一種工作用S型熱電偶自動檢定系統設計與應用*

谷紅霞, 陳 磊， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650051)

一種工作用S型熱電偶自動檢定系統設計與應用*

谷紅霞, 陳 磊， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南昆明650051)

為了提高熱電偶檢定系統的檢定時間和控溫精度，基于LabVIEW設計了一種工作用S型熱電偶的檢定系統。以數據采集卡和可控硅為核心搭建了硬件系統，使用圖形化編程語言LabVIEW開發了上位機軟件，并對檢定爐溫度控制算法進行優化，人機界面友好、高效便捷。經過實驗性投運，系統性能與檢定企業出具結果一致，具有較高的實用價值。

熱電偶； LabVIEW； 自動檢定系統； 爐溫控制； 算法優化

0 引 言

傳統的熱電偶檢定由操作人員手動完成，借用直流電位差計調節電壓使溫度在檢定點附件保持穩定[1]，通過手動轉換開關快速地切換熱電偶并記錄檢定數據，每操作一次記錄一次原始數據，在后續數據處理過程中需要將熱電勢差換算成溫度值[2]。因此，同一被檢熱電偶的檢定結果完全取決于不同操作人員的經驗，對人員提出了很高的要求，而且人工操作會帶來不必要的人為因素[3～5]。

在計算機及其軟硬件技術快速發展的今天，人們對自動檢定系統的要求已經趨于智能化和一體化，對精度的要求也越來越高[6，7]。當前自主開發的熱電偶自動檢定系統，程序一般采用VB編程。系統一經形成非專業編程人員無法隨意更改其參數，修改和升級比較麻煩；限于當時的開發環境和技術手段，數據傳輸采用RS—485總線，溫度控制采用繼電器控制，數據傳輸速度較慢，且在爐溫控制方面花費的時間較長。汪輝,稅愛社通過整流罩空調系統傳感器故障檢測模型,對整流罩空調系統傳感器容易出現的偏置故障進行了驗證實驗[8],可依據實際情況對檢測模型進行實際修正。薛鵬飛,袁圣付研究的化學激光器上的智能數據采集系統可實時對溫度數據進行采集與快速傳輸[9]。本文嚴格根據《JJG141—2013工作用貴金屬熱電偶》檢定規程，借鑒上述研究成果，結合圖像化編程語言LabVIEW和計算機控制技術開發了上位機，可實現爐溫自動準確測量，同時，為后續進行爐溫檢測研究奠定了一定基礎[10]。

1 系統總體設計思想

在熱電偶自動檢定系統中，計算機閉環控制的整個工作過程大體上可分為3個步驟：1)數據采集，對來自熱電偶和智能儀表的熱電勢進行檢測和輸入；2)數據處理，對采集到的熱電勢進行分析和處理，并按一定的控制規律運算進行控制決策；3)控制輸出，根據控制決策對可控硅調壓器發出控制信號完成爐溫控制。本文著重論述數據采集系統和爐溫控制系統的設計思想[11～13]。

1.1 數據采集系統設計

A/D轉換過程如圖1所示。通過采樣將時間連續的模擬信號轉換為時間離散的模擬信號；經過量化,將幅值連續的模擬信號進行量化轉換為幅值離散的信號；通過編碼得到二進制代碼。

圖1 A/D轉換器框圖

數據采集系統的硬件由NI數字萬用表PXI—4070實現，軟件則由各種功能模塊構成。

1.2 爐溫控制系統設計

通過可控硅調壓器控制溫度控制系統,可控硅的導通狀態取決于可控硅調壓器中的觸發脈沖信號，即將模擬控制信號轉換，形成一系列有規律且疏密變化的脈沖序列，再結合同步電路的作用，改變可控硅導通角θ，通過控制檢定爐加熱電流實現對爐溫控制。

2 系統硬件與工作原理

系統硬件由熱電偶臥式檢定爐、0 ℃保溫瓶、S型標準熱電偶、被檢S型熱電偶、低電勢掃描開關、數字萬用表、退火裝置及退火爐等組成。工作時，計算機通過可控硅調壓器改變可控硅的導通角實現對爐溫的控制，在爐溫升至檢定點附近并保持數分鐘使熱電偶達到熱平衡，爐溫變化率符合條件，系統發出指令，通過USB按順序讀取掃描開關各通道的熱電勢，通過RS—232接口控制數據采集卡進行數據采集、分析和處理，以改變可控硅的導通角實現對爐溫的控制。各熱電偶熱電勢的巡回檢測、采集和數據處理，判斷數據的有效性均自動實現。工作原理框圖見圖2。

圖2 檢定系統的工作原理框圖

3 軟件開發

軟件設計主要依據貴金屬熱電偶檢定規程JJG141—2013。軟件系統主要包括數據采集、溫度控制和數據處理等模塊，使用圖形化編程語言LabVIEW 2012編寫，流程如圖3所示。

熱電偶檢定系統總體上大致由測量、控制和上位機三大模塊組成：測量模塊完成數據采集工作；控制模塊完成爐溫控制；上位機模塊計算機是系統控制中心，用來指揮和協調其它部分的執行，具有運算速度快，計算精度高，存儲信息量大等特點。

圖3 自動檢定系統流程

爐溫控制程序包括:

1)普通位置式比例—積分—微分控制

對于檢定爐的溫度控制大多采用模擬比例—積分—微分(PID)進行控制，執行機構為可控硅，所以采取普通位置式PID進行控制爐溫。在調試過程中發現，在實時溫度PV值接近設定值時，系統總是在一定范圍內，產生自振蕩而偏離設定值，很難穩定在設定值，根據檢定規程對爐溫的要求，導致檢定工作無法順利進行。以檢定點鋅點為例，設定溫度SP為420 ℃，PV為實時溫度，MV為被控對象可控硅的輸出百分比，以100表示全開，0表示關閉，即相當于切斷電源，爐溫控制曲線如圖4所示。

圖4 普通位置式PID爐溫控制曲線

2)模糊PID控制

模糊PID控制器應用于檢定系統的爐溫控制中，取得了非常好的控制效果。為了與圖5進行控制效果的比較，同樣,以檢定點鋅點為例，達到了快速，精度更高的效果，如圖5所示，解決普通位置式PID自振蕩問題，因此,選用模糊PID進行檢定爐溫控制。

圖5 模糊PID爐溫控制曲線

4 系統調試與投運

某公司生產的基于VB的熱電偶自動檢定系統，爐溫升到檢定點附近±5 ℃時，需要通過標準偶連續采集溫度5個周期，每個周期持續12 s，以此確定爐溫變化率是否小于0.1 ℃/min，達到要求才可以對被檢偶進行熱電勢采集，每個檢定點用時約50 min。系統在判斷變化率方面，通過設置采集時間來取曲線上連續的兩點，取其差值除以采集時間得到該點的爐溫變化率。

本文系統，在檢定時間和控溫精度方面明顯具有優勢，在檢定第一個檢定點用時約35 min，且爐溫變化率僅為0.054 2 ℃/min，檢定點419.527 ℃時的爐溫控制曲線如圖6(a)。

第一個檢定點檢定完畢，進入下一個檢定點，設定溫度660.623 ℃，即鋁點，爐溫繼續上升，約38 min進行熱電勢采集，此時溫度為658.358 ℃，爐溫變化率為0.060 3 ℃/min，檢定點該溫度下爐溫控制曲線如圖6(b)。

圖6 檢定點爐溫控制曲線

第三個檢定點銅點1 084.62 ℃，由于溫度已經超過了1 000 ℃，此時爐溫上升不明顯，這個過程用時約40 min，此時，爐溫變化率為0.065 ℃/min，檢定點該溫度下爐溫控制曲線如圖6(c)。

5 結 論

設計了一種基于虛擬儀器的工作用S型熱電偶自動檢定系統，并取得了以下幾點成果：1)根據熱電偶自動檢定系統越來越趨于智能化的需求，結合虛擬儀器技術、PID控制技術和計算機控制技術，使用LabVIEW開發了上位機軟件，并通過對實驗室4支被檢工作用S型熱電偶進行檢定，其檢定結果與當地具有熱電偶檢定資質的參數基本一致，達到了預期目標，具有較強的實用價值和研究意義。2)詳細介紹了檢定系統在開發平臺LabVIEW中的實現，嚴格按照檢定規程，完成了硬件平臺的搭建和軟件模塊的實現，程序的模塊化設計也使系統軟件程序簡單化。3)提出了PID結合模糊控制的溫度控制策略，取二者優點整合，構造了模糊PID控制器，將其應用到檢定系統的爐溫控制中，取得了非常好的控制效果。

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DesignandapplicationofanS-stylethermocoupleautomaticverificationsystemforwork*

GU Hong-xia, CHEN Lei, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na, LI Chuan

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650051,China)

In order to improve test time and temperature control precision of thermocouple verification system,a work-based verification system with S-type thermocouple is degined by LabVIEW.Using data acquisition card and thruster as the core to build up hardware system,using LabVIEW graphical programming language to develop upper PC software,and the temperature control algorithm of verification furnace is optimized for purpose of friendly man-machine interface , efficient and convenient.After experimentally operation,results show that the system has high practical value,and the performance is consistent with the certification enterprise.

thermocouple; LabVIEW; automatic verification system; furnace temperature control； algorithm optimization

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0112—03

TP 273

A

1000—9787(2017)11—0112—03

2016—08—26

國家自然科學基金資助項目(51567013);昆明理工大學人才培養基金資助項目(KKSY201303004);云南省應用基礎研究計劃項目(2013FZ021)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器，測試計量等， E—mail:1158733289@qq.com。

李 川(1971-)，男，通訊作者，教授，博士生導師，主要從事光纖傳感器技術與應用方面的研究工作，E—mail:1625677252@qq.com。