基于虛擬儀器的熱電偶檢定系統(tǒng)—數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

1、畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子

2、版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交

3、論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程

4、序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3

5、）其它基于虛擬儀器的熱電偶檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)摘 要熱電偶是廣泛應用于工業(yè)和科研領域中的一種測溫傳感器，作為現(xiàn)代檢測技術和儀器儀表工業(yè)的主要工具，它的準確與否直接關系到制造商與用戶的經濟利益。為了確保熱電偶溫度計測溫的準確性，不僅在出廠時要對它進行嚴格檢定，而且在隨后的使用中還要進行周期性檢定。隨著計算機在各個領域中的發(fā)展和廣泛應用，標準熱電偶檢定工作也由過去傳統(tǒng)的人工手動操作，發(fā)展到現(xiàn)在的計算機自動檢定，即采樣、控制、數(shù)據(jù)處理、顯示、保存、打印檢定記錄等整個過程都可由計算機來完成，解決了熱電偶手動檢定數(shù)據(jù)計算繁瑣、誤差較大、檢定過程耗費時間長的問題，使標準熱電偶整體檢測水平得到了相應的

6、提高。基于上述形勢，本論文利用現(xiàn)代計算機控制技術和數(shù)據(jù)采集技術，以及豐富的軟、硬件資源，論述了一種新型的標準熱電偶計算機自動檢定系統(tǒng)的研制方法。系統(tǒng)選用先進的集成數(shù)據(jù)采集卡和功能強大的labview虛擬儀器技術，構建了一種新型熱電偶自動檢定系統(tǒng)。此系統(tǒng)界面友好，操作靈活方便，而且可移植性和重用性強。關鍵詞：熱電偶；自動檢定；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器the calibration system of thermocouples based on virtual instrument data acquisition and processing system abstractthermocouple

7、is a sort of temperature sensor, which is used extensivly in industry and scientific field. as the important means of temperature measurement and industry in the modern society,its accuracy directly relates the economy benefits of the manufacturers and the users. to ensure the thermocouples veracity

8、, it must be calibrated strictly before it leave factory, and be calibrated periodically in the process of use it.with the further developing and wide application for computer in the various fields, the calibrating work for standard thermocouple has being developed from the past traditional manual o

9、peration to automation. computer can complete the calibrating inculding sampling、controlling、processing data、displaying、saving and printing calibrating records. so the automatic calibration system not only resovlved a series of problems such as detailed data-calculating,major errors,time-wasting and

10、 so on,but also improved the technique.based on above-mentioned situations, this thesis makes use of morden computer contorl and data acquisition technology with abundant software and hardware resources ,and expounds the research of a new kind of automatic calibration system.the system uses the adva

11、nced daq and the powerful function labview virtual instrument technology,which designs the new automatic calibration system for thermocouple. it has friendly interface, and can be operated conveniently , moreover, it can be transplanted and repeated used.key words: thermocouple; automatic test; data

12、 acquisition; virtual instrument目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 課題的研究背景及發(fā)展概況11.2 課題研究的主要內容4第二章 虛擬儀器的基本知識52.1 虛擬儀器基本概念52.2 虛擬儀器發(fā)展方向9第三章 熱電偶簡介113.1 熱電偶基本概念與測溫原理113.1.1 熱電偶的基本概念113.1.2 熱電偶的測溫原理153.2 標準熱電偶的檢定163.3 熱電偶檢定的數(shù)據(jù)處理18第四章 基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)的設計194.1 系統(tǒng)總體設計194.2 爐溫控制系統(tǒng)設計204.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計224.3.1 數(shù)據(jù)采集原理224.3

13、.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)23第五章 熱電偶檢定系統(tǒng)的硬件配置245.1 daq系統(tǒng)設計245.1.1 信號調理卡245.1.2 數(shù)據(jù)采集卡255.1.3 daq硬件配置255.2 熱電偶檢定爐265.3 jkh-c2型可控硅移相觸發(fā)器/調壓器275.4 零點恒溫器295.5 計算機配置29第六章 熱電偶檢定系統(tǒng)的軟件設計與開發(fā)306.1 軟件系統(tǒng)的整體設計306.2 軟件設計316.2.1 登陸系統(tǒng)子vi316.2.2 初始設置子vi336.2.3 預警系統(tǒng)子vi346.2.4 數(shù)據(jù)采集子vi366.2.5 數(shù)據(jù)記錄與讀取子vi386.2.6 溫度曲線子vi386.2.7 誤差與修正曲線子vi

14、406.3 檢定結果分析41第七章 總結43參考文獻44附錄a總系統(tǒng)前面板46附錄b總系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖47致謝48第一章 緒論1.1 課題的研究背景及發(fā)展概況熱電偶是我國目前工業(yè)常用的感溫傳感器，通常與溫度儀表配套使用，廣泛應用于工業(yè)生產、國防工業(yè)及科研中。在使用過程中由于受到測量環(huán)境、介質氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護管材料的沾污等影響，使用一段時間后，其熱電特性會發(fā)生變化，尤其是在高溫、腐蝕性氣氛以及特殊工況下，這種影響就更嚴重。當熱電偶的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，熱電偶作為溫度計量器件，不僅在出廠時要對它進行嚴格檢定，而且必須按照國家

15、檢定規(guī)程和校準規(guī)范要求進行定期檢定，以此確定其誤差大小，根據(jù)誤差的大小決定被檢熱電偶是否可以繼續(xù)使用，如果誤差大小在相關檢定規(guī)程的范圍內，則給出其修正值，否則，判為不合格。早期的工業(yè)熱電偶檢定由人工操作完成，這種方式是憑借操作人員的經驗將溫度逐個控制到每一個溫度檢定點，然后盡量將其穩(wěn)定下來，加以檢定。在檢定過程中，操作員一方面要記錄每一熱電偶的數(shù)據(jù)，另一方面還要進行熱電偶的切換。這種方法難以保證穩(wěn)定時的精度，另外手工操作時間較長，存在著較大的延時誤差，同時人為因素太大，因此，難以保證熱電偶檢定中嚴格的技術要求。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，90年代初人們開始研制工業(yè)熱電偶自動檢定裝置以解決現(xiàn)場儀表

16、的自動校準工作。在自動校準系統(tǒng)研制的初期，熱電偶的校準需要購買很多設備(恒溫爐、測量儀器等)，這些設備大部分是從不同廠家購買的，它們本身都帶有相應的軟件，但這些軟件之間是不能集成并相容的，因此，許多工作還是人工完成的，這時可以稱為半自動檢定。隨著進一步的研究和開發(fā)，出現(xiàn)了成套的熱電偶自動檢定系統(tǒng)，這一系統(tǒng)把各個設備的控制、測量以及結果的處理、保存、打印等功能集中在一套軟件中，從而真正實現(xiàn)了自動檢定和校準。但這一系統(tǒng)價格昂貴，不能充分利用現(xiàn)有硬件資源，需要從開發(fā)商重新購買控溫器、掃描開關、電測儀表等硬件及其相關軟件，造成了資源的極大浪費。并且這些系統(tǒng)在程序的編制上，采用了傳統(tǒng)的編程語言，編程耗費

17、的時間比較長，依賴于專業(yè)程序員和特定的編程語言。另外，系統(tǒng)一經形成，無法隨意更改其相應參數(shù)，不能使溫度計量工程師對該系統(tǒng)進行修改和更新。虛擬儀器是計算機技術和現(xiàn)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(shù)據(jù)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。目前無論國內還是國外，都對行業(yè)標準化有了足夠的重視，但在我國畢竟起步較晚，對計量技術自動化和標準化的建設才剛剛開

18、始，介紹國外計量行業(yè)檢定技術的材料寥寥無幾。總體上說，國外在檢定精度上發(fā)展較快。上個世紀末國內電子儀器儀表市場幾乎完全被國外擁有先進技術的產品所占領。近幾年來，在國家大力扶持下，一些技術先進的儀器儀表廠家逐漸興起，國內對熱電偶自動檢定技術的研究正處于百家爭鳴的時代，所研制的檢定設備也層出不窮。就調查所得的情況來看，可歸納為以下兩大類：(1)微處理器型。這種類型的檢定設備，是以各種各樣的微處理器為智能核心，自組專用cpu系統(tǒng)，將檢測、控制和數(shù)據(jù)處理等各項功能設計在一塊線路板上或一個機箱內。其優(yōu)點是體積小，成本低，儀表自動化程度高。其缺點是開發(fā)階段投資多，工作量大，線路復雜，專業(yè)性強，技術難度高，

19、而且在顯示及打印輸出方面功能有限，故不易推廣使用。(2)通用微型計算機型。這種類型的熱電偶檢定設備，直接利用目前迅速發(fā)展的計算機控制技術進行開發(fā)，專門設計一個通信檢測接口，利用計算機強大的智能控制和數(shù)據(jù)處理功能，結合可視化操作界面和高級程序設計語言，配合鍵盤、鼠標和打印機輸入輸出。其優(yōu)點是開發(fā)環(huán)境優(yōu)越，技術難度和工作量小，檢定精度高，人機交互界面友好，功能齊全完善，故易于推廣使用。其缺點是成本高，體積大，檢定系統(tǒng)會占用一定的計算機資源。而虛擬儀器技術正是基于計算機系統(tǒng)的測控解決方案，區(qū)別于把計算機技術融入儀器內部的智能儀器，它將各種計算機平臺，測量控制儀表和其他的硬件、軟件和附件按用戶自己的需

20、要靈活組建，構成特定的智能測控系統(tǒng)，實現(xiàn)面向用戶的特定功能。這樣可以充分利用現(xiàn)有硬件資源，自由構建工業(yè)熱電偶自動檢定系統(tǒng)。隨著科學技術的發(fā)展，熱電偶的檢定還會出現(xiàn)更好的方法。因此，我還對熱電偶檢定做了如下的展望：熱電偶的檢定過去都是由人工操作完成的，這不僅工作效率低，而且會引起人為誤差。隨著計算機應用的普及和數(shù)字化儀表的發(fā)展，近十幾年來，國內外在熱電偶檢定自動化方面作了不少研究，有了很大發(fā)展。本文從溫度自動檢定系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀出發(fā)，提出了基于labview的工業(yè)熱電偶自動檢定系統(tǒng)。labview編程的主要特點就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊，模塊的引腳代表輸入/輸出接口。編程者可以通

21、過交互式手段，采用圖形化框圖設計的方法，完成虛擬儀器的測量控制功能設計。labview編程的另一個優(yōu)點是將軟件的界面設計與功能設計獨立開來，修改人機交互界面無需對整個程序進行調試，這對設計像儀器操作面板這樣復雜的人機界面而言是十分方便的。目前，工業(yè)熱電偶的檢定基本上仍是在溫度計量實驗室內完成的。而很多時候，工業(yè)熱電偶是被安裝在現(xiàn)場測溫，若要把它們拆卸下來放到實驗室去檢定是比較麻煩的。另一方面，熱電偶熱電阻在現(xiàn)場環(huán)境下長期使用后，材料成分發(fā)生了不均勻變化，熱電特性也發(fā)生了變化，而要在實驗室中查看清楚這種熱電特性的變化是不現(xiàn)實的。唯一可行而有實際意義的做法是在所使用的現(xiàn)場條件下，通過檢定查看其熱電

22、特性變化。因此，在線檢定是自動檢定以外熱電偶檢定方面的又一個趨勢。此外，在現(xiàn)已進行的工作基礎上，對本課題的研究作以下構想：1、改進檢定爐，使之能夠提供各種工業(yè)常用標準熱電偶檢定的溫場環(huán)境；2、對爐溫控制做進一步研究，實現(xiàn)計算機自動控制系統(tǒng)的精密控溫；3、改進軟件系統(tǒng)，擴充系統(tǒng)功能和完善視窗畫面效果；4、引進先進設備，提高檢定系統(tǒng)的測量精度；5、建立功能強大的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)處理更趨合理。1.2 課題研究的主要內容本論文以現(xiàn)代工業(yè)中生產和使用的標準熱電偶為研究對象，通過了解它的熱電特性、工作原理和檢定方法，結合溫度計量和計算機軟、硬件設計的技術，遵照標準熱電偶檢定的步驟和規(guī)程，依托計算機虛

23、擬儀器技術來實現(xiàn)熱電偶檢定的自動化。最終目的是使人們能夠在計算機上通過清晰的人機界面以菜單和圖形方式將實驗數(shù)據(jù)輸入計算機，然后由計算機自動控溫、自動檢定、自動數(shù)據(jù)處理、自動打印檢定結果，提高工作效率和檢定精度。系統(tǒng)的硬件方面，檢定爐選用本學校實驗室的回轉式管式電阻爐，數(shù)據(jù)采集卡選用美國ni公司出品的pci-6221數(shù)據(jù)采集卡。系統(tǒng)的主控部分是配有鍵盤、鼠標和打印機的計算機系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件方面，選用美國ni公司開發(fā)的labview8.5來編寫程序?；谔摂M儀器的開放性和圖形化模塊式編程特點，可按不同的校準要求構建系統(tǒng)，使用方便、快捷，而且系統(tǒng)可移植性和重用性強。第二章 虛擬儀器的基本知識2.1

24、虛擬儀器基本概念虛擬儀器（virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。20年來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛

25、擬儀器的圖形化數(shù)據(jù)流語言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入1。虛擬儀器的發(fā)展過程：1、gpibvsipxi總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）。gpib 于1978年問世，vxi于1987年問世，pxi于1997年問世。2、pc插卡并口式串口usb方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景）。pc插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口usb方式于1999年問世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：(1)計算機是載體；(2)軟件是核心；(3)高質量的a/d采集卡及調理放大器是關鍵。虛擬儀器

26、由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以pc為基礎的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、vxi總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢：1、性能高虛擬儀器技術是在pc技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成的pc技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包

27、括功能超卓的處理器和文件i/o，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。2、擴展性強 ni的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于ni軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。3、開發(fā)時間少在驅動和應用兩個層面上，ni高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。ni設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，

28、同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。4、無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。ni的虛擬儀器軟件平臺為所有的i/o設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性2。虛擬儀器的發(fā)展隨著計算機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：1、pc總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如labview相結合。labvi

29、ew/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言visual c+，visual basic，labviews/cvi構成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受pc機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，isa總線的虛擬儀器已經淘汰，pci總線的虛擬儀器價格比較昂貴。2、并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀

30、、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國link公司的dso-2xxx系列虛擬儀器，它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式pc機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。3、gpib總線方式的虛擬儀器gpib技術是ieee488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的gpib系統(tǒng)由1臺pc機、1塊gpib接口卡和若干臺bpib形式的儀器通過gpib電纜連接而成。在標準情況下，1塊gpib接口可帶多達14

31、臺儀器，電纜長度可達40米。gpib技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。gpib測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。4、vxi總線方式虛擬儀器vxi總線是一種高速計算機總線vme總線在vi領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的rfi/emi屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發(fā)展，vxi系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動

32、測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建vxi總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。5、pxi總線方式虛擬儀器pxi總線方式是pci總線內核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的。pxi具有高度可擴展性。pxi具有8個擴展槽，而臺式pci系統(tǒng)只有34個擴展槽，通過使用pcipci橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式pc的性能價格比和pci總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺3。虛擬儀器在國際上早已進入實用階段，在我國雖剛起步，但發(fā)展迅速，已在電子測量、物理探傷、電子工程、振動分析、聲學分析、物礦勘探、故障分析及教學科研等方

33、面的數(shù)據(jù)采集和分析中廣泛應用。labview（laboratory virtual instrument engineering）是一種圖形化的編程語言，由美國國家儀器（ni）公司研制開發(fā)的，類似于c和basic開發(fā)環(huán)境，但是labview與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而labview使用的是圖形化編輯語言g編寫程序，產生的程序是框圖的形式。與c和basic一樣，labview也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。labview的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、gpib、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等等。labview也有傳統(tǒng)的程序

34、調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調試。它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview集成了與滿足gpib、vxi、rs-232和rs-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內置了便于應用tcp/ip、activex等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 圖形化的程序語言，又稱為“g”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術

35、語、圖標和概念，因此，labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 所有的labview應用程序，即虛擬儀器（vi），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結器(icon/connector)三部分。利用labview，可產生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32位編譯器。像許多重要的軟件一樣，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多種版本。它主要的方

36、便就是，一個硬件的情況下，可以通過改變軟件，就可以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能4。2.2 虛擬儀器發(fā)展方向虛擬儀器精確的采樣，及時的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸使其在自動控制領域和工業(yè)控制領域得到廣泛的應用。它以計算機發(fā)展為平臺，更迎合了在當今信息社會各行各業(yè)向智能化、自動化、集成化發(fā)展的趨勢。它的靈活性，軟、硬件的標準化令其在儀器計量領域逐漸取代傳統(tǒng)儀器。pc技術與嵌入式系統(tǒng)融合發(fā)展，使虛擬儀器的功能得以進一步的發(fā)展，如更多的嵌入式和實時功能。隨著pc技術和相關科技的發(fā)展，虛擬儀器技術已成為一項前沿學科，代表著儀器發(fā)展的最新方向，不斷地被推向各個新的領域。隨著計算機、通信、微電子技術的不斷發(fā)展，以及

37、網絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，網絡技術應用到虛擬儀器領域是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。使用網絡化虛擬儀器，可使任何地點、任意時刻獲取測量數(shù)據(jù)信息的愿望得到實現(xiàn)。網絡化虛擬儀器也適合異地或遠程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等。與以pc機為核心的虛擬儀器相比，在不遠的將來，網絡化虛擬儀器將是儀器發(fā)展中的又一次革命5。第三章 熱電偶簡介3.1 熱電偶基本概念與測溫原理3.1.1 熱電偶的基本概念熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定

38、了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量，這里我們主要介紹標準熱電偶。目前國際上規(guī)定了以下8種標準熱電偶：s型、r型、b型、k型、n型、t型、e型和j型。我國從1988年1月1日起，熱電偶全部按國際標準生產，并指定s，b，e， k，r，j，t七種標準熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。下面對這8種標準熱電偶做一些介紹。s型熱電偶即鉑銠10-鉑熱電偶，它是一種貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm，其正極(sp)的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為

39、10%，含鉑為90%。負極(sn)為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最高使用溫度為1300，短期最高使用溫度為1600。s型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用與氧化和惰性氣氛中，使用廣泛。s型熱電偶的缺點是熱點率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。r型熱電偶即鉑銠13-鉑熱電偶，它是一種貴金屬熱電偶。偶絲直徑規(guī)定為0.5mm，允許偏差-0.015mm，其正極（rp）的名義化學成分為鉑銠合金，其中含銠為13%，含鉑為87%，負極（rn）為純鉑，長期最高使用溫度為1300

40、，短期最高使用溫度為1600。r型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。其物理、化學性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。由于r型熱電偶的綜合性能與s型熱電偶相當，在我國一直難于推廣，除在進口設備上的測溫有所應用外，國內測溫很少采用。1967年至1971年間，英國npl，美國nbs和加拿大nrc三大研究機構進行了一項合作研究，其結果表明，r型熱電偶的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性比s型熱電偶均好，我國目前尚未開展這方面的研究。 r型熱電偶不足之處是熱電勢，熱電勢率較小，靈敏讀低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴，因而一

41、次性投資較大。b型熱電偶即鉑銠30-鉑銠6熱電偶。它是一種貴金屬熱電偶。偶絲線徑規(guī)定為0.5mm，其正極(bp)和負極(bn)的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶，該熱電偶長期最高使用溫度為1600，短期最高使用溫度為1800。b型熱電偶具有準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中。它還有一個明顯的優(yōu)點是參比端不需進行冷端補償，因為在050范圍內，熱電勢小于3v。b型熱電偶缺點是熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。k型熱電偶即鎳鉻-鎳

42、硅熱電偶，它是一種能測量較高溫度的廉價金屬熱電偶。由于這種合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質中。它可長期測量1000的高溫，短期可測到1200。它不能用于還原性介質中，否則，很快腐蝕，在此情況下只能用于500以下的測量。它比s型熱電偶要便宜很多，它的重復性很好，產生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。雖然其測量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測溫要求，所以它是工業(yè)上最常用的熱電偶。n型熱電偶即鎳鉻硅鎳硅鎂熱電偶，它是一種廉價金屬熱電偶，熱電偶的正極（np）為名義值13.714.7%的鉻和1.21.6%的硅及0.01%的鎂與鎳合金，負極（nn）為名義值4.24.6%的硅和0

43、.51.5%的鎂及0.02%的鉻與鎳合金。它是一種最新國際標準化的熱電偶，是在70年代初由澳大利亞國防部實驗室研制成功的。它克服了k型熱電偶的兩個重要缺點：k型熱電偶在300500間由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定；在800左右由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定。n型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點，其綜合性能優(yōu)于k型熱電偶，是一種很有發(fā)展前途的熱電偶。 n型熱電偶不能直接在高溫下用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中和真空中，也不推薦用于弱氧化氣氛中6。t型熱電偶即銅-康銅熱電偶，也是

44、一種最佳的測量低溫的廉價金屬熱電偶。它的正極（tp）是純銅，負極（tn）為銅鎳合金，常稱之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅en通用，與鐵-康銅的康銅jn不能通用，盡管它們都叫康銅，銅-康銅熱電偶的測量溫區(qū)為-200350。t型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，特別在-2000溫區(qū)內使用，穩(wěn)定性更好，穩(wěn)定性可小于3v，經低溫檢定可作為二等標準進行低溫量值傳遞。t型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。e型熱電偶即鎳鉻-銅鎳熱電偶又稱鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。其正極(ep)為鎳鉻10合金，化學成分與kp相同，負極(e

45、n)為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、45%的鎳及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。e型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。j型熱電偶即鐵-康銅熱電偶，它是一種價格低廉的廉價金屬的熱電偶。它的正極（jp）的名義化學成分為純鐵，負極（jn）為銅鎳合金，常被含糊地稱之為康銅，其名義化學成分為：55%的銅和45%的鎳以及少量卻十分重要的錳，鈷，鐵等元素，盡管它叫康銅，但不同于鎳鉻-康銅和銅-康銅的康銅，故不能用en和tn來替換。鐵-康銅熱電偶的覆蓋

46、測量溫區(qū)為-2001200，但通常使用的溫度范圍為0750。j型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點，廣為用戶所采用。j型熱電偶可用于真空、氧化、還原和惰性氣氛中，但正極鐵在高溫下氧化較快，故使用溫度受到限制，也不能直接無保護地在高溫下用于硫化氣氛中。熱電偶產生測量誤差有3個原因：一是在制造時，熱電偶材料由于受到外力的作用而產生應力，造成應力分布的不均勻；二是在使用中往往會受到其他化學成分的影響而使得材料成分發(fā)生變化；三是使用中產生的誤差。后者因與工藝或生產過程有關，這里不再贅述，只討論前面2個原因。 根據(jù)jjg351-96工業(yè)用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程

47、規(guī)定，新制造或使用中的熱電偶必須經檢驗合格后方可使用。然而，在檢定過程中經常會出現(xiàn)一些超出允許誤差的檢定偏差。出現(xiàn)這種情況是由于熱電偶由2個不同的金屬導體制成，導體內自由電子的運動產生熱電勢，它與制作熱電偶熱電極的材料均勻性有關。若熱電極材料不均勻，兩熱電極又處于溫度梯度中，則熱電偶回路中就會產生一個附加電勢。此附加電勢的存在會使熱電偶的熱電特性發(fā)生變化，降低測溫的準確性。而造成熱電極材料不均勻的主要原因有化學成分和物理狀態(tài)兩方面。 化學成分：(1)熱電極表面局部的金屬揮發(fā)和氧化。(2)熱電極中某些元素的選擇性氧化。(3)測溫氣氛、絕緣材料和保護套管材料對熱電極的局部玷污和腐蝕等。(4)材料的

48、性質改變。物理狀態(tài)：(1)雜質的存在。(2)應力分布的不均勻。實踐證明熱電偶的熱電特性因應力的影響而發(fā)生變化。在生產過程中，由于塑性形變和退火不均勻、不徹底，往往造成偶絲材料的應力分布不均勻；在安裝和使用過程中也會發(fā)生偶絲局部形變和加熱不均勻而使熱電極產生新的應力分布不均勻，從而使熱電極沿長度方向出現(xiàn)熱電特性不一致的現(xiàn)象，導致熱電勢發(fā)生變化。(3)晶體結構不均勻。熱電極的晶粒大小對熱電特性有影響。(4)測量端的熱擴散7。3.1.2 熱電偶的測溫原理熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的

49、塞貝克效應。如圖3.1所示，把兩種不同的導體(或半導體)a和b連接成閉合回路，當兩接點1與2的溫度不同時，如t to，則回路中就會產生熱電勢。導體a和b叫做熱電極，兩熱電極a和b的組合稱作熱電偶。在兩個接點中，接點1是將兩電極焊在一起，測溫時將它放入被測對象中感受被測溫度，故稱之為測量端、熱端或工作端；接點2處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端、冷端或自由端。熱電偶就是通過測量熱電勢來實現(xiàn)測溫的8。圖3.1熱電偶結構圖3.2 標準熱電偶的檢定所謂熱電偶檢定，是指為評定熱電偶的熱電特性是否合格而進行的全部工作。其中包括外觀檢查和在規(guī)定的溫度點檢查其熱電動勢的量值大小和穩(wěn)定程度是否符合標準規(guī)

50、范。熱電偶的檢定步驟和檢定周期按國家計量部門制訂的“檢定規(guī)程”進行9。我國的標準熱電偶檢定系統(tǒng)表也就是溫標的傳遞系統(tǒng)，見圖3.2.圖3.2標準熱電偶檢定系統(tǒng)圖工業(yè)熱電偶主要包括工作用貴金屬熱電偶和工作用廉價金屬熱電偶。工作用貴金屬熱電偶主要指鉑銠10-鉑(s型)、鉑銠13-鉑(r型)和鉑銠30-鉑銠6(b型)熱電偶。工作用廉價金屬熱電偶主要指鎳鉻-鎳硅(鋁)(k型)、鎳鉻硅-鎳硅(n型)、鎳鉻-康銅(e型)、鐵-康銅(j型)這四種熱電偶。本文主要針對工作用廉價金屬熱電偶的自動檢定進行研究，故下面將詳細論述工作用廉價金屬熱電偶的檢定。不同等級熱電偶在規(guī)定溫度范圍內，其允差應符合表3.1規(guī)定。表3

51、.1工作用廉金屬熱電偶測溫范圍及允差檢定時用可控硅調壓器來調節(jié)爐溫，當爐溫達到所需的檢定溫度點10內，且爐溫變化每分鐘不超過0.2時，就可以進行讀數(shù)。檢定可采用下列三種方法的任意一種方法。(1)雙極比較法：將同分度號同種規(guī)格的正、負極偶絲焊接成電偶，直接測量標準偶與被檢偶的熱電動勢。將熱電偶束插入爐膛內，并把熱電偶的冷端引入零度恒溫器內。先使爐溫恒定在檢定點溫度附近，然后從標準偶開始依次讀取各熱電偶的熱電勢，再按相反順序進行，每支讀數(shù)不應少于2次。(2)同名極比較法：將同型號的標準熱電偶與被檢熱電偶工作端捆在一起，在固定點上進行電極的比較。(3)微差法：將同型號的標準熱電偶與被檢熱電偶反向串聯(lián)

52、，直接測量其熱電勢差值。在本文中，我們采用的熱電偶檢定方法是同名極比較法。3.3 熱電偶檢定的數(shù)據(jù)處理本文主要針對工作用廉價金屬熱電偶，研究300-1200范圍內的檢定點，該范圍內熱電動勢誤差e用下式(3-1)計算： (3-1)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勢。被檢熱電偶在該檢定點的溫度示值誤差用式(3-2)計算： （3-2）該誤差應符合檢定規(guī)程要求，否則即為不合

53、格。第四章 基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)的設計4.1 系統(tǒng)總體設計本文設計的熱電偶自動檢定系統(tǒng)是基于虛擬儀器的，圖4.1是我所設計的基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)的總體設計方案圖。圖4. 1基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)裝置的總體設計方案圖接下來我將對這一系統(tǒng)做簡要的介紹?；谔摂M儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)的原理是首先把標準偶和被檢偶捆扎在一起，裝到管式檢定爐的最高溫區(qū)。熱電偶通過補償導線延長至冷端與銅導線相接，標準熱電偶直接連銅導線，將冷端置于冰點恒溫器中以保證其恒為零度。信號調理模塊將原始信號進行放大、濾波后，再經過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)送入計算機。計算機是熱電偶自動檢定系統(tǒng)過程的控制者

54、，它根據(jù)檢定工作的需要，通過可控硅調節(jié)器控制檢定爐溫度，通過數(shù)據(jù)采集卡接收數(shù)據(jù)，通過軟件程序實現(xiàn)自動檢定。根據(jù)測得的標準熱電偶熱電勢換算出當前的爐內溫度，并按照設定溫度點的要求控制控溫調壓器，改變檢定爐的加熱電流，從而實現(xiàn)檢定爐爐溫的自動控制。當檢定爐的爐溫達到某設定點的溫度要求時，計算機則控制數(shù)據(jù)采集程序打開指定的數(shù)據(jù)采集通道，錄入相應的標準偶和被檢偶數(shù)據(jù)。當所設定的溫度檢定點都檢測完畢，計算機則按檢定規(guī)程的要求做檢定計算，然后整理檢定結果并記錄數(shù)據(jù)，用戶可在計算機上隨時調出所有檢定報表，查看或打印?；谔摂M儀器的開放性和圖形化模塊式編程特點，可按不同的校準要求組合構建系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用方便、

55、快捷，而且可移植性和重用性強。由于本文是針對熱電偶檢定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理部分做的設計，因此我將對這一部分做重點的介紹10。熱電偶自動檢定系統(tǒng)具有以下的特點：(1)實現(xiàn)檢定過程的全自動化：從檢定方案選擇、爐溫控制、數(shù)據(jù)采集，到檢定結果分析、檢定證書和分度表的打印全過程實現(xiàn)自動。(2)用戶界面友好：具有參數(shù)輸入、通道設置、過程參數(shù)實時監(jiān)測等多種功能，并可根據(jù)用戶要求隨時增加或刪減部分功能。(3)提供多種檢定方案：可以采用雙極法、同名極法和微差法進行檢定，也可根據(jù)需要自定義檢定程序。(4)可以進行熱電偶的分度：新研制的和非標準化熱電偶在使用前都需要進行分度實驗，得到分度表及熱電性能的溫度曲線或參考

56、函數(shù)；某些熱電性能發(fā)生改變的標準化熱電偶也需要進行重新分度，本系統(tǒng)就可以提供這項功能，并可以根據(jù)用戶需要對分度點進行隨意設置11。4.2 爐溫控制系統(tǒng)設計基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)對檢定爐各項技術指標要求較高，整個檢定過程要求達到升溫快，恒溫時爐溫變化率不能超過0.5/min，且恒溫值要相對準確，偏離檢定溫度不超過0.5。本文對爐溫控制系統(tǒng)的設計思想來源于用電壓調整器控制可控硅導通角的原理。可控硅是一種大功率半導體元器件，它具有體積小、效率高、可以控制、動作迅速、無噪聲等優(yōu)點，是用來在溫度控制系統(tǒng)中調整交流電壓以控制電加熱器加熱功率的執(zhí)行元件?？煽毓璧膶〞r刻是由可控硅電壓調整器中的觸發(fā)

57、脈沖電路產生的脈沖信號決定的。可控硅控溫設備按其觸發(fā)控制電路觸發(fā)方式的不同，可分為可控硅調壓器與可控硅調功器。它們與電流輸出的調節(jié)儀表配套使用，用于控制檢定爐溫度。本系統(tǒng)選用可控硅調壓器把模擬控制信號變?yōu)槭杳茏兓拿}沖列，在同步電路的配合下，改變可控硅的導通角，就可以控制檢定爐中電流的大小，從而實現(xiàn)對爐溫的控制。這里使用的可控硅調壓器采用移相觸發(fā)控制電路，它主要由放大與觸發(fā)電路、反饋與預給電路、同步脈沖發(fā)生器和保護電路等部分組成。其控制系統(tǒng)原理圖如圖4.2所示。圖4.2可控硅調壓器控溫系統(tǒng)原理圖圖4.2中虛線框是移相觸發(fā)式可控硅調壓器，k是撥動開關，它有z(自動)位置和s(手動)位置。當k撥向