工业热电偶计量检定系统设计

张洪魁

[摘  要]设计一种自动检定效率高、工作稳定、检定准确且具有检定数量可拓展的工业热电偶计量检定系统。系统组成包括有检定炉及其炉温调控单元、多路检测选择及采集单元和主控单元，检定炉内置有炉温热电偶、标准热电偶和被检热电偶;炉温调控单元基于炉温热电偶，连接有温度变送器、PID调节器和功率调整器，PID调节器和功率调整器与主控单元之间通讯总线连接;多路检测选择及采集单元基于已置于检定炉内的若干热电偶，每一热电偶连接有受继电器驱动联动的低电势转换开关后，再并联、连接至热电偶输入模块的一输入通道端口，每一继电器驱动电路的输入端连接光电耦合器，构成采集启动转换电路，数据采集卡受控于主控单元的循环扫描指令，数据采集卡的各数字通道依次连接于各采集启动转换电路输入端。系统总不确定度优于0.7℃，重复性误差小于0.25℃。

[关键词]工业热电偶;计量检定;系统设计

中图分类号：TP273 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）22-0003-01

0 引言

热电偶是日常生活和工农业生产中广泛使用的测温部件。为使之确保其温度感应的准确性，以真实反映实际温度值，制造商的检测部门需要对出厂产品实施出厂检定，另外，已达到一定使用周期的热电偶也需要重新检定，消除测温误差，保证测温结果的准确性。现有的检定方法仍普遍采用手工操作方式，检定效率低、精度差。为此，现有技术中虽推出了多种工业热电偶自动检定装置，也各有特点，但检定的稳定性、准确性、检定数量拓展和检定效率等方面仍非理想[1]。

1 检定系统硬件设计原理

1.1 检定系统工作原理

控温热电偶、温度变送器、调节器、功率调整器构成热电偶检定点温度控制系统。NI9211热电偶输入模块，用来测量标准被检热电偶的毫伏值，它包含一个24位的delta-sigma模数转换器、防混叠滤波器、热电偶开路检测和冷端补偿，从而实现高精度热电偶测量。NI 9211包含NIST校准，还具有通道—地面接地双重隔离屏障，实现了安全性、抗扰性和高共模电压范围。

PCI1716数据采集卡，用来自动检定多只被检热电偶时，自动测量用。同时与工控机进行数据通讯。

PCI1716数据采集卡与低电势精密转换开关链接电路，将PCI1716数据采集卡的数字量输出信号转换为8路热电偶连接电路。低电势精密多通道转换开关，用来检定测量多只被检热电偶转换用。

主要用于对标准热电偶和工作用热电偶在测量中进行转换，通过手动操作或标准接口控制，可将此转换开关中的任意一路转换接到输出。开关触点有很低的热电势（小于0.4微伏）。多路开关切换可以与PCI1716数据采集卡与低电势精密转换开关链接电路配合实现计算机程序控制。

工控机Labview软件，采集现场数据，监控检定过程，对检定结果进行自动处理。打印机实现对热电偶检定记录表和检定证书进行打印。

1.2 PCI1716数据采集卡与低电势精密转换连接电路

D00…D07为PCI1716数据采集卡数字量输出口，C1、P1为低电势精密转换开关公共端;1C1、1P1…8C1、8P1 PCI1716为低电势精密转换开关与标准和被检热电偶接入端。IC1…IC8、R1…R8、D1…D8、BG1…BG8、J1…J8组成隔离驱动自动控制电路。实现热电偶检定过程中标准热电偶和被检热电偶数据的自动测量。

1.2 温控系统、低电势精密转换开关、热电偶输入模块原理图

温控系统、低电势精密转换开关、热电偶输入模块原理图，如图1所示。

1.3 检定系统误差计算公式

300℃以上热电动势误差Δe用下式计算[2]：

（1）

（1）式中：—被检热电偶在某检定点附近温度下，测得的热电动势算术平均值;

—标准热电偶证书上某检定点温度的热电动势值;

—标准热电偶在某检定点附近温度下，测得的热电动势算术平均值;

—被检热电偶分度表上查得的某检定点温度的热电动势值;

、—分别表示标准、被检热电偶在某检定点温度的微分热电动势。

2 检定系统软件设计

软件设计采用美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台，LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）。结合数据库和报表工具包来完成热电偶计量检定系统的软件设计。

3 实验测试

（1）测试所需仪器设备：管式炉，其长度为600mm，加热管内经为40mm 。参考端恒温器，恒温器内温度为（0±0.1）℃。标准热电偶，铂铑10-铂（S型）1支。被检热电偶，镍铬-镍硅（K型）1支。K型热电偶的电极直径φ1.0，精度等级Ⅰ级，误差1.6℃。检定温度点为400℃、600℃、800℃。

（2）测试过程：当炉温升到检定点温度，炉温变化小于0.2℃/min，自标准热电偶开始，依次测量各被检热电偶的热电动势。测量顺序如下：

读数应迅速准确，时间间隔应相近，测量读数不应少于4次。测试时管式炉温度变化不大于±0.5℃。

4 结束语

工业热电偶计量检定系统是工业热电偶自动检定时的必备装置，实现了在热电偶检定时，检定点温度控制;检定数据采集、处理、记录、显示;打印检定数据记录表和检定证书等由计算机自动完成。克服了手动检定热电偶时的数据处理繁琐、出错率高、检定人员劳动强度大、检定费时等情况。提高了热电偶检定的工作效率和数据精度。该成果已在辽宁机电职业技术学院仪表检定实训室得到应用。取得了较好的效果。

参考文献

[1] 赵景辉.工业热电偶计量检定系统：中国.201420844897.1[P].2014-12-26.

[2] 工作用廉金属热电偶检定规程JJG351-1996.中国计量出版社，2010.