基于LabVIEW的高溫熱電偶自動校準軟件設計

楊新圓，呂國義，張賀，陳煒，王曉璐

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

高溫熱電偶是1500～2300℃接觸測溫的主要傳感器，包括PtRh40-PtRh20，WRe5-WRe26，WRe5-WRe25等類型的熱電偶。這些熱電偶采用高溫熱電偶校準裝置，以標準光電高溫計為標準器，采用比較法進行校準，因為高溫熱電偶校準裝置操作復雜，為了減小人為操作引入的誤差以及減小計量人員的工作量，提高工作效率，我們參照相關校準規(guī)范或檢定規(guī)程，在Windows操作系統(tǒng)下，利用Labview語言，通過控制溫度控制裝置、掃描開關、數(shù)字電壓表，實現(xiàn)高溫熱電偶的自動校準，設計出一套高溫熱電偶自動校準軟件。

1 校準裝置硬件組成

高溫熱電偶校準裝置主要由高溫檢定爐、溫度控制系統(tǒng)、真空充氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、標準光電高溫計、數(shù)字電壓表、掃描開關、冰瓶等組成，如圖1所示。

圖1 高溫熱電偶校準裝置框圖

校準裝置工作原理:將被校傳感器插入高溫檢定爐，固定在爐膛中間，與銅導線連接后(接點插入冰瓶)接入掃描開關;系統(tǒng)軟件控制溫度控制系統(tǒng)使高溫檢定爐加熱升溫并且穩(wěn)定在設定溫度;真空充氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)為高溫熱電偶檢定爐的輔助系統(tǒng)，主要是保護爐體及被校傳感器;標準光電高溫計測量爐膛中間位置的溫度;系統(tǒng)軟件控制掃描開關切換通道;數(shù)字電壓表分別讀取標準光電高溫計和被校傳感器的讀數(shù)，讀數(shù)傳輸給計算機;系統(tǒng)軟件通過比較計算得出被校傳感器在該溫度的誤差。

比較法校準方法:爐溫升到設置的檢定點，穩(wěn)定后開始測量，自標準器開始，交替順序測量標準光電高溫計的溫度和被校傳感器的熱電動勢，測量次數(shù)不少于10次。測量順序為:標準—被檢—標準—被檢。標準光電高溫計測得爐溫實際值按式(1)計算。

被校準熱電偶在校準點的熱電動勢誤差Δet按式(2)和(3)計算。

被校準熱電偶在校準點的溫度誤差Δt按式(4)計算。

式中:A為石英玻璃透過率修正系數(shù)，A=3.4×10-6;Tw為帶玻璃窗口標準所測溫度值，℃;t實為不帶窗口標準所測溫度值，℃;e被為被校準熱電偶在校準溫度點附近測得的熱電動勢算術平均值，mV;S被為被校準熱電偶在校準溫度點的微分熱電動勢，mV/℃;t校為校準溫度點與實際溫度的差值，℃;t校為校準溫度點，℃;t實為實測溫度值(標準器)，℃;e分為被校準熱電偶分度表上查得的校準溫度點的熱電動勢值，mV。

2 軟件設計

在高溫熱電偶校準裝置的基礎上，利用LabVIEW為開發(fā)環(huán)境編寫軟件［1］。

2.1 程序流程

根據(jù)高溫熱電偶比較法校準過程，系統(tǒng)設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

2.2 模塊化程序功能

本文所設計的系統(tǒng)軟件程序模塊包括系統(tǒng)設置、自動校準過程模塊、標準器管理、被校傳感器管理、查詢導出等模塊。

系統(tǒng)設置模塊主要包括數(shù)字電壓表、掃描開關、溫度控制裝置等硬件設備信息的設置，以及計算機與這些硬件通訊參數(shù)的設置。

自動校準模塊主要包括控制高溫檢定爐升溫并穩(wěn)定在校準溫度、監(jiān)視爐溫判斷達到校準要求、控制掃描開關切換通道、讀取標準電勢值轉化成溫度、讀取被校傳感器電勢值、計算被校傳感器電勢值和誤差、更新傳感器數(shù)據(jù)信息。

如圖3所示自動校準模塊界面，主界面分為幾個功能區(qū)，上面一行為標題欄，顯示軟件名稱和開發(fā)單位，左側區(qū)域有系統(tǒng)配置基本信息、被校傳感器信息等，中間區(qū)域為監(jiān)控曲線顯示、采集數(shù)據(jù)顯示，右側區(qū)域內(nèi)容主要有標準溫度、電勢實時顯示，標準量程選擇，開始監(jiān)控按鈕、開始采樣按鈕以及停止按鈕。

圖3 自動校準界面

自動校準部分源碼主要分為兩大部分，一部分是控溫監(jiān)控，一部分是采樣計算，其中硬件通訊、電勢-溫度轉換等關鍵程序采用集成模塊設計。

標準器管理模塊主要是對校準使用的標準器進行管理，高溫熱電偶校準裝置使用的標準器是標準光電高溫計，主要信息包括標準器名稱、型號、編號、量程、證書號、有效期、溫度點、電勢值、誤差等。軟件將標準器信息保存在數(shù)據(jù)庫中，方便校準時調(diào)用。

被校傳感器管理模塊主要是對PtRh40-PtRh20，WRe5-WRe26等類型的熱電偶進行管理，信息包括熱電偶名稱、型號、編號、校準日期、校準證書號、溫度點、電勢值、誤差等信息，其中名稱、型號、編號、校準日期、校準證書號信息是在校準設置時輸入，溫度點、電勢值、誤差等信息是在校準完成后自動更新。被校傳感器管理是用軟件操作Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，例如采用LabVIEW數(shù)據(jù)庫控件組讀取Access數(shù)據(jù)庫信息。

查詢導出模塊主要是對已經(jīng)完成的校準按照校準批次或被校傳感器信息查詢，查看信息并導出記錄或證書。軟件查詢功能主要是利用LabVIEW數(shù)據(jù)庫控件組操作Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，導出功能主要是利用Lab-VIEW中OFFICE控件組操作Word，Excel實現(xiàn)，例如生成證書是利用Word控件實現(xiàn)。

3 校準試驗

為了驗證該自動校準軟件的功能，我們利用該套自動校準軟件對PtRH40-PtRh20，WRe5-WRe26等高溫熱電偶在1500～2200℃范圍內(nèi)進行校準試驗，并按照同樣的方法對這些熱電偶手動進行了校準，人為進行了計算，對這兩種方法進行了比較［2-3］。

3.1 PtRh40-PtRh20熱電偶的校準

對同一支PtRh40-PtRh20熱電偶在1500，1800℃進行校準，與手動校準進行比較，見表1。

表1 PtRh40-PtRh20熱電偶的校準比較℃

3.2 WRe5-WRe26熱電偶的校準

對同一支WRe5-WRe26熱電偶在1800，2000，2200℃進行校準，與手動校準進行比較，見表2。

表2 WRe5-WRe26熱電偶的校準比較℃

綜上所述，通過本自動校準系統(tǒng)手動校準比較，可見，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算準確可靠。

4 結束語

該系統(tǒng)在高溫熱電偶校準裝置的基礎上，參照JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》、JJF1176-2007《(0～1500)℃鎢錸熱電偶校準規(guī)范》、1500℃-2300℃《鎢錸熱電偶校準規(guī)范》(申報稿)處理數(shù)據(jù)，以Lab-VIEW為開發(fā)環(huán)境編寫，實現(xiàn)控制高溫爐升溫、采集數(shù)據(jù)、計算結果、輸出結果的自動化，大大提高了高溫熱電偶校準的效率，降低了工作強度，降低了人為操作引入的誤差。通過與其他方式校準的比較，驗證了該系統(tǒng)的準確性。

［1］陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 141-2013工作用貴金屬熱電偶［S］.北京:中國質(zhì)檢出版社，2013.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1176-2007(0～1500)℃鎢錸熱電偶校準規(guī)范［S］.北京:中國計量出版社，2013.