谷紅霞, 陳 磊， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650051)

一種工作用S型熱電偶自動檢定系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

谷紅霞, 陳 磊， 趙振剛， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，云南昆明650051)

為了提高熱電偶檢定系統(tǒng)的檢定時間和控溫精度，基于LabVIEW設(shè)計了一種工作用S型熱電偶的檢定系統(tǒng)。以數(shù)據(jù)采集卡和可控硅為核心搭建了硬件系統(tǒng)，使用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)軟件，并對檢定爐溫度控制算法進(jìn)行優(yōu)化，人機(jī)界面友好、高效便捷。經(jīng)過實驗性投運(yùn)，系統(tǒng)性能與檢定企業(yè)出具結(jié)果一致，具有較高的實用價值。

熱電偶； LabVIEW； 自動檢定系統(tǒng)； 爐溫控制； 算法優(yōu)化

0 引 言

傳統(tǒng)的熱電偶檢定由操作人員手動完成，借用直流電位差計調(diào)節(jié)電壓使溫度在檢定點(diǎn)附件保持穩(wěn)定[1]，通過手動轉(zhuǎn)換開關(guān)快速地切換熱電偶并記錄檢定數(shù)據(jù)，每操作一次記錄一次原始數(shù)據(jù)，在后續(xù)數(shù)據(jù)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(jié)果完全取決于不同操作人員的經(jīng)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(jī)及其軟硬件技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們對自動檢定系統(tǒng)的要求已經(jīng)趨于智能化和一體化，對精度的要求也越來越高[6，7]。當(dāng)前自主開發(fā)的熱電偶自動檢定系統(tǒng)，程序一般采用VB編程。系統(tǒng)一經(jīng)形成非專業(yè)編程人員無法隨意更改其參數(shù)，修改和升級比較麻煩；限于當(dāng)時的開發(fā)環(huán)境和技術(shù)手段，數(shù)據(jù)傳輸采用RS—485總線，溫度控制采用繼電器控制，數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，且在爐溫控制方面花費(fèi)的時間較長。汪輝,稅愛社通過整流罩空調(diào)系統(tǒng)傳感器故障檢測模型,對整流罩空調(diào)系統(tǒng)傳感器容易出現(xiàn)的偏置故障進(jìn)行了驗證實驗[8],可依據(jù)實際情況對檢測模型進(jìn)行實際修正。薛鵬飛,袁圣付研究的化學(xué)激光器上的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與快速傳輸[9]。本文嚴(yán)格根據(jù)《JJG141—2013工作用貴金屬熱電偶》檢定規(guī)程，借鑒上述研究成果，結(jié)合圖像化編程語言LabVIEW和計算機(jī)控制技術(shù)開發(fā)了上位機(jī)，可實現(xiàn)爐溫自動準(zhǔn)確測量，同時，為后續(xù)進(jìn)行爐溫檢測研究奠定了一定基礎(chǔ)[10]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

在熱電偶自動檢定系統(tǒng)中，計算機(jī)閉環(huán)控制的整個工作過程大體上可分為3個步驟：1)數(shù)據(jù)采集，對來自熱電偶和智能儀表的熱電勢進(jìn)行檢測和輸入；2)數(shù)據(jù)處理，對采集到的熱電勢進(jìn)行分析和處理，并按一定的控制規(guī)律運(yùn)算進(jìn)行控制決策；3)控制輸出，根據(jù)控制決策對可控硅調(diào)壓器發(fā)出控制信號完成爐溫控制。本文著重論述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和爐溫控制系統(tǒng)的設(shè)計思想[11～13]。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。通過采樣將時間連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬信號；經(jīng)過量化,將幅值連續(xù)的模擬信號進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換為幅值離散的信號；通過編碼得到二進(jìn)制代碼。

圖1 A/D轉(zhuǎn)換器框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件由NI數(shù)字萬用表PXI—4070實現(xiàn)，軟件則由各種功能模塊構(gòu)成。

1.2 爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計

通過可控硅調(diào)壓器控制溫度控制系統(tǒng),可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)取決于可控硅調(diào)壓器中的觸發(fā)脈沖信號，即將模擬控制信號轉(zhuǎn)換，形成一系列有規(guī)律且疏密變化的脈沖序列，再結(jié)合同步電路的作用，改變可控硅導(dǎo)通角θ，通過控制檢定爐加熱電流實現(xiàn)對爐溫控制。

2 系統(tǒng)硬件與工作原理

系統(tǒng)硬件由熱電偶臥式檢定爐、0 ℃保溫瓶、S型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、被檢S型熱電偶、低電勢掃描開關(guān)、數(shù)字萬用表、退火裝置及退火爐等組成。工作時，計算機(jī)通過可控硅調(diào)壓器改變可控硅的導(dǎo)通角實現(xiàn)對爐溫的控制，在爐溫升至檢定點(diǎn)附近并保持?jǐn)?shù)分鐘使熱電偶達(dá)到熱平衡，爐溫變化率符合條件，系統(tǒng)發(fā)出指令，通過USB按順序讀取掃描開關(guān)各通道的熱電勢，通過RS—232接口控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理，以改變可控硅的導(dǎo)通角實現(xiàn)對爐溫的控制。各熱電偶熱電勢的巡回檢測、采集和數(shù)據(jù)處理，判斷數(shù)據(jù)的有效性均自動實現(xiàn)。工作原理框圖見圖2。

圖2 檢定系統(tǒng)的工作原理框圖

3 軟件開發(fā)

軟件設(shè)計主要依據(jù)貴金屬熱電偶檢定規(guī)程JJG141—2013。軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、溫度控制和數(shù)據(jù)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(tǒng)總體上大致由測量、控制和上位機(jī)三大模塊組成：測量模塊完成數(shù)據(jù)采集工作；控制模塊完成爐溫控制；上位機(jī)模塊計算機(jī)是系統(tǒng)控制中心，用來指揮和協(xié)調(diào)其它部分的執(zhí)行，具有運(yùn)算速度快，計算精度高，存儲信息量大等特點(diǎn)。

圖3 自動檢定系統(tǒng)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(jìn)行控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可控硅，所以采取普通位置式PID進(jìn)行控制爐溫。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，在實時溫度PV值接近設(shè)定值時，系統(tǒng)總是在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)生自振蕩而偏離設(shè)定值，很難穩(wěn)定在設(shè)定值，根據(jù)檢定規(guī)程對爐溫的要求，導(dǎo)致檢定工作無法順利進(jìn)行。以檢定點(diǎn)鋅點(diǎn)為例，設(shè)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(guān)閉，即相當(dāng)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(yīng)用于檢定系統(tǒng)的爐溫控制中，取得了非常好的控制效果。為了與圖5進(jìn)行控制效果的比較，同樣,以檢定點(diǎn)鋅點(diǎn)為例，達(dá)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(jìn)行檢定爐溫控制。

圖5 模糊PID爐溫控制曲線

4 系統(tǒng)調(diào)試與投運(yùn)

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

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

第一個檢定點(diǎn)檢定完畢，進(jìn)入下一個檢定點(diǎn)，設(shè)定溫度660.623 ℃，即鋁點(diǎn)，爐溫繼續(xù)上升，約38 min進(jìn)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(diǎn)該溫度下爐溫控制曲線如圖6(b)。

圖6 檢定點(diǎn)爐溫控制曲線

第三個檢定點(diǎn)銅點(diǎn)1 084.62 ℃，由于溫度已經(jīng)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(diǎn)該溫度下爐溫控制曲線如圖6(c)。

5 結(jié) 論

設(shè)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(tǒng)，并取得了以下幾點(diǎn)成果：1)根據(jù)熱電偶自動檢定系統(tǒng)越來越趨于智能化的需求，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)、PID控制技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)，使用LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)軟件，并通過對實驗室4支被檢工作用S型熱電偶進(jìn)行檢定，其檢定結(jié)果與當(dāng)?shù)鼐哂袩犭娕紮z定資質(zhì)的參數(shù)基本一致，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有較強(qiáng)的實用價值和研究意義。2)詳細(xì)介紹了檢定系統(tǒng)在開發(fā)平臺LabVIEW中的實現(xiàn)，嚴(yán)格按照檢定規(guī)程，完成了硬件平臺的搭建和軟件模塊的實現(xiàn)，程序的模塊化設(shè)計也使系統(tǒng)軟件程序簡單化。3)提出了PID結(jié)合模糊控制的溫度控制策略，取二者優(yōu)點(diǎn)整合，構(gòu)造了模糊PID控制器，將其應(yīng)用到檢定系統(tǒng)的爐溫控制中，取得了非常好的控制效果。

[1] 旋石嬋,楊 艷,鄭自成.CTMM—TCM—6熱電偶自動檢定系統(tǒng)在韶鋼的應(yīng)用[J].科技視界,2012(8):71.

[2] 孟卓珩,方信昀,包可瑜.工作用高溫?zé)犭娕既砍虣z定計算軟件的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計量與測試技術(shù),2013,40(3):37-39.

[3] 邸嘉欣,欒哲江,劉浩文.熱電偶檢定系統(tǒng)的研究[J].科技向?qū)?2015(18):227.

[4] Zhu Minling.A thermometer based on diverse types thermo-couples and resistance temperature detectors[J].Shanghai Jiaotong Univ:Sci,2015,20(1):93-100.

[5] Orr G,Roth M.Safe and consistent method of spot-welding platinum thermocouple wires and foils for high temperature measurements[J].Review of Scientific Instruments,2012,83:223-228.

[6] 趙 靜,吳寶杰.自動檢定系統(tǒng)在電力企業(yè)中的應(yīng)用[J].熱點(diǎn)技術(shù),2015(2):39-41.

[7] 劉良群,郭 強(qiáng),付玉祥.工業(yè)熱電偶自動檢定系統(tǒng)研究[J].質(zhì)量與安全,2015,29:210.

[8] 汪 輝,稅愛社,宗福興,等.基于SKPCA的衛(wèi)星整流罩空調(diào)系統(tǒng)傳感器故障檢測研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(2):23-27.

[9] 馬賽飛，劉 鈞，馬尚昌.智能溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(4)：97-99.

[10] 劉 源，張文斌，劉雪揚(yáng)，等.電磁導(dǎo)航智能車和控制系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012,31(4)：63-66.

[11] 薛鵬飛,袁圣付,林 夕.用于化學(xué)激光器上的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(6):75-77，81.

[12] 李文濤,姜 衛(wèi).熱電偶檢定系統(tǒng)分析及測量結(jié)果不確定度評定[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2014(22):82-84.

[13] 崔 巍.溫度測量系統(tǒng)現(xiàn)場檢定方法研究[J].同煤科技,2013 (4):32-34.

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(xué)基金資助項目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項目(2013FZ021)；中國博士后科學(xué)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(dǎo)師，主要從事光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用方面的研究工作，E—mail:1625677252@qq.com。