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基于虚拟仪器的检定炉温度控制系统学位论文
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基于虚拟仪器的检定炉温度控制系统
摘要
热电偶在使用过程中由于受到测量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护管材料的站污等影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变化，尤其是在高温、腐蚀性气氛以及特殊工况下，这种影响就更为严重。
因此，必须按照国家检定规程和校准规范要求进行定期检定。
近十几年来，国内外在实现热电偶分度、检定自动化方面作了不少研究，有了很大发展，采用了传统的编程语言，编程耗费的时间比较长，依赖于专业程序员和特定的编程语言。
由于LabVIEW的开放性和图形化编程方式，温度计量工程师只需懂得一些基本编程知识，便可以对计算机测控系统进行设计。
因此，本文提出了基于LabVIEW平台的热电偶检定炉温度自动控制系统。
主要分析了热电偶的工作原理、热电偶的检定及检定过程中检定炉的温度控制，根据检定炉温度特性，运用了传统的PID控制方案，进行热电偶检定炉温度控制系统的软件设计，包括数据采集、温度控制、数据处理等功能。
关键词：
热电偶；虚拟仪器；LABVIEW；检定炉；自动控制
IntelligenttemperatureControlsystemofAssayfurnacebasedonVirtualinstrument
Abstract
Intheuseofthethermocouple,duetotheenvironment,mediaatmosphere,thetemperatureusedandtheimpactofsewagestationsinpipeinsulationandprotectionmaterials.afterweuseitforaperiodoftime,thethermoelectricpropertiesofwhichwillchange,especiallyinthehigh-temperature,corrosiveatmosphere,aswellasinthespecialconditions,andwewillfindthattheinfluenceisevenmoreserious.Therefore,wemusttestitinaccordancewithnationalregulationsandregulatoryrequirementsforaperiodtime.Overthelastdecade,bothathomeandabroad,alotofresearchinachievingtestautomationofthermocouplehasbeendone,whichhasmadesignificantprogress.DuetotheopennessandgraphicalprogrammingapproachofLabVIEW,engineersintemperaturemeasurementonlyneedtoknowsomebasicprogrammingknowledge,thetheywillbeabletodesignmonitoringandcontrolsystem.Therefore,inthispaper,wemadetheautomaticcontrolsysteminthermocoupletemperaturetestfurnacebasedontheLabVIEWplatform.Wemakeamainanalysisoftheworkingprinciple,thetestofthethermocouple,andthetemperaturecontrolintheprocessofbeingtested.accordingtothecharacteristicsoftemperatureinfurnace,weusethetraditionalPIDcontrolprogram,anddesignthesoftwareintemperaturetestsystemofthermocouple,includingdataacquisition,temperaturecontrol,dataprocessingfunctions.
KeyWords:
thermocouple;virtualintrument;LabVIEW;assayfurnace;intelligentcontrol
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2本设计的任务和要求4
第二章虚拟仪器概述6
2.1虚拟仪器的基本知识6
2.1.1虚拟仪器的概念6
2.1.2虚拟仪器的发展6
2.2虚拟仪器的组成8
2.2.1通用仪器硬件平台8
2.2.2虚拟仪器与传统仪器的比较10
2.2.3虚拟仪器的广泛应用12
2.3虚拟仪器的开发平台——LabVIEW13
第三章热电偶检定炉控制过程17
3.1热电偶概述17
3.1.1热电偶的结构17
3.1.2热电偶误差的产生18
3.2热电偶的工作原理19
3.3热电偶的检定21
3.4检定炉温度控制过程的总体设计23
3.4.1检定炉温度控制的选择23
3.4.2检定炉温度控制系统设计原则25
3.4.3检定炉温度控制系统设计软件分析26
3.5被控对象数学建模26
第四章检定炉温度控制系统的硬件组成与实现30
4.1系统的硬件组成30
4.2检定炉温度控制部分硬件设计31
4.3数据采集部分硬件组成33
4.3.1数据采集模块33
4.3.2信号调理模块35
第五章检定炉温度控制系统的软件设计37
5.1PID控制部分37
5.1.1PID控制程序图37
5.2系统验证子VI37
5.3数据采集模块子VI38
5.4检定炉温度延时设定子VI40
5.5检定炉温度报警子VI41
5.6总系统VI42
总结43
参考文献44
附录A程序前面板46
附录B程序图后面板47
致谢48
第一章绪论
一.1研究背景
热电偶是目前工业生产过程中应用最广泛的温度测量仪器之一，其工作原理是将温度信号转换成电势信号，配以测量电势信号的仪表，便可以实现温度的测量或温度信号的变换，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体积小和易于维护等优点[1]。
从19世纪发展至今已有一百多年历史，现己被广泛应用于石油、化工、水利、航空、航天、核电等行业领域[2]。
从塞贝克发现热电效应算起，一百多年来，热电偶发展的历史大约经历了三个不同的阶段。
第一阶段为早期探索阶段。
时间从1821年起到第一次世界大战，经历了整整一个世纪。
在此期间，由于没有理论指导和经验可循，人们对热电偶材料的研究和当年塞贝克一样，全靠摸索。
采用的方法为配对法，即将感兴趣的待试材料直接配成热电偶，实测了近300种热电偶品种。
第二阶段为第一次世界大战后40年。
这个阶段的特点是对材料热电特性的研究十分重视。
研究方法除了配对法外，还出现了一种新方法——比较法。
比较法的核心是选择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极，各种被试材料分别与标准电极组成热电偶，测定这些热电偶的热电势——温度特性曲线。
二次世界大战前后，熔钢温度测定问题曾经是推动热电偶材料发展的强大动力。
几十年来，对炼钢过程的精炼温度、出钢温度、浇铸温度的测定和控制技术的探求，不仅推动了对新型热电偶材料的探索，而且促使对有关热偶丝的站污、劣化变质、高温脆性和不均匀性等问题的研究日益深入。
第三阶段为60年代至今。
这个时期的特点是除了对材料性能和测试方法的研究很重视外，还十分重视对热电偶回路的基本理论及其应用的研究。
在研究的方法中，除了传统的配对法、比较法外，还出现了分析法。
分析法是以现代热电理论（非平衡态热力学、量子力学应用于热电效应的理论）为指导，综合冶金、物理、化学理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设计。
近40年来，在发展新型热电偶材料方面取得了不少成绩。
恺装热电偶材料得到普遍推广使用，产品规格和性能试验多己标准化，随着现代科技的发展和各种尖端技术对测温的要求，为了研制出能在极端条件下和特殊环境介质中使用的新型热电偶材料，改进和提高现有热电偶的精度和可靠性，国内外投入不少人力物力进行研究和开发，重点有两方面:
其一，把热电偶作为一种测温仪器，大力改进热电偶的结构，检定方法，安装技术和性能试验，最大限度地发挥热电温度计的潜力和优点；另一方面，把热电偶作为一种特殊材料，研究其热电性与化学组成、杂质元素、物理缺陷和表面状态的关系，以提高测温精度，扩大测温范围，延长使用寿命。
随着时代的发展，热电偶在工业生产中应用越来越广泛，而其测量结果是否准确也成为我们十分关注的问题，所以对热电偶进行定期地检定便非常重要。
在工业热电偶检定过程中，检定炉的温度控制的好坏对热电偶检定起关键作用。
在实际系统中，炉温问题是相当复杂而又难以用数学公式精确描述的问题。
炉温变化与炉内总发热量和总散热量等情况有关。
在传统的热电偶校验及检定方式中，都没有专用的设备，而是通过人工操作许多的检定仪器，来实现对热电偶的检定。
这就导致了许多检定仪器的利用率很低，而且接线非常繁杂。
如：
检定炉温度控制系统多采用模拟PID控制算法，需要人工调整并依据经验做出判断，这对操作人员的能力要求非常高。
同时，检定过程中数据的记录也是采用手工方式，由于检定耗时较长，在记录过程中温度往往已经偏离了检定点，并且对检定结果的处理运算量非常巨大。
这些因素造成的测量误差已经直接影响到温度量值传递的准确性。
由于传统的热电偶检定方式效率的低下而且精确度低，已无法满足现代化企业对温度计量上的需要，由此便给我们提出了新的研究课题：
要求我们设计一套只需工作人员作简单设定和接线后，便不再需要人参与，而由系统自动完成对热电偶检定工作的检定系统[3]。
热电偶的检定需要人工手动控温、手动检测，不但检定过程时间长，人员劳动强度大，而且原始数据量大，运算处理较复杂，容易出错。
检定工作的低效率，大大影响了企业产品质量，影响工作的正常进行[4]。
因此，随着现代计算机技术的飞速发展，高效、准确和可靠这些指标已越来越成为热电偶检定工作的发展趋势和需要。
应用计算机进行热电偶自动检定与传统的人工操作相比，具有工作效率高、节约能源、消除人为误差、使测量结果更趋于真值等优点[5]。
利用检定炉温度控制系统进行检定，只要将需要检定的热电偶放入检定炉中，在计算机的提示下输入有关参数后，系统根据要求实现升温、恒温等工作。
第一个温度点检定完成后，自动转入第二个温度点，直至所有的被检温度点检定完毕，最后系统根据要求打印检定数据。
由于在整个测试过程中不需要人工干预，可以大大提高测试精度、缩短人员的劳动强度[6]。
由于具有以上优点，所以检定炉温度控制系统是各计量部门、科研单位及有关工厂实现计量检定和产品检验自动化的理想设备。
目前无论国内还是国外，都对行业标准化有了足够的重视，但在我国毕竟起步较晚，对计量技术自动化和标准化的建设才刚刚开始，介绍国外计量行业检定技术的材料寥寥无几。
对国外先进检定设备的了解，只能靠已见刊的测量设备来推测。
总体上说，国外在控制精度上发展较快[7]。
上个世纪末国内电子仪器仪表市场几乎完全被国外拥有先进技术的产品所占领。
近几年来，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，国内对检定炉温度控制技术的研究正处于百家争鸣的时代，所研制的检定设备也层出不穷，花样不断翻新。
就调研和查阅所得的情况来看，可归纳为如下两大类：
（1）微处理器型。
这种类型的检定设备，是以各种各样的微处理器为智能核心，自组专用CPU系统，将检测、控制和数据处理等各项功能设计在一块线路板上或一个机箱内。
其优点是体积小，成本低，仪表自动化程度高。
其缺点是开发阶段投资多，工作量大，线路复杂，专业性强，技术难度高，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。
（2）通用微型计算机型。
这种类型的热电偶检定设备，直接利用目前迅速发展的微机控制技术进行开发，专门设计一个通信检测接口，利用计算机强大的智能控制和数据处理功能，结合可视化操作界面和高级程序设计语言，配合键盘、鼠标和打印机输入输出。
其优点是开发环境优越，技术难度和工作量小，检定精度高，人机交互界面友好，功能齐全完善，故易于推广使用。
其缺点是成本高，体积大，检定系统会占用一定的微机资源。
一.2本设计的任务和要求
本文以检定炉为研究对象，针对检定炉的温度，在比较研究不同控制策略的基础上，主要对虚拟仪器在检定炉温度控制中的应用进行了研究。
利用虚拟仪器的巨大优越性，改善检定炉温度的控制品质，提高控制效果。
本文主要论述了检定炉温度控制系统的课题目的、意义，温度控制系统的国内外发展概况及本论文的主要内容并对电阻炉温度控制特点进行了简要分析；介绍了虚拟仪器技术及本论文中用到的智能控制方法。
检定炉温度控制系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择；介绍检定炉温度控制系统硬件组成，双向可控硅技术及建立控制对象数学建模；检定炉温度控制系统软件整体设计方案，及各个子模块设计过程；系统运行检验，并对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。
检定炉具有高度非线性、大时滞、大惯性、时变性等特点，应用传统的PID控制虽然结构简单、容易实现，却依赖于被控对象精确的数学模型且无法保证控制精度。
模糊控制虽然能够适用于无法精确建模的物理对象，但要获得好的控制效果需要有系统的先验知识和完整合理的模糊规则，这导致其应用受到了很大局限。
虚拟仪器方便设计用户界面和数据采集功能，通过传统PID算法实现对检定炉温度的实时控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重点。
第二章虚拟仪器概述
二.1虚拟仪器的基本知识
二.1.1虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器（VnrtualInshument，简称VI），就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作他自己设计的测试仪器一样。
虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能的工作模式，使得用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统。
在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。
“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。
虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。
随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。
这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地来完成原来的功能。
二.1.2虚拟仪器的发展
随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。
虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技术、仪器技术以及其它新技术完美结合的产物。
与传统仪器相比，虚拟仪器充分利用计算机系统资源，通过计算机总线与外围通用硬件设备构筑了功能更丰富、处理速度更快、测量效率更高、可扩展性更好的仪器系统。
近年来，虚拟仪器在测试、控制等领域得到了越来越广泛的应用。
智能控制自20世纪70年代提出以来，一直是当代科学技术中一个十分活跃和具有挑战性的领域。
而且由于智能控制融合了人工智能、自动控制、运筹学、计算机、信息处理和认知科学等多种学科知识的一门新兴交叉学科，有着极其广阔的应用前景。
特别是由于信息技术与控制技术的飞速发展，促使控制系统向智能控制系统发展，以及自动化技术向智能自动化技术的发展成为一种必然的趋势[8]。
追溯电子测量仪器的发展历史，大体经历了以下的发展历程：
（1）第一代模拟仪器。
是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。
这类指针式仪器借助指针来显示最终结果。
（2）第二代分立元件式仪器。
当20世纪50年代出现了电子管，随后60年代出现了晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代仪器。
（3）第三代数字化仪器。
20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器。
这类仪器目前相当普遍，如数字电压表、数字频率计等。
（4）第四代智能仪器。
随着微电子技术的发展和微处理仪表的普及，以微处理器为核心的第四代仪器迅速普及。
这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，习惯上称其为智能仪器。
其缺点是它的功能块都以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论是针对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。
（5）虚拟仪器。
由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，电子测量仪器领域出现了一种全新的仪器——虚拟仪器。
虚拟仪器与智能仪器有点类似，它是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为基础，来实现各种仪器功能。
采用虚拟仪器技术构建的测试仪器，具有开发效率高、可维护性强、测试精度高、稳定性和可靠性好等优点，因此具有较高的性能价格比，便于节省投资、设备更新和功能转换与扩充。
二.2虚拟仪器的组成
虚拟仪器一般由通用计算机（PC机）、数据采集卡及软件系统组成。
一个由通用仪器硬件平台和应用软件组成的复杂系统，虚拟仪器的结构如图2.1所示。
图2.1虚拟仪器的结构
二.2.1通用仪器硬件平台
虚拟仪器的硬件平台由通用计算机和I/O接口设备两部分组成。
I/O接口设备主要完成信号的采集、放大、模/数转换等。
根据I/O接口设备总线类型的不同，虚拟仪器可分为五类：
PCI总线虚拟仪器、GPIB总线虚拟仪器、VXI总线虚拟仪器、PXI总线虚拟仪器、串口总线虚拟仪器。
（1）PCI总线虚拟仪器：
这种方式是借助于插入计算机接口扩展槽中的功能板卡与专用的软件相结合而实现的具有特定功能的测试仪器。
它充分利用了PC机总线、机箱和电源等硬件资源以及其丰富的软件资源。
PCI总线具有即插即用功能，能够自动配置参数并支持PCI总线扩展板，使用方便。
（2）GPIB总线虚拟仪器：
GPIB总线（GeneralPurposeInterfaceBus）是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线。
它目前是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。
GPIB测试系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用[9]。
（3）VXI总线虚拟仪器：
VXI（VMEBusExtensionsforInstrumentation）总线支持即插即用，人机界面良好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。
不足的是VXI系统的成本相对较高。
VXI总线虚拟仪器因其集成化、标准化、快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性而迅速发展，将会成为未来计算机仪器发展的主流。
（4）PXI总线虚拟仪器：
PXI总线是1997年美国NI公司发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。
PXI系统易于集成与使用，从而降低用户的开发费用，所以在数据采集、工业自动化系统和图像处理等方面获得了广泛应用。
PXI体系结构是以国内最普及的PCI总线为基础的体系结构，其总线吞吐率高、硬件的价格较低，因此，比VXI总线方式更容易在近期内抢占国内的虚拟仪器市场[10]。
（5）串口总线虚拟仪器:
通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）具有传输速率高、支持异步和等时传输等特点。
它可以通过与计算机的通信来获得USB设备的配置指令，从而灵活地改变自己的外部特性，实现了智能化的接口功能。
另外它可以实现关键设备的资源共享，减少了成本。
无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。
其中，PCI总线虚拟仪器是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。
虚拟仪器的核心是软件，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟
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