變速積分PID控制，比例PID控制等等。通過對檢定爐的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)研究確定出采用的研究方案，采用的控制方案是PID控制，它是經(jīng)典控制理論中最典型的控制方法，對工業(yè)生產(chǎn)過程的線性定常系統(tǒng)，大多采用經(jīng)典控制方法，它結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)，并且可以消除穩(wěn)定誤差，在大多數(shù)情況下能夠滿足性能要求。理想的PID控制器根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成的控制偏差e(t) （37）將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。隨著比例系數(shù)Kp的增大，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但同時(shí)動(dòng)態(tài)性能變差，振蕩比較嚴(yán)重，超調(diào)量增大。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，時(shí)間常數(shù)越大積分作用越弱，反之越強(qiáng)。但過小的積分常數(shù)會(huì)加劇系統(tǒng)振蕩，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 在計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制器是通過計(jì)算機(jī)PID控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則本論文研究開發(fā)基于虛擬儀器的檢定爐溫度控制系統(tǒng)，要開發(fā)出好的控制系統(tǒng)，首先要進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。首先把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若干相對獨(dú)立的、簡單的、容易實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)部分，再分別把這些部分分解成實(shí)現(xiàn)不同具體功能的模塊，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，分別設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，完成后再進(jìn)行綜合而形成整個(gè)系統(tǒng)。(2)可擴(kuò)展性原則。如果只要對系統(tǒng)中硬件部分或軟件部分作一定的修改，系統(tǒng)的功能就會(huì)得到加強(qiáng)或者增加一些新的功能，那么該系統(tǒng)就具有良好的可擴(kuò)展性。 (3)經(jīng)濟(jì)性原則。在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能采用實(shí)用、易實(shí)現(xiàn)、簡潔的方案，因?yàn)榉桨负啙嵰馕吨铆h(huán)節(jié)少，可靠性高，而且也比較經(jīng)濟(jì)。本論文所開發(fā)的基于虛擬儀器技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)，采用PCDAQ虛擬儀器系統(tǒng)，正是由于此系統(tǒng)成本低。所謂可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。(5)易操作性原則。 檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件分析本論文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于虛擬儀器的檢定爐溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)從總體到局部的設(shè)計(jì)原則，通過對系統(tǒng)功能的分析，將整個(gè)系統(tǒng)分解為實(shí)現(xiàn)不同功能的幾個(gè)部分，然后分別對每個(gè)部分設(shè)計(jì)。溫度信號采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，將整個(gè)系統(tǒng)分解為兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分，其中溫度信號采集系統(tǒng)是采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的。它可以通過軟件實(shí)現(xiàn)許多由傳統(tǒng)儀器硬件所實(shí)現(xiàn)的功能，這是虛擬儀器“軟件就是儀器”最根本的體現(xiàn)。通過以上分析可知在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是軟件程序的設(shè)計(jì)，所以軟件的開發(fā)質(zhì)量也將決定溫度控制系統(tǒng)的性能好壞。 被控對象數(shù)學(xué)建模檢定爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在溫度控制部分，根據(jù)檢定爐的溫度特性，采用PID控制器來實(shí)現(xiàn)對檢定爐溫度的控制。將微型計(jì)算機(jī)簡略為控制器，將電阻爐、雙向可控硅歸并為被控對象，由于熱電偶是將溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，所以略去熱電偶，使系統(tǒng)進(jìn)一步簡略，圖中輸入信號：為設(shè)定溫度，輸出信號Y為實(shí)際溫度，e為誤差，u為控制信號。設(shè)計(jì)整定PID控制器的基礎(chǔ)是要對被控對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，它需要確定被控對象數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)。本論文的被控對象檢定爐是一種能自衡的對象，將檢定爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量。 （311）式中，T0為周圍環(huán)境溫度，R為檢定爐的熱阻(絕緣材料及爐內(nèi)、外部流動(dòng)氣體產(chǎn)生的)。式(318 )即是被控對象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)上式為G(S) ( G(S)稱為被控對象的傳遞函數(shù))。D(S)即為控制器的數(shù)學(xué)模型，也可稱為控制算法，它是控制系統(tǒng)的核心。首先把標(biāo)準(zhǔn)偶和被檢偶捆扎在一起，裝到管式檢定爐的最高溫區(qū)。信號調(diào)理模塊將原始信號進(jìn)行放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)送入微機(jī)。它根據(jù)測得的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢換算出當(dāng)前的爐內(nèi)溫度，并按照設(shè)定溫度點(diǎn)的要求控制控溫調(diào)壓器，改變檢定爐的加熱電流，從而實(shí)現(xiàn)檢定爐爐溫的自動(dòng)控制。當(dāng)所設(shè)定的溫度檢定點(diǎn)都檢測完畢，微機(jī)則按檢定規(guī)程的要求做檢定計(jì)算，然后整理檢定結(jié)果并記錄在固定格式的測量記錄和數(shù)據(jù)綜合表中，用戶可在微機(jī)上隨時(shí)調(diào)出所有檢定報(bào)表，查看或打印。本文對爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想來源于用電壓調(diào)整器控制可控硅導(dǎo)通角的原理?？煽毓璧膶?dǎo)通時(shí)刻是由可控硅電壓調(diào)整器中的觸發(fā)脈沖電路產(chǎn)生的脈沖信號決定的。它們與電流輸出的調(diào)節(jié)儀表配套使用，用于控制檢定爐溫度。這里使用的可控硅調(diào)壓器采用移相觸發(fā)控制電路，它主要由放大與觸發(fā)電路、反饋與預(yù)給電路、同步脈沖發(fā)生器和保護(hù)電路等部分組成。是一種比較理想的電熱溫度控制裝置。還有電源波形畸變和高頻電磁波輻射往往會(huì)產(chǎn)生某些不良后果。數(shù)字計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，存儲(chǔ)信息量大，邏輯判斷功能強(qiáng)，以及靈活通用等特點(diǎn)。在常規(guī)模擬控制系統(tǒng)中的控制器用計(jì)算機(jī)來代替，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)提供的多種指令，可編出符合各種技術(shù)要求的控制程序、管理程序及微處理器執(zhí)行程序，從而實(shí)現(xiàn)對被控參數(shù)的控制與管理(如顯示、打印、報(bào)警等)。在檢定裝置所需的硬件連接好后，系統(tǒng)的功能則主要靠軟件來實(shí)現(xiàn)。其中執(zhí)行軟件包括人機(jī)界面程序、通信接口程序和數(shù)據(jù)處理及算法程序，它主要完成過程信息的采集、處理、運(yùn)算、顯示、打印、控制輸出等實(shí)質(zhì)性的功能，偏重算法效率、強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性且與系統(tǒng)的硬件關(guān)系密切。數(shù)據(jù)采集與調(diào)理部分包括信號調(diào)理模塊，PCI數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW提供了Measurement amp。該軟件可以自動(dòng)檢測到與系統(tǒng)(PC機(jī))相連的設(shè)備(如DAQ卡、GPIB、VISA、 VXI等硬件產(chǎn)品)，并可調(diào)用相應(yīng)設(shè)備的設(shè)置軟件對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。DAQ儀器是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生和測量。通常不能將被測信號直接連接到數(shù)據(jù)采集卡，而必須是用信號調(diào)理電路。另一方面，一塊數(shù)據(jù)采集卡往往具有多種功能，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸出以及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器操作等。第一代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后期，隨著DAQ技術(shù)不斷發(fā)展，90年代初期NI推出第二代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件，隨后在2003年NI推出第三代DAQ驅(qū)動(dòng)軟件DAQmxo NIDAQmx具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如擁有更簡單、更強(qiáng)大的編程接口；有DAQ助手，能進(jìn)行交互式任務(wù)配置和自動(dòng)代碼生成；有并發(fā)的DAQ操作功能；能進(jìn)行更快的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；支持即插即用傳感器和多種自動(dòng)化設(shè)備的同步等優(yōu)點(diǎn)。從成本方面考慮，本系統(tǒng)采用PCI6221型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行溫度信號采集。它可以采集模擬信號，數(shù)字信號，擁有定時(shí)器的功能，同時(shí)還具有模擬輸出的功能，該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集與控制功能。PCI6221數(shù)據(jù)采集卡具有十六個(gè)模擬輸入通道，兩個(gè)模擬輸出通道。該卡具有三種不同的模擬輸入模式：單端有參考地輸入(RSE)，單端無參考地輸入(NRSE )，差分輸入(DIFF )。PCI6221的模擬輸入還可以選擇單極性或雙極性。我們設(shè)置模擬輸入為單極性 。單極性輸出范圍為0 到10V；雙極性輸出范圍為5到+5V。ao0對應(yīng)模擬輸出通道0， aol對應(yīng)模擬輸出通道1。 信號調(diào)理模塊信號調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要也是最易被忽視的一部分。比如說，熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號，它還需要進(jìn)一步的放大、過濾、以及線性化等處理。SCXI是一種高性能，USB可控制的多通道的信號調(diào)理和矩陣開關(guān)平臺，與M系列、S系列和模塊化儀器設(shè)備兼容。SCC是適用于低通道應(yīng)用便攜式的信號調(diào)理平臺。無論是SCXI，還是SCC平臺都有用于測量、激勵(lì)、隔離和過濾的模塊 。它提供了一個(gè)緊湊、便攜式的系統(tǒng)，以便進(jìn)行單/雙通道信號調(diào)理和連接。SCC是便攜式模塊化信號調(diào)理系統(tǒng)，可與M系列、E系列和部分B系列的便攜式數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備配合使用。通過綜合分析，采用NI SCC信號調(diào)理模塊。 PID控制部分 PID控制程序圖PID控制器是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對檢定爐溫度的控制。 系統(tǒng)驗(yàn)證子VI本系統(tǒng)軟件設(shè)有系統(tǒng)登錄驗(yàn)證模塊，對進(jìn)入系統(tǒng)的用戶進(jìn)行安全性檢查，防止非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)。因此，簡潔、實(shí)用、友好、安全是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到的風(fēng)格。模擬量I/O系統(tǒng)中的另一個(gè)組成部分是D/A轉(zhuǎn)換。本控制系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡PCI6221上集成了16位的AID和D/A轉(zhuǎn)換器，以及兩個(gè)中斷源，滿足了設(shè)計(jì)要求。在數(shù)據(jù)采集模塊中，可實(shí)現(xiàn)對檢定爐溫度的測量，LabVIEW可通過數(shù)據(jù)采集卡顯示實(shí)際信號波形。數(shù)據(jù)采集模塊。 檢定爐溫度延時(shí)設(shè)定子VI延時(shí)給予檢定爐溫度設(shè)定值是熱電偶檢定過程中的必要條件。 檢定爐溫度報(bào)警子VI在熱電偶檢定爐升溫過程中，由于一些外界客觀原因的影響，可能會(huì)出現(xiàn)一些異常情況。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偶溫度(實(shí)際爐溫)超過設(shè)定的溫度區(qū)間時(shí)，指示燈會(huì)由綠變紅，并發(fā)出閃爍。前面板(Front Panel)設(shè)計(jì)窗口請見附錄A，程序圖后面板請見附錄B。由于時(shí)間的限制，本論文對虛擬儀器LabVIEW在自動(dòng)化測控領(lǐng)域的設(shè)計(jì)只限于比較表面、簡單的研究，對于LabVIEW在測控領(lǐng)域的許多優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來?；谔摂M儀器的測控系統(tǒng)的開發(fā)對于微機(jī)控制系統(tǒng)有非常重要的意義，虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)前測控領(lǐng)域應(yīng)用和研究的重要方向之一，將其應(yīng)用于實(shí)際檢測中，節(jié)省了項(xiàng)目投入，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開放性。隨著現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和日臻完善，工業(yè)生產(chǎn)過程己經(jīng)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化，同時(shí)對自動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測裝置提出了更高的要求。本論文雖然做了簡單的溫度控制系統(tǒng)，可以對工業(yè)上幾種常用的熱電偶的檢定起到一定的幫助，但也只是完成了微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大致框架。其中，有的參數(shù)未知或緩慢變化，有的存在滯后和隨機(jī)干擾，有的無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，檢定爐溫度控制系統(tǒng)在許多方面還尚未完善。熱電偶檢定爐爐溫模型參考自適應(yīng)控制的研究。，劉林輝。. What is virtual instrumentation? Instrumentationamp。Measurement Magazine，IEEE ，Pages 1419, ，,Sep. 1999 Instruments： Labview User Manual，2003附錄A程序前面板附錄B程序圖后面板致謝值此畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，謹(jǐn)向那些曾教導(dǎo)我的師長、鼓勵(lì)我的前輩、幫助我的同學(xué)和朋友、默默支持我的親人，表達(dá)我最誠摯的謝意!本文從選定題日到定稿，歷時(shí)數(shù)月。在論文的寫作過程中，閆老師給了我許許多多的幫助和關(guān)懷。對我的設(shè)計(jì)思路、構(gòu)想及設(shè)計(jì)方案決定都給于了重要的指導(dǎo)，讓我少走了很多彎路。在此我謹(jǐn)向閆老師表示衷心的感謝和深深的敬意。最后，向所有關(guān)心、理解、支持和幫助過我的老師、領(lǐng)導(dǎo)、同學(xué)和朋友們致以誠摯的謝意!