楊新圓，呂國(guó)義，張賀，陳煒，王曉璐

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

高溫?zé)犭娕际?500～2300℃接觸測(cè)溫的主要傳感器，包括PtRh40-PtRh20，WRe5-WRe26，WRe5-WRe25等類(lèi)型的熱電偶。這些熱電偶采用高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置，以標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，采用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)楦邷責(zé)犭娕夹?zhǔn)裝置操作復(fù)雜，為了減小人為操作引入的誤差以及減小計(jì)量人員的工作量，提高工作效率，我們參照相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范或檢定規(guī)程，在Windows操作系統(tǒng)下，利用Labview語(yǔ)言，通過(guò)控制溫度控制裝置、掃描開(kāi)關(guān)、數(shù)字電壓表，實(shí)現(xiàn)高溫?zé)犭娕嫉淖詣?dòng)校準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出一套高溫?zé)犭娕甲詣?dòng)校準(zhǔn)軟件。

1 校準(zhǔn)裝置硬件組成

高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)、數(shù)字電壓表、掃描開(kāi)關(guān)、冰瓶等組成，如圖1所示。

圖1 高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置框圖

校準(zhǔn)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(dǎo)線連接后(接點(diǎn)插入冰瓶)接入掃描開(kāi)關(guān);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(shè)定溫度;真空充氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)為高溫?zé)犭娕紮z定爐的輔助系統(tǒng)，主要是保護(hù)爐體及被校傳感器;標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)量爐膛中間位置的溫度;系統(tǒng)軟件控制掃描開(kāi)關(guān)切換通道;數(shù)字電壓表分別讀取標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)和被校傳感器的讀數(shù)，讀數(shù)傳輸給計(jì)算機(jī);系統(tǒng)軟件通過(guò)比較計(jì)算得出被校傳感器在該溫度的誤差。

比較法校準(zhǔn)方法:爐溫升到設(shè)置的檢定點(diǎn)，穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量，自標(biāo)準(zhǔn)器開(kāi)始，交替順序測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)的溫度和被校傳感器的熱電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量次數(shù)不少于10次。測(cè)量順序?yàn)?標(biāo)準(zhǔn)—被檢—標(biāo)準(zhǔn)—被檢。標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)測(cè)得爐溫實(shí)際值按式(1)計(jì)算。

被校準(zhǔn)熱電偶在校準(zhǔn)點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)誤差Δet按式(2)和(3)計(jì)算。

被校準(zhǔn)熱電偶在校準(zhǔn)點(diǎn)的溫度誤差Δt按式(4)計(jì)算。

式中:A為石英玻璃透過(guò)率修正系數(shù)，A=3.4×10-6;Tw為帶玻璃窗口標(biāo)準(zhǔn)所測(cè)溫度值，℃;t實(shí)為不帶窗口標(biāo)準(zhǔn)所測(cè)溫度值，℃;e被為被校準(zhǔn)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)附近測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)算術(shù)平均值，mV;S被為被校準(zhǔn)熱電偶在校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的微分熱電動(dòng)勢(shì)，mV/℃;t校為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)與實(shí)際溫度的差值，℃;t校為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，℃;t實(shí)為實(shí)測(cè)溫度值(標(biāo)準(zhǔn)器)，℃;e分為被校準(zhǔn)熱電偶分度表上查得的校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的熱電動(dòng)勢(shì)值，mV。

2 軟件設(shè)計(jì)

在高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW為開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)軟件［1］。

2.1 程序流程

根據(jù)高溫?zé)犭娕急容^法校準(zhǔn)過(guò)程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 模塊化程序功能

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件程序模塊包括系統(tǒng)設(shè)置、自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程模塊、標(biāo)準(zhǔn)器管理、被校傳感器管理、查詢導(dǎo)出等模塊。

系統(tǒng)設(shè)置模塊主要包括數(shù)字電壓表、掃描開(kāi)關(guān)、溫度控制裝置等硬件設(shè)備信息的設(shè)置，以及計(jì)算機(jī)與這些硬件通訊參數(shù)的設(shè)置。

自動(dòng)校準(zhǔn)模塊主要包括控制高溫檢定爐升溫并穩(wěn)定在校準(zhǔn)溫度、監(jiān)視爐溫判斷達(dá)到校準(zhǔn)要求、控制掃描開(kāi)關(guān)切換通道、讀取標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)值轉(zhuǎn)化成溫度、讀取被校傳感器電勢(shì)值、計(jì)算被校傳感器電勢(shì)值和誤差、更新傳感器數(shù)據(jù)信息。

如圖3所示自動(dòng)校準(zhǔn)模塊界面，主界面分為幾個(gè)功能區(qū)，上面一行為標(biāo)題欄，顯示軟件名稱(chēng)和開(kāi)發(fā)單位，左側(cè)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?yàn)楸O(jiān)控曲線顯示、采集數(shù)據(jù)顯示，右側(cè)區(qū)域內(nèi)容主要有標(biāo)準(zhǔn)溫度、電勢(shì)實(shí)時(shí)顯示，標(biāo)準(zhǔn)量程選擇，開(kāi)始監(jiān)控按鈕、開(kāi)始采樣按鈕以及停止按鈕。

圖3 自動(dòng)校準(zhǔn)界面

自動(dòng)校準(zhǔn)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(jì)算，其中硬件通訊、電勢(shì)-溫度轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵程序采用集成模塊設(shè)計(jì)。

標(biāo)準(zhǔn)器管理模塊主要是對(duì)校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行管理，高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置使用的標(biāo)準(zhǔn)器是標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)，主要信息包括標(biāo)準(zhǔn)器名稱(chēng)、型號(hào)、編號(hào)、量程、證書(shū)號(hào)、有效期、溫度點(diǎn)、電勢(shì)值、誤差等。軟件將標(biāo)準(zhǔn)器信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便校準(zhǔn)時(shí)調(diào)用。

被校傳感器管理模塊主要是對(duì)PtRh40-PtRh20，WRe5-WRe26等類(lèi)型的熱電偶進(jìn)行管理，信息包括熱電偶名稱(chēng)、型號(hào)、編號(hào)、校準(zhǔn)日期、校準(zhǔn)證書(shū)號(hào)、溫度點(diǎn)、電勢(shì)值、誤差等信息，其中名稱(chēng)、型號(hào)、編號(hào)、校準(zhǔn)日期、校準(zhǔn)證書(shū)號(hào)信息是在校準(zhǔn)設(shè)置時(shí)輸入，溫度點(diǎn)、電勢(shì)值、誤差等信息是在校準(zhǔn)完成后自動(dòng)更新。被校傳感器管理是用軟件操作Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，例如采用LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)控件組讀取Access數(shù)據(jù)庫(kù)信息。

查詢導(dǎo)出模塊主要是對(duì)已經(jīng)完成的校準(zhǔn)按照校準(zhǔn)批次或被校傳感器信息查詢，查看信息并導(dǎo)出記錄或證書(shū)。軟件查詢功能主要是利用LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)控件組操作Access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)出功能主要是利用Lab-VIEW中OFFICE控件組操作Word，Excel實(shí)現(xiàn)，例如生成證書(shū)是利用Word控件實(shí)現(xiàn)。

3 校準(zhǔn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的功能，我們利用該套自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)PtRH40-PtRh20，WRe5-WRe26等高溫?zé)犭娕荚?500～2200℃范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，并按照同樣的方法對(duì)這些熱電偶手動(dòng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，人為進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)這兩種方法進(jìn)行了比較［2-3］。

3.1 PtRh40-PtRh20熱電偶的校準(zhǔn)

對(duì)同一支PtRh40-PtRh20熱電偶在1500，1800℃進(jìn)行校準(zhǔn)，與手動(dòng)校準(zhǔn)進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 PtRh40-PtRh20熱電偶的校準(zhǔn)比較℃

3.2 WRe5-WRe26熱電偶的校準(zhǔn)

對(duì)同一支WRe5-WRe26熱電偶在1800，2000，2200℃進(jìn)行校準(zhǔn)，與手動(dòng)校準(zhǔn)進(jìn)行比較，見(jiàn)表2。

表2 WRe5-WRe26熱電偶的校準(zhǔn)比較℃

綜上所述，通過(guò)本自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)手動(dòng)校準(zhǔn)比較，可見(jiàn)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)在高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)裝置的基礎(chǔ)上，參照J(rèn)JG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》、JJF1176-2007《(0～1500)℃鎢錸熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》、1500℃-2300℃《鎢錸熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》(申報(bào)稿)處理數(shù)據(jù)，以Lab-VIEW為開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)控制高溫爐升溫、采集數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果、輸出結(jié)果的自動(dòng)化，大大提高了高溫?zé)犭娕夹?zhǔn)的效率，降低了工作強(qiáng)度，降低了人為操作引入的誤差。通過(guò)與其他方式校準(zhǔn)的比較，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

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

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

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1176-2007(0～1500)℃鎢錸熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2013.