工業(yè)熱電偶計量檢定系統(tǒng)設計

張洪魁

[摘 ?要]設計一種自動檢定效率高、工作穩(wěn)定、檢定準確且具有檢定數(shù)量可拓展的工業(yè)熱電偶計量檢定系統(tǒng)。系統(tǒng)組成包括有檢定爐及其爐溫調控單元、多路檢測選擇及采集單元和主控單元，檢定爐內置有爐溫熱電偶、標準熱電偶和被檢熱電偶;爐溫調控單元基于爐溫熱電偶，連接有溫度變送器、PID調節(jié)器和功率調整器，PID調節(jié)器和功率調整器與主控單元之間通訊總線連接;多路檢測選擇及采集單元基于已置于檢定爐內的若干熱電偶，每一熱電偶連接有受繼電器驅動聯(lián)動的低電勢轉換開關后，再并聯(lián)、連接至熱電偶輸入模塊的一輸入通道端口，每一繼電器驅動電路的輸入端連接光電耦合器，構成采集啟動轉換電路，數(shù)據(jù)采集卡受控于主控單元的循環(huán)掃描指令，數(shù)據(jù)采集卡的各數(shù)字通道依次連接于各采集啟動轉換電路輸入端。系統(tǒng)總不確定度優(yōu)于0.7℃，重復性誤差小于0.25℃。

[關鍵詞]工業(yè)熱電偶;計量檢定;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2016）22-0003-01

0 引言

熱電偶是日常生活和工農業(yè)生產中廣泛使用的測溫部件。為使之確保其溫度感應的準確性，以真實反映實際溫度值，制造商的檢測部門需要對出廠產品實施出廠檢定，另外，已達到一定使用周期的熱電偶也需要重新檢定，消除測溫誤差，保證測溫結果的準確性。現(xiàn)有的檢定方法仍普遍采用手工操作方式，檢定效率低、精度差。為此，現(xiàn)有技術中雖推出了多種工業(yè)熱電偶自動檢定裝置，也各有特點，但檢定的穩(wěn)定性、準確性、檢定數(shù)量拓展和檢定效率等方面仍非理想[1]。

1 檢定系統(tǒng)硬件設計原理

1.1 檢定系統(tǒng)工作原理

控溫熱電偶、溫度變送器、調節(jié)器、功率調整器構成熱電偶檢定點溫度控制系統(tǒng)。NI9211熱電偶輸入模塊，用來測量標準被檢熱電偶的毫伏值，它包含一個24位的delta-sigma模數(shù)轉換器、防混疊濾波器、熱電偶開路檢測和冷端補償，從而實現(xiàn)高精度熱電偶測量。NI 9211包含NIST校準，還具有通道—地面接地雙重隔離屏障，實現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

PCI1716數(shù)據(jù)采集卡，用來自動檢定多只被檢熱電偶時，自動測量用。同時與工控機進行數(shù)據(jù)通訊。

PCI1716數(shù)據(jù)采集卡與低電勢精密轉換開關鏈接電路，將PCI1716數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出信號轉換為8路熱電偶連接電路。低電勢精密多通道轉換開關，用來檢定測量多只被檢熱電偶轉換用。

主要用于對標準熱電偶和工作用熱電偶在測量中進行轉換，通過手動操作或標準接口控制，可將此轉換開關中的任意一路轉換接到輸出。開關觸點有很低的熱電勢（小于0.4微伏）。多路開關切換可以與PCI1716數(shù)據(jù)采集卡與低電勢精密轉換開關鏈接電路配合實現(xiàn)計算機程序控制。

工控機Labview軟件，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控檢定過程，對檢定結果進行自動處理。打印機實現(xiàn)對熱電偶檢定記錄表和檢定證書進行打印。

1.2 PCI1716數(shù)據(jù)采集卡與低電勢精密轉換連接電路

D00…D07為PCI1716數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字量輸出口，C1、P1為低電勢精密轉換開關公共端;1C1、1P1…8C1、8P1 PCI1716為低電勢精密轉換開關與標準和被檢熱電偶接入端。IC1…IC8、R1…R8、D1…D8、BG1…BG8、J1…J8組成隔離驅動自動控制電路。實現(xiàn)熱電偶檢定過程中標準熱電偶和被檢熱電偶數(shù)據(jù)的自動測量。

1.2 溫控系統(tǒng)、低電勢精密轉換開關、熱電偶輸入模塊原理圖

溫控系統(tǒng)、低電勢精密轉換開關、熱電偶輸入模塊原理圖，如圖1所示。

1.3 檢定系統(tǒng)誤差計算公式

300℃以上熱電動勢誤差Δe用下式計算[2]：

（1）

（1）式中：—被檢熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值;

—標準熱電偶證書上某檢定點溫度的熱電動勢值;

—標準熱電偶在某檢定點附近溫度下，測得的熱電動勢算術平均值;

—被檢熱電偶分度表上查得的某檢定點溫度的熱電動勢值;

、—分別表示標準、被檢熱電偶在某檢定點溫度的微分熱電動勢。

2 檢定系統(tǒng)軟件設計

軟件設計采用美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺）。結合數(shù)據(jù)庫和報表工具包來完成熱電偶計量檢定系統(tǒng)的軟件設計。

3 實驗測試

（1）測試所需儀器設備：管式爐，其長度為600mm，加熱管內經為40mm 。參考端恒溫器，恒溫器內溫度為（0±0.1）℃。標準熱電偶，鉑銠10-鉑（S型）1支。被檢熱電偶，鎳鉻-鎳硅（K型）1支。K型熱電偶的電極直徑φ1.0，精度等級Ⅰ級，誤差1.6℃。檢定溫度點為400℃、600℃、800℃。

（2）測試過程：當爐溫升到檢定點溫度，爐溫變化小于0.2℃/min，自標準熱電偶開始，依次測量各被檢熱電偶的熱電動勢。測量順序如下：

讀數(shù)應迅速準確，時間間隔應相近，測量讀數(shù)不應少于4次。測試時管式爐溫度變化不大于±0.5℃。

4 結束語

工業(yè)熱電偶計量檢定系統(tǒng)是工業(yè)熱電偶自動檢定時的必備裝置，實現(xiàn)了在熱電偶檢定時，檢定點溫度控制;檢定數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示;打印檢定數(shù)據(jù)記錄表和檢定證書等由計算機自動完成。克服了手動檢定熱電偶時的數(shù)據(jù)處理繁瑣、出錯率高、檢定人員勞動強度大、檢定費時等情況。提高了熱電偶檢定的工作效率和數(shù)據(jù)精度。該成果已在遼寧機電職業(yè)技術學院儀表檢定實訓室得到應用。取得了較好的效果。

參考文獻

[1] 趙景輝.工業(yè)熱電偶計量檢定系統(tǒng)：中國.201420844897.1[P].2014-12-26.

[2] 工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程JJG351-1996.中國計量出版社，2010.