课程设计热电偶自动检定系统的设计

第一章绪论

1.1设计的意义

1.1.1设计的背景与意义

热电偶在出厂检验时或使用一段时间后，为保证其准确度和正常使用，要进行周期检定。目前，工业上通常采用直接比较法检定，即将被校热电偶和标准热电偶直接比较的一种检定方法。检定时，把被检热电偶和标准热电偶捆扎在一起，送入检定炉，测量端应位于检定炉均匀的高温区中，检定炉内的温度应恒定在被校温度点。热电偶检定炉的温度控制，对于实验或生产过程有着十分重要的作用。本温控系统是利用单片机、温度传感器、加热丝和A/D转换芯片等来实现的数字温度控制系统。单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入控制。同时，其逻辑控制运算是由软件来进行的，可以容易地实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响。因此，基于单片机的温度控制器，可以安全可靠地运行，智能地控制温度稳定在某一给定值，或者给定值附近。本温控系统是用于对温度进行监测和控制的全自动智能调节系统，可以用在工业用电阻炉的温度控制中，实际应用表明该系统稳定性好、寿命长，能很好地满足生产和实验的需要。

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，运算处理较繁杂，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。

本论文结合某企业计量管理部门热电偶检定装置改造项目的实践，充分利用成熟的现代计算机控制技术和数据采集技术，以及目前丰富的软、硬件资源，研制了一种新型的标准热电偶微机自动检定系统。系统选用的硬件设备体积小，功能强大，集成度高而且价格便宜。系统软件设计选用高级计算机程序语言，所开发的工作平台面向对象，界面友好，功能完善。数据采集和分析处理科学准确，简便快捷，整个检定工序基本符合国家检定规程，能够实现热电偶的温标传递工作，一次可同时校验多支不同型号的标准热电偶，精度要求完全满足企事业单位实际的检定需求。

1.1.2热电偶自动检定系统的研究现状

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，国外在检定精度上发展较快。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。

国外较早研究的是美国国家航空与航天局(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’S NVLAP accredited Metrology Laboratory使用比较法可以对--200"cN 1100℃测温范围的温度计进行自动校准。

Fluke Corporation(美国福禄克公司)针对本公司生产的几种型号的恒温装置，温控器及电测仪表，研制了9938METfFEMP温度自动校准软件，可以把该公司的硬件装置组合起来，构成一套温度自动检定系统。

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，国内对热电偶自动检定技术的研究也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。国内生产开发工业热电偶自动检定系统的厂家主要有：浙江洞头自动化仪表厂、北京中航机电研究所、西航电子仪器厂、泰安智能仪器仪表厂、北京康斯特科技、上海华易电子有限公司、北京斯贝克科技有限公司、上海嘉翎仪表材料科技研究所以及其它一些厂家。热电偶检定方法可采用双极比较法、同名极比较法和微分法三种方法中的任意一种，目前的热电偶自动检定系统大都采用双极比较法。它的检定过程如下：

设定若干个温度检定点，当检定炉在某一设定温度点稳定以后，直接测量标准热电偶和被检热电偶的热电势，并分别转换成测量温度值，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势误差和温度误差，判断被检热电偶是否合格，如果合格则计算出检定温度点的测温修正值。待所有设定检定点全部检定完成后，给出检定记录和检定证书。

不论是国外或国内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、数据处理子系统等四个部分组成。组成原理框图如图1．1所示。

检定炉提供热电偶检定的温度源。根据发热原理可分为电阻炉和黑体炉两种。电阻炉是利用电流流过电阻丝进行发热，黑体炉是利用黑体的热辐射原理来获取检定温度。

图1.1 常见热电偶检定系统原理图

(1)前置放大器+ⅣD 采集卡

如将标准热偶及各被检热偶的热电势信号通过高性能多路开关(AD7506)选择切换，送入高精度增益可编程测量放大器(AD625)放大至0"---'2．5V ，然后进入模数转换器(AD7703)转换成20位的串行数据，再经移位寄存器变成并行数据，通过I ／O 口分段进入主机，完成数据采集。这种方法将热电偶信号放大后，经A ／D 转换器转换成数字信号后读入上位机，然后由软件转换成相应的温度。由于热电偶输出信号小，信号经放大器和A ／D 转换后，会产生较大误差。而且，上位机得到的直接是温度值，不能进行热电偶mV 信号的比较。

(2)用高精度数字万能表直接读取热电偶的mV 信号，然后通过RS ．232或GPIB 通信口，传递给上位机。

现在市场上常用的数字万用表主要有以下几种：HY2003A 六位半热电偶热电阻测试仪、KEITHLEY2000数字万用表、HP34401A 数字万用表等。，控温子系统系统对检定炉温度进行精确控制。目前市场上出现的热电偶自动检定系统中控温模块采用两种方式：

(1)用独立的智能表控温

如用日本岛电公司的FP21智能温控仪、恒河公司的UP750等，上位机通RS ．485通信接口与智能表控制参数。这种配置方法控制效果完全由控温仪决定，缺乏灵活性。

(2)上位机+D ／A 转换卡

在这种方式中，控制算法由上位机软件实现，可以尝试采用不同的控制算法，达到更精确的控温效果。数据处理子系统(上位机系统)对采集的热电偶数据进行计算分析，输出检定结果。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，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～块线路板上或一个机箱内。其特点是体积小，成本低，自动化仪表程度高。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，系统扩展性差，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。 检定炉采样系统控温系统数据处理系统

(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。其特点是开发环境优越，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，扩展性强，故易于推广使用。

1.1.3热电偶检定系统的功能

热电偶自动检定系统是一种计算机或单片机、电子技术、自动控制技术于一体的自动化检定系统，该系统以单片机或微型计算机为主题，由低热电势多路数据采集装置，高温控制系统，显示单元和主控制软件构成，主要用于自动检定各种工作热电偶，整个检定过程除需要检定员将热电偶、热电阻捆绑、接线外，其余均在计算机控制下由系统自动完成。因此，可以实现对热电偶的快速检测，避免人为误差，提高了测量校验的准确度，并减轻了检定人员的劳动强度。故该系统可广泛用于计量、军事、电力、石油、冶金、化工等部门。

第二章热电偶的工作及检定原理

2.1热电偶的工作原理

热电偶是由两种材料不同的导体组成的闭合回路，如图2.1所示，图中A、B为两种材料不同的热电极，1、2为两个接点。当对接点1加热，接点1与接点2出现温差，回路中产生电流，这种现象称为温差电势（也称为塞贝克效应），相应地会产生位差电势（也称为塞贝克电势），回路中产生的电流称为热电流。实验证明，当热电极材料一定后，热电动势仅与两接点的温度有关。用热电偶测温时，将接点1焊接在一起置于被测温度场中，接点1称为测量端，接点2处在一个恒定的温度，称为参考端。

图2.1 热电偶结构图

接点1、2的温度分别是T、T0时，热电偶回路中产生热电动势：

（2-1）式中：为塞贝克系数，它根据热电极材料和两接点的温度而定；

为接点的分热电动势；

为总热电动势。

当时，的方向相同，与的方向相反；同理，当时，的方向相同，与的方向相反。热电偶材料和两节点的温度影响热电偶总热电动势大小。

当热电偶的材料和参考端温度已知时，就是一个常数值，则热电偶总热电动势只与温度T有关，它们的关系式由2-1得：

（2-2）

因此，当一定时，热电偶的总热电动势随温度T的变化而变化，也可以

说，一定的热电动势值对应着一定的温度，同时，一定的温度值对应着一定的热电动势值[7][8]。

公式（2-2）是热电偶测温和热电偶检定的理论基础。

2.2 热电偶回路的基本定律

在利用热电偶测温时，必须在热电偶回路中引入连接导线和仪表。为了更好的了解热电偶的测温特性，需了解四条热电偶的基本定律。这些定律归纳为：均质回路定律、中间金属定律、中间温度定律、参考电极定律。

2.2.1 均质回路定律

无论导体的截面、长度以及温度分布如何，均质导体组成的热电偶回路的总电动势为零。可知：如果热电偶的两热电极的材料是均匀导体，那么热电偶的总热电动势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。假如热电偶的两热电极材料不均匀，那么热电偶处于不同的温度场中时，热电偶闭合回路中就会产生非零热电动势，它将影响热电偶总热电动势的测量值。热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的最要指标之一。

2.2.2中间金属定律

在热电偶回路中，一般引入的中间导体的材料与热电极不同，那么，只要中间导体两端处于相同的温度场中，那么是否接入中间导体对热电偶回路的总热电动势是没有影响的。因此，在热电偶回路中接入多种导体后，只要每一种导体两端的温度相同，那么回路中总热电动势就不会受到影响。

在热电偶检定和测温时，显示仪表和中间导线属于中间导体，根据热电偶中间金属定律，只要使得仪表和中间导线的两端温度相同，热电偶产生的总热电动势就没有影响。

2.2.3 中间温度定律

如图2.2所示的热电偶回路，A 、B 为热电极，分别与连接导线和连接，接点温度依次为：T

、

、

，那么回路的总热电动势等于热电偶的热电动势与连接导线、在温度、时热电动势的代数和：

（2-3）

导线连接回路

当连接导线与热电极的材料相同时，公式2-3可化为：

（2-4）中间温度定律热电偶检定和测温中导线补偿的理论基础。

2.2.4参考电极定律

参考电极回路如图2.3所示，热电极C是参考电极，左边所有接点的温度为

T，右边所有接点的温度为，参考电极与热电极A配对时的热电动势为，参考电极与热电极B配对时的热电动势为，那么，两热电极A、B配对后的热电动势的计算公式为：

（2-5）

因此，当知道热电偶两电极与参考电极之间的热电动势，就可以由公式（2-5）计算出热电偶的总热电动势。参考电极定律使热电偶的选配工作简单化。只要知道相关热电极与参考热电极配对的热电动势，就可以算出这两热电极配对时的热电动势。

图2.3 参考电极回路

2.3 热电偶的检定方法

热电偶的检定是按照国家计量部门制定的检定规程，检查热电势值在规定的检定温度下的大小和稳定性是否符合标准，其方法主要有三种：定点法、比较法、空腔法[10]。

2.3.1定点法

定点法是利用纯金属在熔化或凝固时的相变平衡点来分度热电偶的。这些平衡点的温度值已在ITS-90国际温标中进行了规定。纯金属定点法包括坩埚定点法和熔丝法。定点法一般用于标准热电偶的检定，准确率比较高，缺点是检定效

率太低，成本高。

2.3.2比较法

比较法是将被检热电偶和高一级的标准热电偶置于同一温度中进行比较，检验的准确度取决于标准热电偶的等级和温度的稳定性。这种检定方法的工作效率高，可以在任意所需的温度下检验，是工业生产中通用的方法。

比较法有三种：双极法、同名极法、微差法。

1）双极法

双极法是将标准热电偶和被检热电偶的测量端对齐后捆扎在一起，放在检定炉中，当炉温升到检定温度点并稳定时，用数字万用表迅速读出标准热电偶和被检热电偶的电势值，读数顺序为：

标准→被检1→被检2→被检n

↓

标准→被检1→被检2→被检n

读数时要快速准确，每支热电偶的热电势取平均值，将被检热电偶与标准热电偶的热电势比较分析，得到每支热电偶的测量误差。双极法检定原理图如图2.4所示。

图2.4 双极法检定原理图

双极法是热电偶检定的最基本的方法，只要热电偶的检定温度点相同，不同分度的热电偶可以混合检定，但应注意的是，热电偶的测量端必须处在同一均匀的温度场中。双极法检定热电偶要求参考端的温度是0℃。

2）同名极法

同名极法检定的热电偶的型号必须相同，将捆扎好的热电偶插入检定炉内，炉温稳定后，用数字万用表测出标准热电偶正极和被检热电偶正极，标准热电偶负极和被检热电偶负极之间的电势值。同名极法又称为单极法。同名极法的检定原理如图2.5所示。

图2.5 同名极法检定原理图

同名极法检定热电偶时，热电偶的测量端必须捆扎好，否则就会给测量结果带来误差。同名极法检定热电偶时，参考端的温度只要恒定即可，不需0℃。

3）微差法

微差法是将标准热电偶和被检热电偶反向串联，测出热电动势的方法。采用微差法检定热电偶时，热电偶的型号必须相同。由于热电偶的微差电动势比较小，对检定炉炉温的控制要求很高，并且微差法检定热电偶在工业生产中也不常用。

2.3.3空腔法

热电偶在1600℃以上检定时，一般采用空腔法，其示意图如图2.6所示。空腔法的热源是黑体炉，炉子的等温区内是一个近似绝对黑体的圆柱形空腔，空前上端面有一个腔盖，盖的中央有孔；下端面开有一个小孔，称为辐射孔。检定时，热电偶通过腔盖上的孔插入黑体腔内，标准高温计通过瞄准辐射孔测量黑体腔的亮度温度，同时测量热电偶的热电势值。将温度和热电势按照检定规程进行数据处理，得到热电偶的热电势误差值。

图2.6 空腔法示意图

2.4 热电偶的参考端温度补偿

根据热电偶的工作原理可知，热电偶的热电动势不仅与测量端的温度有关，而且还与参考端的温度有关。热电偶的分度表中的热电动势值都是在参考端为0℃的时候给出的。实际应用中，当热电偶的参考端的温度不为0℃时，测得的热电势值需根据公式（2-2）进行修正，因此，热电偶的参考端需处于均匀的温度场中。下面将简单讨论几种热电偶参考端温度补偿方法。

2.4.1 零度恒温法

0℃恒温法是将热电偶参考端的温度处在0℃的恒温状态中，这样测得的热电势值即为热电偶在该温度下的准确值。

现在市场上有专门为热电偶参考端提供稳定而精确地0℃恒温设备，工作稳定，精度高，使用方便。为了保证热电偶参考端的恒温效果好，参考端的插入深度应不少于100㎜。这种恒温参考端的方法，准确度很高[10]。

2.4.2 补偿导线法

由于干扰信号或者参考端环境的影响，热电偶的检定仪器不能直接安装在热电偶附近，需将热电偶的参考端信号从热电偶工作现场引导工作室内，使参考端处于稳定的温度场中，实现热电偶的热电动势的准确测量。补偿导线由补偿导线线芯、绝缘层、护套组成。补偿导线有补偿型和延长型两种[11]。

补偿导线的工作原理就是中间温度定律。补偿导线的热电动势的大小直接影响着热电偶的电动势值。因此，选择补偿导线时应注意一下几点[12]：1）补偿导线只能与对应的热电偶配套使用。若补偿导线的型号与热电偶的型号不同，按中间温度计算热电偶的热电动势时，就会引入补偿导线的热电动势误差，影响热电偶的热电动势的测量精度，相反，补偿导线与热电偶的型号匹配，则会提高热电偶的测量精度。并且，热电偶的补偿导线也不能用普通导线代替；

2）补偿导线与热电偶的正负极必须相对应，不得接错，否则热电偶的测量误差将是正确接法的2倍[13]；

3）补偿导线与热电偶的两接点温度应相同，不得超过规定的温度范围，一般不超过100℃；

4）热电偶接上补偿导线不宜太长，因为补偿导线过长，信号易衰减且易干扰。一般补偿导线的长度不超过15米；

5）补偿导线只是延长热电偶的参考端，因此参考端温度仍需修正[14]。

第三章检定系统硬件设计及其方案选择

3.1系统构成

3.1.1热电偶检定系统组成

热电偶检定系统，由管式检定炉、冰瓶、转换开关、数字电压表、温度控制器等组成，转换开关可接受微机指令，按双极法的检定要求，切换各检测通道，使高精度数字电压表的测量端与相应的测点回路相通，数字电压表按照微机的指令进行电势测量，并把测得电势值送回微机。微机可以按指令要求，进行开关切换和数字电压表的数据采样工作，根据测得的标准热电偶热电势，换算出当前的炉内温度，并按照设定温度点的要求，控制检定炉温度控制器，或者直接调整检定炉温度控制器的输出百分比，改变检定炉的加热电流，从而实现检定炉炉温的精确控制，图3.1为热电偶检定系统组成框图。

图3.1热电偶检定系统组成框图

1冰瓶作用：温度补偿；2数字电压表：测量电压；3检测炉温控制器：用来检测炉温温度；4工控机：进行控制；5检定炉：用来检定炉温；6传感器：将检定炉温度送入检定温度控制器；

3.2系统需要解决的关键技术问题

3.2.1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，自动数据处理，自动打印检定报表。它是一个完整的过程控制系统，但与一般的工业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，这些技术上的要求正是研制热电偶自动检测系统需要解决的关键问题，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。热电偶信号是一个很微弱的信号，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两方面的要求。一是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。0；二是来自于用户的要求，为了提高检定的工作效率，平均每个温度检定点升温和检定时间不超过30分钟，这就要求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。

(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度，需要考虑进行冷端补偿。

3.3系统设计思想

3.3.1冷端补偿方案

由于在研制的热电偶检定系统中不使用冰槽，热电偶冷端暴露于空气中，冷端温度随环境温度变化，必须对此给予补偿。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。因热电偶只在一定精度内线性变化，就精确测量而言，方式一仅能对某温度点给予补偿，不适合本系统。而方式二的前提是，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，所以选择方式二。目前工业

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

(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(㈣IMl403)+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。

以上列出的温度测量方法都必须经过A／D转换等电路，将温度传感器感知的模拟量(电压或电阻信号)转化成温度值，不管采样精度有多少位，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另一种方案，即将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。同时与数据采样系统的设计思想相吻合，提高了仪表的复用率，节省硬件开支。

从热电阻的两端引出接线，用于连接测量仪表或者显示仪表，引线的接法就是接线方法。工业用铂电阻常用银丝作为引出线，高温条件下用镍丝作引出线。铜和镍电阻常用铜丝和镍丝作为引出线。热电阻接线方法有两线制、三线制、四线制三种：

(1)两线制：在热电阻本体的电阻丝两端各接一根引出线的接线方法称为两线制，这种接线方法在热电阻测温时存在引出线电阻变化产生的附加误差。

(2)三线制：在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线，这种接线方法称为三线制，测温时可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制热电阻。

(3)四线制：在热电阻体的电阻丝两端各连两根引出线，这种接线方法称为四线制，在测温时，它不仅可以消除引出线电阻的影响，还可以消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响。四线制多用于标准铂热电阻。

3.3.2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。

最理想的解决方案是每个通道配置一台高精度电量测量仪，这样可避免通道切换引起的寄生电势。但是一台高精度电量测量仪的价格是比较昂贵的，每个通道配置一台是不可取的，将大大降低系统的性价比，同时计算机也没有如此多的通信口来连接。折中的办法是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定，如何选择可程控精度足够高的复用电量测试仪和可程控低电势的多通道切换开关电路，是系统数据采集系统必须解决的问题。

3.4检定炉温度控制器

3.4.1检定炉温控制器的设计

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0，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。

在实际系统中，检定炉温度控制具有大滞后、大惯性、非线性、时变性等特

点，用传统的控制理论和方法很难获得满意的控制效果，设计一种好的控制算法是至关重要的。

3.4.2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，逻辑判断功能强，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。在常规模拟控制系统中的控制器用计算机来代替，就构成了计算机控制系统。

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)与电量测量仪的通信处理，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)数据处理，包括热电偶冷端温度计算，检定炉实际温度计算，被检热电偶误差计算等；

(6)检定炉恒温状态的判断；

(7)热电偶断线、反相检测，报警输出及紧急断电；

(8)检定证书的打印输出；

(9)检定数据的保存及查询。

3.4.3上位机硬件配置

一般在系统设计中应该遵守的共同原则：

可靠性高；操作性好；实时性强；通用性好；经济效益高等。其中高可靠性是系统稳定运行的保证。在没有很强的设计加工能力及很高的工艺水平情况下，为了保证系统硬件的可靠性，同时为了缩短开发周期，降低技术风险，应尽可能选用市场上的成型产品，尽量减少自主开发工作量。本系统选用总线结构的工业控制机来实现系统硬件的功能。在工业控制应用中，所流行的总线主要有ISA总线、STD总线、PCI总线等。这些总线标准各有千秋，很难说谁优于谁。针对不同的应用对象和对象的具体性能和功能要求，某一总线可能会优于另一种总线。由于ISA总线具有软件支撑特别丰富、CPU功能强、市场上各种I／O模板极其丰富、各种高档的图形显示控制卡及其支持软件齐全、工业PC机的价格较为低廉、PC 机联网极为方便、工业PC机功能升级方便、可靠性高等特点。因此，本系统选用支持ISA等总线的台湾研华工业控制机，它的基本配置为：IPC—610P机箱、PCA 一6114P4底板、PCA--6176(内含显卡、网卡)CPU卡、三星750ST显示器、512M内

存、160G硬盘、Sony50X光驱、Philips键盘／鼠标等，另加一台HPl000打印机。

3.5数字万用表的选择

本检定系统中，选择的数字万用表是HP34401A，计算机是通过RS．232异步串行通信口读取数字测量HP34401A采样数据的。RS．232通信采用的是主从设备通信方式，计算机是通信主设备，主动发送通信命令，数字测量仪HP34401A是通信从设备，它们之间通过握手信号的应答，来传递数据。进行通信软件的编程，需要解决两个问题：通信协议、VB如何处理串行通信。

3.6系统组成结构

图3.2 系统组成总框图

对前一节系统主要组成部分的技术分析、设计思路进行总结归纳，得到了如图3．2所示的工业热电偶自动检定系统总体的硬件框架结构。整个系统由测量、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，指挥和协调其它部分的执行。

检定炉提供检定时所需的均匀温场。冷端测温铂电阻给标准热电偶和被检热电偶的提供冷端温度自动补偿。数字测量仪作为检测机构，测量标准和被检热电偶两端的电势以及铂电阻阻值。多路切换开关可接受计算机中开关量输出接口的控制按双极法的检定要求切换标准和被检热电偶检测通道，使数字万用表的测量端与相应的测点回路相通，数字测量仪按照计算机的指令进行电势电阻测量并把测得数值送回计算机。计算机中模拟量输出接口输出4—20mA的电流(该电流信号由计算机根据一定的控制算法计算并经D／A转换得出)，用于触发控温电路中的可控硅导通角。可控硅控温电路的主要功能是执行触发器发出的信号，并能将计算机输出的4— 20mA电流成比例的转换成0—220V电压加在检定炉加热丝两端。

3.6控制单元的设计

3.6.1单片机控制单元

单片机控制单元，是温度控制器的核心，主要包括单片机AT89C52、温度检测电路、时钟电路、LED显示及键盘电路、A/D转换、D/A转换、报警电路、标准信号转换电路等部分，单片机控制单元原理图如图3.3所示。温度信息由温度传感器测量并转换成mV级的电压信号，经过信号放大电路将弱电压信号放大到单片机可以处理的范围内，输入到A/D转换器转换成数字信号，输入单片机AT89C52，在单片机中对信号进行采样。为了进一步提高测量精度，采样后对信号再进行数字滤波。此信号经过数字滤波、标度转换后，一方面通过LED将温度显示出来；另一方面，将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，按积分分离的PID控制算法，得到输出控制量，再经过D/A后进行信号处理，转换为标准信号，根据标准信号控制触发器输出的移相脉冲，从而控制SCR模块导通角来控制电加热炉丝电流的大小，就可以控制电炉丝的加热功率大小，从而调节检定炉内温度的变化，使其逐渐趋于给定值且达到平衡，实现温度的精确控制。

图3.3 控制单元的系统框图

3.7信号放大电路

3.7.1信号放大电路功能

在测量控制系统中，测量放大电路用来将传感器输出的微弱电压、电流或电信号放大到足以进行各种转换处理，或推动示波器、记录器以及各种控制机构。

3.7.2信号放大电路的选择要求

由于传感器数尺的电信号是很微弱的，且与电路间的连接具有一定的距离，就要用电缆传送输出信号

传感器有内阻，电缆有电阻，这些电阻和放大电路产生的噪音，以及环境噪音都会对放大电路造成干扰，影响他的正常工作。因此，对测量放大电路的基本要求是：

1测量放大电路的输入阻抗与传感器输出阻抗相匹配;

2稳定的放大系数；

3低噪声；

4低的输入失调电压和输入失调电流，以及低的漂移；

5足够的带宽和转换速率；

6高共模输入范围和高共模抑制比；

7可调的闭环增益；

8线性好，精度高；

9成本低。

3.7.3信号放大电路的类型

按测量放大电路的结构原理可分为：差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。差动直接耦合时包括单端输入运算放大电路，电桥放大电路，电荷放大电路和等测放大电路。

按元件制造方式可分为：分立元件结构形式，通用集成运算放大器组成形式和单元集成测量放大器三种。相比而言，通用集成运算放大器组成形式具有体积小、精度高、调节方便，但价格昂贵。但随着集成工艺的发展，单片集成测量放大器的价格将大大降低，性能越来越好，在工艺生产中日益广泛。

系统中热电偶测得的热电势信号为毫伏级，而TLC0832得输入级信号是0-5付的标准电信号，所以需要通过放大电路将热电势信号放大到0-5付的标准电信号，才能送给TLC0832进行A/D转换。这里选用三运放高共模抑制比放大电路如图来对信号进行放大处理。

图3.4 三运放高共模抑制比放大电路图

三运放高共模抑制比放大电路是目前广泛应用的放大电路。他由三个集成运算放大器组成，其中N1,N2为两个性能一致的相同输入通用集成放大器，构成平衡对称差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级用来进一步抑制N1,N2的共模信号，并适应接地负载的需求。

3.8A/D转换系统设计

系统选用TLC0832作为A/D转换器，TLC0832是单片机控制系统中常用的A/D 转换芯片，他有两个输入端口，可以分别与标准热电偶和被测热电偶的信号的输出引线相连。我们通过对TLC0832多路器地址的配置选择转换通道，就可以分别对标准热电偶和被测热电偶的热电势信号依此在TLC0832中进行A/D转换，转换完成后得到的数据字信号再送到单片机处理。

3.8.1TLC0832功能及特性简介

A/D转换器电路采用TLC0832进行测量，A/D转换器的输入范围为0-5V,8BIT 串行输出，因此微处理器接口与编程十分方便。

（1）TLC0832的基本特性

TLC0832是八位逐次逼近模数转换器，他有两个可选择的输入通道。TLC0832的特性点如下：

1)8为分辨率；

2可和微处理器接口或独立使用；

3客满量程工作或使用5V基准电源；

4具有单通道或多路器选择的双通道，必可选择单端或差分输入；

5采用单5V供电，输入范围为0-5V；

（2）TLC0832的工作原理：

TLC0832处于工作状态时，置CS端方便可启动转换，并使所有的逻辑电路使能。CS在整个转换过程中必须为低电平，接着从处理器接受一个时钟，当一个时钟的时间间隔自动插入后，可以使多种转换器选定的通道稳定。而当DO脱离高祖状态时，可提供一个时钟的时间间隔的前导低电平，以使多路器稳定。SAR 比较器用于对电阻梯形网络输出的逐次信号和输入模拟信号进行比较，比较器输出则用于表示大于还是小于电阻梯形网络的输出。在转换过程中，转换的数据同时从DO端输出，并以最高位开头。在经过8个时钟后，转换完成，CS变高，内部所有寄存器清零，此时，输出电路变为高阻状态。如果希望开始另一个转换，CS必须有一个从高到低的跳变，且后面应紧着输入地址数据。TLC0832的输入配置可在多路器寻址时序中进行，多路器地址通过DI端移入寄存器。用多路器地址选择模拟输入通道的方法如下: