[導讀] 根據熱電偶的檢定方法，結合虛擬儀器技術，開發(fā)了熱電偶的自動檢定系統(tǒng)。給出了裝置的硬件和軟件的設計，并重點介紹了如何實現采集后的實驗數據的自動分析和處理。開發(fā)后的系統(tǒng)用于在線自動檢定各種工作用的熱電偶效果良好。
1 引言
熱電偶是廣泛應用于工業(yè)和科研中的一種測溫傳感器。由于受到測量環(huán)境、介質氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護套管材料玷污等情況的影響,使用一段時間后,其熱電特性會發(fā)生變化。當熱電特性變化超過規(guī)定的范圍時,熱電偶指示的溫度便會失真,測溫誤差越來越大。因此,熱電偶不僅在使用前要進行校準,而且在使用一段時間后還要進行檢定,以確定其誤差大小。所謂檢定,就是為了評定熱電偶性能是否合格所進行的全部工作。然而，各高校實驗室目前仍基本采用傳統(tǒng)的熱電偶模擬校驗裝置，利用二等標準鉑銠-鉑(S分度)熱電偶和校驗熱電偶直接比較的方法進行工業(yè)用的熱電偶的校驗。數據的測量是采用讀指針表盤和手工記錄的方式進行。其操作繁雜、測量反應慢、測試周期長、數據儲存困難、無法直接得到檢定結論，且實驗效果不理想。由于這種傳統(tǒng)的熱電偶模擬校驗裝置已很難適應現代化生產的需要，因此根據熱電偶的檢定方法，以及結合虛擬儀器技術的LabVIEW開發(fā)平臺，開發(fā)了熱電偶的自動檢定系統(tǒng)。
2 傳統(tǒng)熱電偶模擬校驗裝置的檢定原理
傳統(tǒng)熱電偶檢定原理及過程可通過舉例表述如下：假設設定測量溫度是600℃，當爐溫穩(wěn)定后，獲得的標準熱電偶的熱電勢平均值VS=5.252mv。在S分度表上，工作端為600℃，自由端為0℃時，熱電勢為VS標=5.222mv。該標準熱電偶S分度號證書中得工作端為600℃，自由端為0℃時的熱電勢為VS證=5.242mv。求偏差值△=5.222-5.242=-0.02mv。標準熱電偶測得的實際電勢值： VS標實=5.252+(-0.02)=5.232mv。反查S表得TS標實=599.5℃，獲得被檢S(K)型熱電偶VS被檢=5.230mv。反查S表得TS被檢=599.2℃。直接得出被檢熱電偶的誤差為0.3℃?？雌湔`差屬于哪個溫度段哪個等級，從而得出結論。
3 熱電偶自檢定系統(tǒng)的設計
根據熱電偶校驗的原理圖，我們可以利用LabVIEW把模擬裝置的不同部分相應模塊化和集成， PID調節(jié)器可以完成對溫度的自動控制。用計算機屏幕來代替操作屏，在計算機屏幕上，我們可以觀察到實時爐溫和爐溫的歷史控制曲線，既直觀又準確。比起原來的人工讀數大為簡便直接，而且可以避免了人為讀數誤差的產生。同時，虛擬儀器還可以實現數據的自動處理，從面板上直接看到校驗結論。校驗記錄還可以進行存儲和打印，以備以后調用。
圖1 系統(tǒng)結構圖設計
在具體軟件和硬件的實現上，我們用標準熱電偶來身兼兩職：即做標準電偶又做控溫電偶，這樣就會減少在軟件上實現控溫和采集判斷的難度，同時也避免了加熱穩(wěn)定溫度與設定溫度相差比較大，而不能執(zhí)行采集程序的現象發(fā)生。即插即用式數據采集設備使我們更好的完成了軟件和硬件的結合。
3.1 管狀檢定爐自整定Fuzzy-P I D雙模復合控制
本文提出了復合自整定FUZZY-PID雙?？刂扑惴?，其基本思想是采用PID控制器與模糊控制器并聯方式，大偏差時采用模糊控制，小偏差則用自整定PID控制，既提高了控制精度，又消除了極限環(huán)振蕩，從而使二者的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，實現了最佳控制。自整定Fuzzy-PID雙?；旌峡刂破鞯脑韴D如圖2所示。系統(tǒng)引入Bang-Bang開關，程序判斷偏差E的大小來進行控制模式的切換，當偏差E大于某一閥值X時，系統(tǒng)切換到常規(guī)模糊控制器，在常規(guī)模糊控制器的作用下，系統(tǒng)可以加快響應速度;當偏差E小于閥值X時，系統(tǒng)切換至常規(guī)PID控制器，在常規(guī)PID的控制下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度可以得到大大的提高，控制過程中可以根據需要啟動PID參數繼電自整定程序，使得PID參數的整定由控制系統(tǒng)自動完成而不需要人工整定，從而使得這種雙?？刂破骶哂许憫臁⒎€(wěn)態(tài)精度高、使用方便的特點。并且，其中的FUZZY和PID控制器可以分開設計，若已有常規(guī)模糊控制器，可以不用修改原程序，只需嵌入PID算法和PID參數自整定模塊，加一條閥值判斷語句即可。
當E>X時，K1=0，K2=1
當E≤X時，K1=1，K2=0
圖2 管狀檢定爐爐溫控制方案
其中X根據對象特性及控制要求而定，也可在現場調試確定。通過這種變結構控制，可使系統(tǒng)誤差較大時，提高系統(tǒng)的響應速度，加快響應過程:而誤差較小時則可提高系統(tǒng)的阻尼，使過程具有超調小的特性。值得一提的是自整定Fuzzy-PID雙?？刂破鞯脑O計對被控對象的數學模型精度要求不高，對環(huán)境溫度等外界條件變化而引起的系統(tǒng)參數變化也不敏感，表明系統(tǒng)具有一定的魯棒性。另外，與傳統(tǒng)的PID控制器相比，自整定Fuzzy-PID雙模控制器由于模糊算法參與以及參數自調整等，降低了對PID參數的整定要求。
3.2 信號調理與采集
基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的硬件結構為：傳感器→信號調理器→數據采集設備→計算機。傳感器將被測量的溫度，壓力，位移等各種物理量轉化為電量;信號調理器對電信號進行放大，濾波，隔離等預處理;數據采集設備主要功能是將模擬信號轉化成數字信號，此外一般還有放大，采樣保持，多路復位等功能。
圖3 信號調理電路設計
信號調理系統(tǒng)可以從被測試信號中濾波掉不需要的成分和噪聲。對于熱電偶測溫這樣緩慢變化的微弱信號常常需要使用低通濾波器，減少信號的高頻成分，提高數模轉化的精度。使用低通濾波器可以濾掉截止頻率以上的所有信號頻率成分。許多信號調理裝置都有4HZ的低通濾波器,它很適于從低頻采樣的信號中濾除50HZ交流噪聲。當被檢測的信號含有高電壓峰值時,它可能損壞計算機或傷害操作者。在這種情況下出于安全考慮就需要將計算機與傳感器隔離。進行隔離的另一個原因是確保數據采集設備的測量不受地勢差的影響。
3.3 數據在線自動分析和處理
熱電偶電勢與溫度之間是一高階函數關系，且不同溫度段的溫度電動勢轉換關系不一樣，所以要分段判斷，常用的S型熱電偶的熱電勢與溫度的轉換關系如下所示。
圖4 S型熱電偶電勢溫度曲線
在-50～630.74℃時，S型熱電偶的熱電勢與溫度為6次冪多項式關系：
E=ai ti (1)
t為溫度 a0=0
a1 =5.3995782346
a2=1.251977E-2
a3=-2.2448217997E-5
a4=2.8452164949E-8
a5=-2.2440584544E-11
a6=8.5054166936E-15
在630.74～1064.43℃時，S型熱電偶的熱電勢與溫度多項式關系為：
E=bi ti (2)
b0=-2.9824481615E+2 b1=8.2375528221 b2=1.6453909942E-3
在1064.43～1665℃時，S型熱電偶的熱電勢與溫度多項式關系為：
E=ci ti (3)
c0=1.2766292175E+3
c1=3.4970908041
c2=6.3824648666E-3
c3=-1.5722424599E-6
數據在線自動分析和處理中，含有幾個重要的模塊，它們分別是：
1、溫度——電動勢轉換模塊。
2、電動勢——溫度轉換模。
3、讀取采集判斷模塊。
4、讀取采集模塊。
5、求△模塊(分度表與標準證書電勢差值△)。
6、求均值處理模塊。
7、檢定結論處理模塊。
8、數據存儲處理模塊。
圖5 熱電偶自動檢定前面板設計
操作人員設定檢定溫度點，當輸入溫度點后，這個信息一路通過求△模塊顯示證書與標準分度表的電勢差值△;一路通過溫度——電動勢轉換模塊顯示設定點的標準分度表電勢;另一路送給讀取采集判斷模塊，等待與標準熱電偶通道來的經電動勢——溫度轉換后的溫度信號在采集判斷模塊進行比較。讀取采集模塊控制著讀取采集模塊的開關。若標準通道來的溫度沒有達到設定溫度或說與之相差比較大時，讀取采集判斷模塊便會做出相應的判斷——發(fā)關閉開關命令，不符合讀取采集的初步要求，指示燈保持開始的“滅”狀態(tài)，繼續(xù)等待升溫。當標準熱電偶通道溫度與設定溫度相差不大時，讀取采集判斷模塊才控制打開讀取采集開關,允許通道來的信號進入數據預采集狀態(tài)，同時采集預備指示燈亮。當完全符合讀取采集條件時，采集程序便會在指定的間隔內完成數據采集(初步設定為3分鐘之內完成5個點的采集，采集點的個數與模擬裝置一樣)。采集到的標準熱電偶和測量熱電偶的電勢信號，分別經過求均值模塊送往檢定結論處理模塊和數據存儲模塊。檢定結論處理部分會根據采集處理后的數據與設定的熱電偶標準對比，看符合哪個等級。檢定結論處理后的信息又可以存儲到指定的文件路徑里，以備查看和輸出打印。同時檢定結果也實時顯示在前面板上，以便操作人員當場觀察結果。整個數據處理過程實現了全自動。即避免了操作人員的讀數的誤差，又不用大量的手動操作。與傳統(tǒng)模擬裝置相比，數據的采集時間縮短了許多，提高了效率同時提高了準確率。我們在采取冷端補償時用的是冰點槽法，這個方法得到的測量精度高、誤差小，為數據處理提供了方便。
圖6 熱電偶自動檢定框圖程序
4 結束語
虛擬儀器是計算機技術和現代測控技術融合的產物,它遵循“軟件即儀器”的概念,將計算機資源、儀器測/ 控硬件和用于數據分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件進行有效結合,從而大大減少了儀器的硬件資源,并可以按照用戶的需要定義儀器功能、結構,設計用戶自己的儀器。所以,在熱電偶的檢定和分度工作中,應用虛擬儀器技術可以提高工作效率,節(jié)約成本和提高檢定及分度的準確性。