毕业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Automatic Thermocouple Temperature Calibration System DesignAbstract Thermocouples are commonly-used temperature sensors in many manufacturing processes，and have found a wide range of applicationsAfter a long-term run，the performance of a thermocouple may change，resulting in temperature measurement errorTherefore，the Metrology Law in Chinas stipulates that thermocouples have to be calibrated periodically in the course of its usage to ensure the accuracy of the temperature measurementBased on the analysis of the Specification of Thermocouple Calibration，this thesis discusses the overall design ideas of the automatic thermocouple verification system，hardware configuration, software design and solutions to some technical problemsThe calibration system first uses HH54P relays and switching control interface card PC-6408, composed of multi-channel scanning device, with high-precision programmable multi-function test instruments FLUKE289, implement test automatic data collection To control the calibration furnace temperature，an optimized algorithm is designed by combining the PID control and fuzzy controlThe optimized algorithm can tune the PID parameters automaticallyAs a result，the furnace temperature can be heated up fast in a short control time，and achieves a satisfactory effect for constant temperature controlWritten using a building block design fashion，the system monitoring software has a friendly graphical user interface，and is powerful，flexible and easy to operateThe automatic thermocouple verification system meets all the requirements of the Specification of Thermocouple CalibrationThe system has good scalabilityNew types of thermocouples can be simply and easily added into the systemCompared with the traditional manual calibration method，the automatic thermocouple calibration system can significantly shorten the calibration timeIncreases calibration efficiency，reduces the labor strength and improve the level of automationKey words：thermocouple；automatic calibration；fuzzy control；PID parameter tuning；data acquisition 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1热电偶检定系统的选题背景11.2热电偶自动检定系统的研究现状11.3热电偶自动检定系统的主要技术指标2第2章 热电偶自动检定系统方案的选择42.1系统需要解决的关键技术问题42.1.1技术性能指标42.1.2 关键技术问题42.2系统设计方案选择52.2.1冷端补偿方案52.2.2 数据采集系统设计72.2.3 炉温控制系统设计72.2.4上位机监控系统设计82.3 系统组成结构及工作原理9第3章 热电偶自动检定系统的硬件设计103.1数据采集系统硬件设计103.1.1多功能数字测量仪硬件选型103.1.2 通道扫描器设计113.2温度控制系统硬件设计173.2.1单相晶闸管调压触发器173.2.2模入模出接口卡193.3上位机硬件配置22第4章 热电偶自动检定系统温度控制方法234.1热电偶的检定炉的物理模型分析234.2控制算法选择244.2.1 PID控制244.2.2模糊控制264.3模糊PID参数自整定控制器的实现274.3.1模糊PID参数自整定控制器的结构274.3.2 PID参数模糊调整规则294.3.3模糊推理及解模糊化31第5章 工业热电偶自动检定系统的软件设计355.1软件系统组成355.2自动检定过程365.3模糊自适应PID控制算法的软件实现38第6章 结论40参考文献41谢 辞42附 录4344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(-401600)、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(-401600)、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Harts NVLAP accredited Metrology Laboratory 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。Fluke Corporation（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9938METTEMP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；