劉夢華文獻綜述

1、內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院測控專業(yè)畢業(yè)實習報告 文獻綜述題 目：基于虛擬儀器的熱電偶檢定系統(tǒng)設計學生姓名：劉夢華學 號：0705112210專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：測控07-2班指導教師：閆俊紅摘 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，但是在使用過程中，由于受到外界條件的影響，會使它的準確性降低，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，而且在隨后的使用過程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

2、都可由計算機來完成。解決了熱電偶手動檢定數(shù)據(jù)計算煩瑣、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提高。 基于上述形勢，本文利用現(xiàn)代計算機控制技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，論述了一種新型的標準熱電偶自動檢定系統(tǒng)。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(shù)，構(gòu)建了一種基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：熱電偶；虛擬儀器；自動檢定；數(shù)據(jù)采集目 錄摘 要I第一章 緒論11.1熱電偶型號的選擇11.2熱電偶的發(fā)展現(xiàn)狀21.3熱電偶的發(fā)展趨勢31.4熱電偶冷端溫度補償4第二章 熱電偶檢定系統(tǒng)的方案52.1標準熱電偶的檢定方法52.2熱電偶的測溫原理52.3

3、熱電偶檢定原理62.4基于虛擬儀器的熱電偶檢定系統(tǒng)原理圖6第三章 虛擬儀器的簡介83.1虛擬儀器的基本概念83.2虛擬儀器的組成93.3虛擬儀器的優(yōu)點9第四章 總結(jié)10參考文獻11第一章 緒論熱電偶是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的溫度檢測元件，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測溫范圍寬、測量精度高、動態(tài)性能好、使用方便以及容易維護等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應用于冶金、電力、化工等許多領域，尤其是在高溫環(huán)境的溫度測量中，占有相當重要的地位。它可以用來檢測-2001600的溫度，在特殊情況下，可測2800的高溫或4K的低溫，是目前工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的接觸式測溫元件1。1.1熱電偶型號的選擇由理論角度出發(fā)

4、，任何兩種不同的導體均可作為熱電極而組成熱電偶，但為了保證測溫精度和工程上的各項技術(shù)指標，按照工業(yè)標準化的要求，可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶兩種。所謂標準化熱電偶，是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶，其中5種熱電偶為鉑銠10-鉑熱電偶、鉑銠30-鉑銠6熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎳鉻-銅鎳熱電偶和銅-銅鎳熱電偶2。（1） 鉑銠10-鉑熱電偶（S型）鉑銠10-鉑熱電偶為貴金屬熱電偶，其正極（SP）的名義化學成分為鉑銠金屬，負極（SN）為純鉑，故俗稱單鉑銠熱電偶。該熱電偶長期最

5、高使用溫度為1300，短期最高使用溫度1600.S型熱電偶具有準確度高、測溫區(qū)寬、使用壽命長和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于氧化和惰性氣氛中，使用廣泛。（2）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型）鉑銠30-鉑銠6熱電偶為貴金屬熱電偶，其正極（BP）和負極（BN）的名義化學成分均為鉑銠金屬，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，也可短期用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中。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(nèi)其熱電動勢小于3uV。

6、（3）鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）鎳鉻-鎳硅熱電偶是目前用量最大的廉價金屬熱電偶，其用量約為其他熱電偶的總和。其正極（KP）的名義化學成分為：Ni：Cr=90：10；負極（KN）的名義化學成分為：Ni：Si=97：3。其使用溫度范圍為-2001300。K型熱電偶具有線性度好、熱電勢較大、靈敏度高、穩(wěn)定性和復現(xiàn)性好、抗氧化性強、價格低等優(yōu)點，能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、養(yǎng)花交替的氣氛中，也不能用于真空中。（4）鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）鎳鉻-銅鎳熱電偶又稱為鎳鉻-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

7、N）為銅鎳合金。該熱電偶使用溫度范圍為-200850。E型熱電偶電動勢之大、靈敏度之高書所有標準熱電偶之最，宜制成熱電堆來測量微小的溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境理，具有穩(wěn)定性好、抗氧化性能高、價格低等優(yōu)點，但不能在高溫下用于硫及還原性氣氛中。（5）銅-銅鎳熱電偶（T型）銅-銅鎳熱電偶又叫銅-康銅熱電偶。它是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）是銅鎳合金，俗稱為康銅。它的測量溫區(qū)為-200400，它的線性度好、熱電勢大、靈敏度高、穩(wěn)定性和復線性好、價格低。但T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化能力差，故使用上限受到限制。本設計選用比較常用的S型熱電偶與

8、K型熱電偶，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； K型熱電偶的測溫范圍寬、線性度好、熱電動勢較大、靈敏度高、抗氧化能力較強，在氧化和還原氣氛中輸出熱電勢都比較穩(wěn)定3。1.2熱電偶的發(fā)展現(xiàn)狀熱電偶由兩種不同金屬或合金組成閉合回路。它們的一端通常焊接在一起形成接點，稱為測量端(工作端或熱端)。而另一端置于被測溫場中其參考端恒定在某一溫度下(通常為0)，然后通過連接導線與測量儀表相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶中就有電動勢產(chǎn)生用測量儀表測得電動勢的數(shù)值后，便可間接知道相應的溫度或者直接由測量儀表指示出溫度4。熱電偶作為測溫元件，其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、

9、測溫精度較高，可就地測量和遠傳。在工作時，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量-2001600范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測量2000以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法，廣大技術(shù)工作人員在實際的測量檢測中已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗。然而廣泛應用于工業(yè)和科研中的熱電偶傳感器。由于受到測量環(huán)境、介質(zhì)氣氛、使用溫度以及絕緣材料和保護套管材料玷污等情況的影響，使用一段時間后，其熱電特性會發(fā)生變化。當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。除此之外由于熱電偶熱電勢和溫度之間的非

10、線性以及冷端溫度的不穩(wěn)定，影響了測溫精度。傳統(tǒng)的冷端及非線性補償方法主要有以下兩種3:一是基于硬件的補償，但補償電路復雜，成本較高，精度不夠；二是基于軟件的補償，通過微機進行擬合或插值實現(xiàn)修正，普通的軟件補償對工作人員編程能力要求較高，計算量大，實時性不是很好。因此，傳統(tǒng)補償方法在很多場合已經(jīng)不能適應現(xiàn)代測溫的要求。1.3熱電偶的發(fā)展趨勢國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)和制造商,根據(jù)工業(yè)過程自動化的檢測和控制要求,不斷設計和制造出許多新的熱電偶、熱電阻,目前的發(fā)展趨勢大致如下。（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鎧裝化鎧裝熱電偶與熱電阻具有壽命長、可彎曲、熱響應時間小、耐震動等的優(yōu)點,倍受用戶的青睞。它也將逐步地代替過去用絕緣

11、瓷珠穿絲的裝配結(jié)構(gòu)型式。（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝套管化由于熱電偶與熱電阻檢測元件實現(xiàn)了鎧裝化,因此可以做到整機與套管分離成兩部分,用戶可以預先將套管安裝在工業(yè)過程設備上,熱電偶或熱電阻可以在不停機情況下安裝或拆卸,設備中的介質(zhì)不會泄漏,既可靠又安全。（3）檢測、信號轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場顯示一體化隨著電子產(chǎn)品小型化,原來作為直流420mA或15V標準信號傳輸?shù)臒犭娕蓟驘犭娮柘盗械臏囟茸兯推?實際上應該叫信號轉(zhuǎn)換器)也已小型化,可以安裝在現(xiàn)場的熱電偶或熱電阻接線盒內(nèi)與熱電偶或熱電阻成為一體。對于熱電偶來說只需用兩根普通導線連接而不必使用較為昂貴的補償導線；對于熱電阻來說不必再使用三根導線檢測。信號轉(zhuǎn)換和顯示成為一

12、體的帶轉(zhuǎn)換器和帶顯示的熱電偶與熱電阻則可滿足現(xiàn)場顯示需要。近年來,現(xiàn)場總線已廣泛應用于許多自動化控制領域,帶智能型轉(zhuǎn)換器的熱電偶與熱電阻也已面世。它采用二線制420mA或數(shù)字化輸出,通過手持終端操作器接在420mA任意位置,實現(xiàn)數(shù)字信號通訊的現(xiàn)場或遠距離重調(diào)。它還具有PID的控制功能。在這種情況下,420mA作為控制輸出,過程變量是測量的溫度值,設置則可由操作者直接或使用一個可組態(tài)的設置操作器來調(diào)整,其輸出信號可接到執(zhí)行單元；同時信號的數(shù)字部分提供過程變量、輸出、設置和其他轉(zhuǎn)換參數(shù)或PID參數(shù)。1.4熱電偶冷端溫度補償在熱電偶冷熱端電勢關(guān)系中，有如下公式： EAB(t,0)= EAB(t,t0

13、)+EAB(t0,0) (1-1)其中，t為實測溫度； t0為冷端溫度；EAB(t,0)為冷端溫度為0時，熱電偶電勢輸出；EAB(t,t0)為冷端溫度為t0時，熱電偶電勢輸出；EAB(t0,0)為冷端補償電勢。上式中EAB(t,t0)可以直接從熱電偶輸出中檢測到，只要獲取冷端溫度t0，就可以由分度表換算出EAB(t0,0),進而求出EAB(t,0)。完成了冷端電勢補償，并通過分度表可換算出實測溫度t6。第二章 熱電偶檢定系統(tǒng)的方案2.1標準熱電偶的檢定方法（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熱電偶的熱電動勢。 （2）同名極比較法：將同型號的標準熱電

14、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：將同型號的標準與被檢熱電偶反向串聯(lián)，直接測量其熱電勢差值7。2.2熱電偶的測溫原理 熱電偶測溫是基于熱電效應。兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢8。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。 圖1熱電偶示意圖塞貝克效應EAB(T,T0)= EAB(T)+EB(

15、T,T0)- EAB(T0)-EA(T, T0)=Ln+d(NBT, T)Ln-Ln -d(NAT,T) (2-1)2.3熱電偶檢定原理基于虛擬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0度。信號調(diào)理模塊將原始信號進行放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)送入微機9。 2.4基于虛擬儀器的熱電偶檢定系統(tǒng)原理圖早期的工業(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(jīng)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

16、，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(shù)要求10。而基于虛擬儀器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)則可消除以上問題，它的總體框圖如圖2所示。圖2檢定系統(tǒng)的總體框圖由圖2 可知,檢定系統(tǒng)由3 部分組成11:溫度檢定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)調(diào)理與采集系統(tǒng)以及控制與處理系統(tǒng)。溫度檢定系統(tǒng)包括:(1) 檢定爐為高溫管形電阻電爐;(2) 冰點恒溫器的作用是保證熱電偶的冷端溫度保持在0 ,也可以使用冰點瓶;(3) 可控硅溫度調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)爐溫,使之在檢定點保持溫度恒定?；谔摂M儀

17、器的熱電偶自動檢定系統(tǒng)的原理12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(diào)理模塊將原始信號進行放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)送入微機。微機是熱電偶自動檢定系統(tǒng)過程的控制者，它根據(jù)檢定工作的需要，通過可控硅調(diào)節(jié)器控制檢定爐溫度，通過數(shù)據(jù)采集卡接受數(shù)據(jù)，通過軟件程序?qū)崿F(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(nèi)溫度，并按照設定溫度點的要求控制控溫調(diào)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，微機則控

18、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，微機則按檢定規(guī)程的要求做檢定計算，然后整理檢定結(jié)果并記錄數(shù)據(jù)，用戶可在微機上隨時調(diào)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(gòu)建系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用方便、快捷，而且可移植性和重用性強。第三章 虛擬儀器的簡介3.1虛擬儀器的基本概念所謂虛擬儀器，就是用戶在通用計算機平臺上，根據(jù)需求定義和設計儀器的測試功能，使得使用者在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺他自己設計的測試儀器一樣。VI以透明的方式把計算機資源（如微處理器、內(nèi)存、顯示器等）和儀器硬件（如A

19、D、DA、數(shù)字IO、定時器、信號處理等）的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對信號的分析處理、表達及圖形化用戶接口等13。應用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB、VXI、RS232、QAD板）和可重復使用原碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。原碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的VI系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。 由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是核心的特點，當用戶的測試要求變化時，可以方便地由用戶自己來增減硬軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試需求。這樣，當用戶從一個測試項目轉(zhuǎn)向另一個測試項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失已有的硬件和軟件資源。軟件是虛擬儀器的

20、核心，“軟件即儀器”形象地概述了軟件在VI中的重要作用。通過應用程序提供的儀器硬件接口，可以用透明的方式操作儀器硬件。能方便、有效地使用這類硬件?？刂浦T如萬用表、示波器、頻率計等特定儀器的軟件模塊就是所謂的儀器驅(qū)動程序（Instrument Drivers），它現(xiàn)在已經(jīng)成為應用軟件包的標準組成部分。這些驅(qū)動程序可以實現(xiàn)對特定儀器的控制與通信，成為用戶建立VI系統(tǒng)的基礎軟件模塊。除儀器硬件接口14（即儀器驅(qū)動程序）是VI應用軟件的標準模塊之外，用戶接口開發(fā)工具（User Interface Development Tools）不僅是通用語言的標準組成部分，而且也已成為VI應用軟件的標準組成部分。

21、而現(xiàn)在的VI軟件包括諸如菜單、表頭、可編程光標、紙帶記錄仿真窗和數(shù)字顯示窗等VI應用接口屬性。3.2虛擬儀器的組成虛擬儀器的組成包括硬件和軟件兩個基本要素15。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實測試中的被測信號，而軟件的作用是控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運行的命令環(huán)境。3.3虛擬儀器的優(yōu)點（1）圖形化和數(shù)據(jù)驅(qū)動式的開發(fā)環(huán)境；（2）靈活的程序調(diào)試手段和高速編程效率；（3）功能強大的函數(shù)庫；（4）支持多種系統(tǒng)平臺；（5）開放式的開發(fā)平臺。第四章 總結(jié)基于虛擬儀器的熱電偶檢定系統(tǒng),經(jīng)實際測試驗證了各項性能指標完全達到檢定要求,檢定時間大大縮短,爐溫控制質(zhì)量有所提高,數(shù)據(jù)處理功能強,具有數(shù)字和圖象顯示等功能。這套系統(tǒng)不但適合實驗室的計量實驗,而且也適合現(xiàn)場的在線校準。檢定程真正實現(xiàn)自動化,計量工程師只需設定檢定條件和檢定方案,其他工作完全由計算機完成,檢定效率大大提高,而且減少