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全自动热电偶温度检定系统设计论文

全自动热电偶温度检定系统设计

摘要

热电偶是一种常用的温度传感器，应用相当广泛。

在长期工作过程中，热电偶性能会发生改变，产生测温误差。

我国计量法规定，在热电偶的使用过程中需要进行周期性的检定和修正，以确保热电偶温度计测温的准确性。

论文在分析热电偶检定规程的基础上，介绍了热电偶自动检定系统的整体设计方案、硬件组成、软件设计和主要技术问题的解决方法。

选用HH54P小型继电器和开关量控制接口卡PC-6408，组成多通道扫描装置，配合高精度可程控的多功能测试仪表FLUKE289，实现检定数据的自动采集；采用模糊控制和PID控制相结合的算法，对检定炉温度进行控制，实现PID参数的自动整定，使炉温升温速度快、调节时间短、恒温效果好；系统监控软件采用模块设计方法，功能齐全，界面友好，操作灵活方便。

本论文所设计的热电偶自动检定系统，工作稳定，符合热电偶检定规程的要求，达到了设计要求。

系统具有很好的扩充性，可以方便简单地增加新的热电偶检定类型；缩短了检定时间，提高了工作效率；操作简单，减轻了劳动强度；自动检定，提高了自动化水平。

关键词：

热电偶；自动检定；模糊控制；PID参数整定；数据采集

AutomaticThermocoupleTemperatureCalibrationSystemDesign

Abstract

Thermocouplesarecommonly-usedtemperaturesensorsinmanymanufacturingprocesses，andhavefoundawiderangeofapplications．Afteralong-termrun，theperformanceofathermocouplemaychange，resultingintemperaturemeasurementerror．Therefore，theMetrologyLawinChinasstipulatesthatthermocoupleshavetobecalibratedperiodicallyinthecourseofitsusagetoensuretheaccuracyofthetemperaturemeasurement．

BasedontheanalysisoftheSpecificationofThermocoupleCalibration，thisthesisdiscussestheoveralldesignideasoftheautomaticthermocoupleverificationsystem，hardwareconfiguration,softwaredesignandsolutionstosometechnicalproblems．ThecalibrationsystemfirstusesHH54PrelaysandswitchingcontrolinterfacecardPC-6408,composedofmulti-channelscanningdevice,withhigh-precisionprogrammablemulti-functiontestinstrumentsFLUKE289,implementtestautomaticdatacollection．Tocontrolthecalibrationfurnacetemperature，anoptimizedalgorithmisdesignedbycombiningthePIDcontrolandfuzzycontrol．TheoptimizedalgorithmcantunethePIDparametersautomatically．Asaresult，thefurnacetemperaturecanbeheatedupfastinashortcontroltime，andachievesasatisfactoryeffectforconstanttemperaturecontrol．Writtenusingabuildingblockdesignfashion，thesystemmonitoringsoftwarehasafriendlygraphicaluserinterface，andispowerful，flexibleandeasytooperate．

TheautomaticthermocoupleverificationsystemmeetsalltherequirementsoftheSpecificationofThermocoupleCalibration．Thesystemhasgoodscalability．Newtypesofthermocouplescanbesimplyandeasilyaddedintothesystem．Comparedwiththetraditionalmanualcalibrationmethod，theautomaticthermocouplecalibrationsystemcansignificantlyshortenthecalibrationtime．Increasescalibrationefficiency，reducesthelaborstrengthandimprovethelevelofautomation．

Keywords：

thermocouple；automaticcalibration；fuzzycontrol；PIDparametertuning；dataacquisition

第1章绪论

1.1热电偶检定系统的选题背景

热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。

热电偶具有测量精度高、热响应时间快、测量范围大（-40～1600℃）、性能可靠、使用寿命长、安装方便等特点，是生产中最常用的温度传感器之一。

作为一种热电转换器件，其特性的好坏和指示值准确与否直接关系到产品的质量、安全防护和能源的损耗等情况。

由于应用的面广、量大,所以其测量误差太大将会整个工业生产带来巨大的损失。

另外，在长期的应用过程中，热电偶出现老化变质的现象。

由金属或合金构成的热电偶，在高温下其内部晶粒要逐渐长大。

同时合金中含有少量杂质，其位置或形状也将发生变化，而且，对周围环境中的还原或氧化性气体也要发生反应，产生测温误差。

因此，我国计量法规定，热电偶不仅在出厂时要进行严格检验，而且在随后的使用过程中还要进行周期性的检验或监督性的检定，以判明热电偶是否变质、超差。

在传统的检定过程中，用电位差计通过手动转换开关读取在不同检点的标准电偶、被检电偶的热电势，然后根据检定规程对检定数据进行手工统计处理，并把结果填表记录。

上述检定步骤中完全靠手工操作完成，不但人员劳动强度大，检定时间长，原始数据量大，运算处理较复杂，容易出错，而且不可避免地产生人为误差。

检定工作的低效率，大大影响了企业质量保证工作的正常进行。

1.2热电偶自动检定系统的研究现状

热电偶是基于物质的热心效应原理实现测温的一种接触法测量仪器。

热电偶种类繁多、结构多样、测量范围广（-40~1600℃）、性能可靠，是生产中最常见的温度传感器之一。

作为热电转换器件，其特性的好坏和指示值准确与否直接关系到产品的质量、安全防护和能源的损耗等情况。

在其使用期间，热电偶的热电动势也将极其敏感的发生变化，产生测温误差。

因此，我国计量法规定，热电偶不仅在出厂时要进行严格检查，在随后的使用过程中还要进行周期检定。

在传统检定过程中，用电位计通过手动转换开关读取在不同检点的标准电偶、被检电偶的热电势，然后根据检定规程对检定数据进行手工统计处理，并把将结果填表记录。

过程都由手工操作完成，不但人员劳动强度大，检定时间长，而且效率低、误差大，影响工作正常进行［1］。

近几年，在国家大力扶持下，一些技术先进的仪器仪表厂家逐渐兴起，所研制的检定设备也层出不穷。

国内热电偶检定方法可采用双极比较法、同名级比较法和微分法三种，目前的热电偶自动检定系统大多采用双极比较法。

设置若干温度检定点，当检定炉在某一设定温度点稳定后，直接测量标准热电偶和被检热电偶的热电势，并分别转化成测量温度值，计算出被检热电偶与标准热电偶在当前检定点测量的热电动势误差和温度误差，判断被检热电偶是否合格。

检定炉根据发热原理可分为电阻炉和黑体炉，是提供热电偶检定的温度源。

无论国内还是国外研制的热电偶自动检定系统，大体由检定炉、数据采集系统，检定炉控温系统、数据处理子系统等部分。

国外在检定精度上发展较快，美国国家航天局（NASA）的引力材料科学实验室（MMSL），早在1991年就研制出热电偶自动校准系统，该系统当时可以对从室温到650℃范围内的K型热电偶进行校准，局限性较大。

美国Hart’sNVLAPaccreditedMetrologyLaboratory使用比较法可以对-200℃到1100℃测温范围的温度计进行自动校准。

FlukeCorporation（美国福禄克公司）针对几种型号的恒温装置，温控器及电测仪表，研制了9938MET／TEMP温度自动校准软件，可以把硬件装置结合起来，构成一套自动检定系统。

1.3热电偶自动检定系统的主要技术指标

以下是所研制的工业热电偶自动检定系统必须达到的主要技术指标：

（1）可检定S、K、B、E、J等型号的热电偶；

（2）测量误差小于0．1℃：

（3）检定时热电偶检定炉温度偏差检定点不超过±2℃；

（4）热电偶测量过程中炉温温度变化不超过0．2℃；

（5）检定温度范围：

200～1400℃；

（6）检定热电偶支数：

同时检定1～8支；

（8）平均每个温度检定点检定时间：

30分钟；

（9）恒温精度≤O．1℃；恒温保持时间：

10s～1000s任选；

第2章热电偶自动检定系统方案的选择

在对热电偶自动检定系统的软硬件进行具体设计之前，需要对系统的技术特点进行分析，明确系统设计的关键技术以及针对这些技术进行方案选择，从而确定整个系统的框架组成。

2.1系统需要解决的关键技术问题

2.1.1技术性能指标

通过进行详细的调查，明确了热电偶自动检定系统所要达到的技术指标或特点。

这些技术指标来自于两个方面，一个是国家颁布的关于热电偶检定规程里明确规定的技术条件，另一个是委托企业计量管理部门提出的技术要求，两方面的技术性能要求归纳起来，主要有以下几点：

（1）可检定S、R、K、B、E、J、N等8种型号的工作用热电偶；

（2）平均每个温度检定点升温和检定时间不超过30分钟；

（3）检定温度范围：

200～1600℃；

（4）同时检定热电偶支数：

1～8支；

（5）具有冷端自动补偿功能；

（6）可以自动完成控温、检测；

（7）系统运行稳定，界面友好，操作简便；

2.1.2关键技术问题

热电偶自动检定系统需要完成参数设定，自动温度控制和温度稳定性判断，自动切换通道，自动测量标准热电偶和被检热电偶的热电势。

它是一个过程控制系统，但与一般的生产中的温度控制系统比较是有区别的，在采样精度、控制精度等方面有更高的技术要求，也是整个系统成败的主要因素。

（1）采样精度

热电偶检定证书需要打印热电偶的mV值，所以热电偶检定系统直接采样的是标准热电偶和被检热电偶在各个检定温度点的mV信号，通过计算后，与标准热电偶进行对比，判断被检热电偶是否合格，如果被检热电偶误差在允差范围之内，须给出被检热电偶的温度修正值。

如何减少采样子系统的中间环节，保证采样数据的准确性，是需要解决的技术难点之一。

（2）控温精度

在热电偶检定过程中，对检定炉温度的控制有要求。

国家检定规程的技术要求热电偶检定规程中明确规定了，在某一设定温度点进行检定时，检定炉的实际温度与设定值的误差范围，特别是在热电偶循环测量过程中炉温要保持相当恒定，温度变化不超过±O.2℃，系统对检定炉的温度控制具有优良的动态性能，尽量缩短调节时间［2］。

（3）冷端自动补偿

用户提出在检定系统中不采用冰槽作为参考端恒温器，热电偶冷端温度不为0℃，需要考虑进行冷端补偿。

2.2系统设计方案选择

2.2.1冷端补偿方案

由热电偶测温原理可知，只有当热电偶的冷端温度保持不变，热电势才是被测温度的单值函数。

而且，在工程技术上使用的热电偶分度表，和根据分度表刻划的测温显示仪表的刻度，都是根据冷端温度为0℃而制作的。

另外在实际使用时，由于热电偶的热端（测量端）与冷端离得很近，冷端又暴露于空气中，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。

因此要采用适当的措施对冷端温度进行补偿，使热电偶测温准确而且方便。

根据中间温度定律，当热电偶冷端温度t0≠0℃时，热电偶热端温度t和输出热电势E（t，0），之间的关系式为：

（2.1）

式中，E（t,0），是热电偶热端温度为t、冷端温度为0℃时的输出热电势；

E（t,t0），是热电偶热端温度为t、冷端温度为t0时的输出热电势；

E（t0,0），是热电偶热端温度为t0、冷端温度为0℃时的输出热电势。

由式（2.1）可知，在热电偶热端温度t一定时，E（t,0）为定值。

当热电偶冷端温度t0变化时，E（t0,0）随之变化，从而导致E（t,t0）变化，故要准确地测量热电偶热端温度，必须实时测量冷端温度，进行冷端温度补偿。

在实际应用中，常用的热电偶冷端补偿方法有冷端恒温法、补偿导线法、冷端温度校正法、电桥补偿法、二极管补偿法、集成温度电路补偿法等。

通常有两种温度补偿方式：

方式一，搭建温度补偿回路；方式二，精确测量冷端环境温度，选择软件补偿。

方式二可以较精确地测量仪器热电偶接入点的环境温度，这将成为系统整体测量精度的决定因素之一。

目前控制中多采用以下3种方法测量环境温度。

（1）直接借用CPU内部温度传感器，如Cygnal的CF020。

然而，首先测量设备内部温度场并不均匀，热点偶补偿线接入点的温度与CPU的表面温度存在差值其次，集成温度传感器的灵敏度一般为0.1℃，精度±2℃，难以满足测量要求。

（2）使用新型智能温度传感器，如美信DSl626，12bit采样精度，3线串行数据通信，O～+70℃，2.7V

但此方法同样存在芯片外壳对环境温度的滞后性影响问题。

（3）高精度A／D采样芯片+远端温度传感器。

如高精度采样芯片（MAXIM1403）+温敏三极管（3DG6）。

可感知温度变化量小于0.02℃，采取防波动措施后，可保证PN结0.2℃和系统0.5℃的误差要求［3］。

以上列出的温度测量方法都必须经过A／D转换等电路，都会引入转换误差。

所以本热电偶检定系统对冷端的补偿采用一支二等标准铂电阻安装于热电偶冷端处，用电测仪表直接读取标准铂电阻的阻值，通过通信口送入计算机，计算机通过查表法计算出冷端温度值。

这样，因为标准铂电阻测量误差可以达到±0.02℃，没有中间环节，精度得到了进一步提高，提高了仪表的复用率，节省硬件开支。

2.2.2数据采集系统设计

数据采集系统需要采集标准热电偶、最多8支被检热电偶的mV值，以及用于冷端温度检测的标准铂电阻的阻值。

为减少中间转换环节，采用带数字通信接口的高精度电量测量仪直接读取这些信号，再通过数字通信送给上位计算机进行处理，数字通信具有很强的抗干扰能力，对采样数据不会产生任何误差。

设计一个低寄生电势多路扫描数据采集电路，加上一台既可测电压信号又可测电阻信号的复用电量测试仪，在计算机的协调控制下，完成热电偶自动检测系统的数据采集过程。

这样数据采集系统的采样精度，完全由电量测试仪分辨率和多通道切换开关的寄生电势大小决。

2.2.3炉温控制系统设计

热电偶自动检定系统对检定炉各项技术指标要求较高，整个检定过程要求达到升温快，恒温时炉温变化率不能超过±0.2℃／分钟，且恒温值要相对准确，偏离检定温度不超过±0.5℃。

本文对炉温控制系统的设计思想来源于用电压调整器控制可控硅导通角的原理。

系统中控温系统由控温热电偶、D／A接口模块、可控硅调压器触发板和可控硅组成。

控温热电偶是炉温实际温度传感器，系统中不再单独设立控温热电偶，由标准热电偶代替，根据测得的标准热电偶热电势换算出当前的炉内温度，这样标准热电偶既作为炉温传感器，又作为检定标准偶。

可控硅是一种大功率半导体元器件，它具有体积小、效率高、可以控制、动作迅速、无噪声等优点，是用来调整交流电压以控制电加热器的加热功率，在温度控制系统中常用的执行元件。

可控硅的导通时刻由可控硅电压调整器中的触发脉冲电路产生的脉冲信号决定的。

可控硅控温设备按其脉冲控制电路触发方式的不同，可分为可控硅调压器和可控硅调功器。

它们与电流或电压输出的D／A接口模块配套使用，用于控制检定炉温度。

系统中使用可控硅调压器移相触发控制电路，把模拟控制信号变为疏密变化的脉冲列，改变可控硅的导通角θ，就可以控制检定炉中电流的大小，从而实现对炉温的控制。

D／A接口模块选择插在计算机的扩展槽中专用的计算机接口板，计算机根据特定的控制算法，利用D／A接口模块将计算出的控制量结果，转变成4～20mA的模拟量给可控硅调压器触发板的控制端。

2.2.4上位机监控系统设计

数字计算机具有运算速度快，计算精度高，存储信息量大，以及通用灵活等特点。

在控制领域中作为强有力的控制工具，极大地推动了自动控制技术的发展。

在热电偶自动检定系统中，上位计算机扮演着管理控制者的重要角色。

系统所有资源都是在它的指挥管理下协调工作的，它的主要功能有：

（1）提供友好的用户界面，包括检定参数输入、检定过程状态显示；

（2）多路扫描开关通道选择；

（3）程控切换测量仪的档位及量程，读取采样数字信号；

（4）控温算法软件实现，输出4～20mA的控制信号，控制检定炉加热电流；

（5）检定炉恒温状态的判断；

（6）热电偶断线，报警输出及紧急断电；

2.3系统组成结构及工作原理

图2.1系统组成框图

热电偶自动检定系统的硬件框架结构由测量、控制和上位机三大模块组成。

测量部分完成数据采集工作，控制部分完成炉温控制，计算机是系统控制中心。

该系统的工作原理如下：

把标准热电偶放入石英玻璃管内和被检热电偶捆扎在一起，且所有热电偶的感温头要处于同一截面上，然后装在管式检定炉的最高温区。

本系统最多可同时检测8支不同型号的热电偶，同一时刻多路切换开关只能有其中l路导通。

标准铂电阻采用四线制连接到多路切换装置的信号输入端，热电偶通过补偿导线延长接至检定多路切换装置其它信号输入端。

正确连线后，主回路送电，给计算机输入必要的参数（热电偶检定温度设定点、被检热电偶支数等），计算机输出4～20mA的控制信号，通过触发器及电压调整器对检定炉升温，标准热电偶把检测到的炉温信号，通过数字测量仪传输到计算机内，在显示屏上显示炉温及偏差值，并反馈给计算机进行控制。

当达到恒温要求后，计算机输出数字量信号控制多路切换开关顺序切换信号通道，通过串行通信口对数字测量仪发送命令，相应改变数字测量仪的档位和量程，顺序读取冷端电阻阻值和每支热电偶的热电势［4］。

第3章热电偶自动检定系统的硬件设计

热电偶自动检定系统从电气原理上可分为控制部分和测量部分。

控制部分由控温热电偶、D／A接口卡、可控硅触发器、电压调整器和检定炉组成；测量部分由通道扫描装置、开关量控制接口卡、数字测试仪、标准铂电阻、标准热电偶及被检热电偶组成。

测量部分和控制部分均通过I／O接口与计算机相连。

3.1数据采集系统硬件设计

3.1.1多功能数字测量仪硬件选型

福禄克FLUKE289/F289/F289C真有效值数字万用表

（1）特定功能介绍：

TrendCapture“趋势捕获”：

新的TrendCapture“趋势捕获”绘图功能可帮助用户更加快速地检测和查看间歇事件，并对故障进行分析；

扩展内置数据记录存储（10000个读数）：

通过容量扩展的内置数据记录，即使在恶劣环境中，或在人员操作难以实现难以操作的情况下，也可进行连续多天的测量；

存储多次多段记录结果（无须多次下载）：

在需要进行PC下载之前，存储多次或多段记录的结果而提高效率；

加强型“最小值/最大值/平均值”功能：

所有数据都显示在一个屏幕上，无需翻动屏幕或不同按键，可在一个屏幕上同时看到最小值，最大值和平均值以及开始时间和经过时间；

可选的低通滤波器（289）：

对变速电机驱动器和其他有严重电气噪声的设备进行精确的电压和频率测量；

小电阻（289）：

以1毫欧的分辨率测试50欧姆的小电阻，对于测量电机绕组和其他具有很低电阻的设备非常有用；

低阻抗LoZ（289）：

降低了因杂散电压引起错误读数的可能性［5］；

3.1.2通道扫描器设计

多路通道扫描器由继电器组和数字量输出接口卡组成。

继电器是通道导通的执行元件，数字量输出接口卡是继电器通断的控制元件。

（一）HH54P小型继电器

HH54P小型继电器是引进日本富士电机株式社全套转悠制造技术生产的高可靠性继电器，具有体积小、重量轻、开闭容量大、可靠性高、寿命长等特点，适用于交流50Hz或60Hz，电压至240V，直流电压至110V的控制电路，供电子设备、通讯设备、电子计算机通讯设备、自动化控制装置等动作切换电路及扩大控制范围之用。

产品符合GB14048标准以及IEC255，IEC947和日本JIS标准。

（二）PC-6408开关量输入输出接口卡

（1）性能指标

PC-6408开关量输入输出接口卡适用于具有ISA总线的PC系列微机，具有很好的兼容性，CPU从目前广泛使用的64位处理器直到早期的16位处理器均可适用，操作系统可选用Windows系列，在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个ISA总线插槽中，信号电缆从机箱外部直接接入。

该卡上的开关量输入为16路，输出为16路，采用两组分别共地方式。

输出部分具有上电和主机复位后自动清零功能。

主要技术指标：

1）输入路数及电气连接方式：

16路共地（共阴）方式。

2）输入信号电平范围：

TTL～48V。

3）输入信号电流消耗：

≥5mA/每路

4）输出路数及电气连接方式：

16路共地（共阴）方式。

5）输出回路供电要求：

+12V～+36V

6）最大输出电流：

≤200mA/每路；可直接驱动继电器。

但每组总输出电流不应超过2A。

7）每组信号之间、各组信号与接口卡之间隔离电平：

500V。

8）电源功耗：

+5V（±10％）≤400mA

9）环境要求：

工作温度：

10℃～40℃

相对湿度：

40％～80％

存贮温度：

-55℃～+85℃

10）外型尺寸（不含档板）：

长×高=160mm×106mm（6.3英寸×4.2英寸）

（2）工作原理

该接口卡的工作原理框图如图3.1所示：

在热电偶自动检定系统中只使用了该卡的开关量输出回路，卡上有16路开关量输出回路可用于外部电路的开关控制，其每路最大输出电流200mA左右，开关量输出部分工作原理如图所示。

图3.1PC-6408开关量输入输出接口卡工作原理框图

图3.2开关量输