一種工作用S型熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650051)

一種工作用S型熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)間和控溫精度，基于LabVIEW設(shè)計(jì)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(yǔ)言LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)軟件，并對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)用價(jià)值。

熱電偶； LabVIEW； 自動(dòng)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(dòng)完成，借用直流電位差計(jì)調(diào)節(jié)電壓使溫度在檢定點(diǎn)附件保持穩(wěn)定[1]，通過(guò)手動(dòng)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(guò)程中需要將熱電勢(shì)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(yàn)，對(duì)人員提出了很高的要求，而且人工操作會(huì)帶來(lái)不必要的人為因素[3～5]。

在計(jì)算機(jī)及其軟硬件技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們對(duì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的要求已經(jīng)趨于智能化和一體化，對(duì)精度的要求也越來(lái)越高[6，7]。當(dāng)前自主開發(fā)的熱電偶自動(dòng)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(wú)法隨意更改其參數(shù)，修改和升級(jí)比較麻煩；限于當(dāng)時(shí)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(shí)間較長(zhǎng)。汪輝,稅愛社通過(guò)整流罩空調(diào)系統(tǒng)傳感器故障檢測(cè)模型,對(duì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)[8],可依據(jù)實(shí)際情況對(duì)檢測(cè)模型進(jìn)行實(shí)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(shí)時(shí)對(duì)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(yǔ)言LabVIEW和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開發(fā)了上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)爐溫自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)，為后續(xù)進(jìn)行爐溫檢測(cè)研究奠定了一定基礎(chǔ)[10]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

在熱電偶自動(dòng)檢定系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制的整個(gè)工作過(guò)程大體上可分為3個(gè)步驟：1)數(shù)據(jù)采集，對(duì)來(lái)自熱電偶和智能儀表的熱電勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)和輸入；2)數(shù)據(jù)處理，對(duì)采集到的熱電勢(shì)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(duì)可控硅調(diào)壓器發(fā)出控制信號(hào)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(jì)思想[11～13]。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖1所示。通過(guò)采樣將時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬信號(hào)；經(jīng)過(guò)量化,將幅值連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行量化轉(zhuǎn)換為幅值離散的信號(hào)；通過(guò)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(wàn)用表PXI—4070實(shí)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(jì)

通過(guò)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(hào)，即將模擬控制信號(hào)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(guò)控制檢定爐加熱電流實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)掃描開關(guān)、數(shù)字萬(wàn)用表、退火裝置及退火爐等組成。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)可控硅調(diào)壓器改變可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)USB按順序讀取掃描開關(guān)各通道的熱電勢(shì)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。各熱電偶熱電勢(shì)的巡回檢測(cè)、采集和數(shù)據(jù)處理，判斷數(shù)據(jù)的有效性均自動(dòng)實(shí)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(jì)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(yǔ)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(cè)量、控制和上位機(jī)三大模塊組成：測(cè)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(jì)算機(jī)是系統(tǒng)控制中心，用來(lái)指揮和協(xié)調(diào)其它部分的執(zhí)行，具有運(yùn)算速度快，計(jì)算精度高，存儲(chǔ)信息量大等特點(diǎn)。

圖3 自動(dòng)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(duì)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在實(shí)時(shí)溫度PV值接近設(shè)定值時(shí)，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(duì)爐溫的要求，導(dǎo)致檢定工作無(wú)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(shí)時(shí)溫度，MV為被控對(duì)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(wèn)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(dòng)檢定系統(tǒng)，爐溫升到檢定點(diǎn)附近±5 ℃時(shí)，需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)偶連續(xù)采集溫度5個(gè)周期，每個(gè)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(duì)被檢偶進(jìn)行熱電勢(shì)采集，每個(gè)檢定點(diǎn)用時(shí)約50 min。系統(tǒng)在判斷變化率方面，通過(guò)設(shè)置采集時(shí)間來(lái)取曲線上連續(xù)的兩點(diǎn)，取其差值除以采集時(shí)間得到該點(diǎn)的爐溫變化率。

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

第一個(gè)檢定點(diǎn)檢定完畢，進(jìn)入下一個(gè)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(shì)采集，此時(shí)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(gè)檢定點(diǎn)銅點(diǎn)1 084.62 ℃，由于溫度已經(jīng)超過(guò)了1 000 ℃，此時(shí)爐溫上升不明顯，這個(gè)過(guò)程用時(shí)約40 min，此時(shí)，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(jì)了一種基于虛擬儀器的工作用S型熱電偶自動(dòng)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(dòng)檢定系統(tǒng)越來(lái)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使用LabVIEW開發(fā)了上位機(jī)軟件，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)用價(jià)值和研究意義。2)詳細(xì)介紹了檢定系統(tǒng)在開發(fā)平臺(tái)LabVIEW中的實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)格按照檢定規(guī)程，完成了硬件平臺(tái)的搭建和軟件模塊的實(shí)現(xiàn)，程序的模塊化設(shè)計(jì)也使系統(tǒng)軟件程序簡(jiǎn)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。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013);昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)目(KKSY201303004);云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013FZ021)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助(一等資助)項(xiàng)目(2014M552552XB)

谷紅霞(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器，測(cè)試計(jì)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。