工業(yè)熱電偶計(jì)量檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張洪魁

[摘 ?要]設(shè)計(jì)一種自動(dòng)檢定效率高、工作穩(wěn)定、檢定準(zhǔn)確且具有檢定數(shù)量可拓展的工業(yè)熱電偶計(jì)量檢定系統(tǒng)。系統(tǒng)組成包括有檢定爐及其爐溫調(diào)控單元、多路檢測選擇及采集單元和主控單元，檢定爐內(nèi)置有爐溫?zé)犭娕肌?biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶;爐溫調(diào)控單元基于爐溫?zé)犭娕?，連接有溫度變送器、PID調(diào)節(jié)器和功率調(diào)整器，PID調(diào)節(jié)器和功率調(diào)整器與主控單元之間通訊總線連接;多路檢測選擇及采集單元基于已置于檢定爐內(nèi)的若干熱電偶，每一熱電偶連接有受繼電器驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的低電勢轉(zhuǎn)換開關(guān)后，再并聯(lián)、連接至熱電偶輸入模塊的一輸入通道端口，每一繼電器驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接光電耦合器，構(gòu)成采集啟動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)采集卡受控于主控單元的循環(huán)掃描指令，數(shù)據(jù)采集卡的各數(shù)字通道依次連接于各采集啟動(dòng)轉(zhuǎn)換電路輸入端。系統(tǒng)總不確定度優(yōu)于0.7℃，重復(fù)性誤差小于0.25℃。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)熱電偶;計(jì)量檢定;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2016）22-0003-01

0 引言

熱電偶是日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的測溫部件。為使之確保其溫度感應(yīng)的準(zhǔn)確性，以真實(shí)反映實(shí)際溫度值，制造商的檢測部門需要對(duì)出廠產(chǎn)品實(shí)施出廠檢定，另外，已達(dá)到一定使用周期的熱電偶也需要重新檢定，消除測溫誤差，保證測溫結(jié)果的準(zhǔn)確性。現(xiàn)有的檢定方法仍普遍采用手工操作方式，檢定效率低、精度差。為此，現(xiàn)有技術(shù)中雖推出了多種工業(yè)熱電偶自動(dòng)檢定裝置，也各有特點(diǎn)，但檢定的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、檢定數(shù)量拓展和檢定效率等方面仍非理想[1]。

1 檢定系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

1.1 檢定系統(tǒng)工作原理

控溫?zé)犭娕肌囟茸兯推?、調(diào)節(jié)器、功率調(diào)整器構(gòu)成熱電偶檢定點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)。NI9211熱電偶輸入模塊，用來測量標(biāo)準(zhǔn)被檢熱電偶的毫伏值，它包含一個(gè)24位的delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器、防混疊濾波器、熱電偶開路檢測和冷端補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)高精度熱電偶測量。NI 9211包含NIST校準(zhǔn)，還具有通道—地面接地雙重隔離屏障，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。

PCI1716數(shù)據(jù)采集卡，用來自動(dòng)檢定多只被檢熱電偶時(shí)，自動(dòng)測量用。同時(shí)與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

PCI1716數(shù)據(jù)采集卡與低電勢精密轉(zhuǎn)換開關(guān)鏈接電路，將PCI1716數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為8路熱電偶連接電路。低電勢精密多通道轉(zhuǎn)換開關(guān)，用來檢定測量多只被檢熱電偶轉(zhuǎn)換用。

主要用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和工作用熱電偶在測量中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過手動(dòng)操作或標(biāo)準(zhǔn)接口控制，可將此轉(zhuǎn)換開關(guān)中的任意一路轉(zhuǎn)換接到輸出。開關(guān)觸點(diǎn)有很低的熱電勢（小于0.4微伏）。多路開關(guān)切換可以與PCI1716數(shù)據(jù)采集卡與低電勢精密轉(zhuǎn)換開關(guān)鏈接電路配合實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序控制。

工控機(jī)Labview軟件，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控檢定過程，對(duì)檢定結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)處理。打印機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶檢定記錄表和檢定證書進(jìn)行打印。

1.2 PCI1716數(shù)據(jù)采集卡與低電勢精密轉(zhuǎn)換連接電路

D00…D07為PCI1716數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字量輸出口，C1、P1為低電勢精密轉(zhuǎn)換開關(guān)公共端;1C1、1P1…8C1、8P1 PCI1716為低電勢精密轉(zhuǎn)換開關(guān)與標(biāo)準(zhǔn)和被檢熱電偶接入端。IC1…IC8、R1…R8、D1…D8、BG1…BG8、J1…J8組成隔離驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制電路。實(shí)現(xiàn)熱電偶檢定過程中標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被檢熱電偶數(shù)據(jù)的自動(dòng)測量。

1.2 溫控系統(tǒng)、低電勢精密轉(zhuǎn)換開關(guān)、熱電偶輸入模塊原理圖

溫控系統(tǒng)、低電勢精密轉(zhuǎn)換開關(guān)、熱電偶輸入模塊原理圖，如圖1所示。

1.3 檢定系統(tǒng)誤差計(jì)算公式

300℃以上熱電動(dòng)勢誤差Δe用下式計(jì)算[2]：

（1）

（1）式中：—被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下，測得的熱電動(dòng)勢算術(shù)平均值;

—標(biāo)準(zhǔn)熱電偶證書上某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢值;

—標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在某檢定點(diǎn)附近溫度下，測得的熱電動(dòng)勢算術(shù)平均值;

—被檢熱電偶分度表上查得的某檢定點(diǎn)溫度的熱電動(dòng)勢值;

、—分別表示標(biāo)準(zhǔn)、被檢熱電偶在某檢定點(diǎn)溫度的微分熱電動(dòng)勢。

2 檢定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺(tái)，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）。結(jié)合數(shù)據(jù)庫和報(bào)表工具包來完成熱電偶計(jì)量檢定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測試

（1）測試所需儀器設(shè)備：管式爐，其長度為600mm，加熱管內(nèi)經(jīng)為40mm 。參考端恒溫器，恒溫器內(nèi)溫度為（0±0.1）℃。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，鉑銠10-鉑（S型）1支。被檢熱電偶，鎳鉻-鎳硅（K型）1支。K型熱電偶的電極直徑φ1.0，精度等級(jí)Ⅰ級(jí)，誤差1.6℃。檢定溫度點(diǎn)為400℃、600℃、800℃。

（2）測試過程：當(dāng)爐溫升到檢定點(diǎn)溫度，爐溫變化小于0.2℃/min，自標(biāo)準(zhǔn)熱電偶開始，依次測量各被檢熱電偶的熱電動(dòng)勢。測量順序如下：

讀數(shù)應(yīng)迅速準(zhǔn)確，時(shí)間間隔應(yīng)相近，測量讀數(shù)不應(yīng)少于4次。測試時(shí)管式爐溫度變化不大于±0.5℃。

4 結(jié)束語

工業(yè)熱電偶計(jì)量檢定系統(tǒng)是工業(yè)熱電偶自動(dòng)檢定時(shí)的必備裝置，實(shí)現(xiàn)了在熱電偶檢定時(shí)，檢定點(diǎn)溫度控制;檢定數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示;打印檢定數(shù)據(jù)記錄表和檢定證書等由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成?？朔耸謩?dòng)檢定熱電偶時(shí)的數(shù)據(jù)處理繁瑣、出錯(cuò)率高、檢定人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢定費(fèi)時(shí)等情況。提高了熱電偶檢定的工作效率和數(shù)據(jù)精度。該成果已在遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院儀表檢定實(shí)訓(xùn)室得到應(yīng)用。取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙景輝.工業(yè)熱電偶計(jì)量檢定系統(tǒng)：中國.201420844897.1[P].2014-12-26.

[2] 工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程JJG351-1996.中國計(jì)量出版社，2010.