基于虚拟仪器的检定炉温度控制系统.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

基于虚拟仪器的检定炉温度控制系统
摘 要
热电偶在使用过程中由于受到测量环境、介质气氛、使用温度以及绝缘材料和保护管材料的站污等影响，使用一段时间后，其热电特性会发生变化，尤其是在高温、腐蚀性气氛以及特殊工况下，这种影响就更为严重。因此，必须按照国家检定规程和校准规范要求进行定期检定。近十几年来，国内外在实现热电偶分度、检定自动化方面作了不少研究，有了很大发展，采用了传统的编程语言，编程耗费的时间比较长，依赖于专业程序员和特定的编程语言。由于LabVIEW的开放性和图形化编程方式，温度计量工程师只需懂得一些基本编程知识，便可以对计算机测控系统进行设计。因此，本文提出了基于LabVIEW平台的热电偶检定炉温度自动控制系统。主要分析了热电偶的工作原理、热电偶的检定及检定过程中检定炉的温度控制， 根据检定炉温度特性，运用了传统的PID控制方案，进行热电偶检定炉温度控制系统的软件设计，包括数据采集、温度控制、数据处理等功能。

关键词：热电偶；虚拟仪器；LABVIEW；检定炉；自动控制

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
Intelligent temperature Control system of Assay furnace based on Virtual instrument
Abstract
In the use of the thermocouple, due to the environment, media atmosphere, the temperature used and the impact of sewage stations in pipe insulation and protection materials. after we use it for a period of time, the thermoelectric properties of which will change, especially in the high-temperature, corrosive atmosphere, as well as in the special conditions,and we will find that the influence is even more serious. Therefore, we must test it in accordance with national regulations and regulatory requirements for a period time. Over the last decade, both at home and abroad, a lot of research in achieving test automation of thermocouple has been done, which has made significant progress. Due to the openness and graphical programming approach of LabVIEW, engineers in temperature measurement only need to know some basic programming knowledge, the they will be able to design monitoring and control system. Therefore, in this paper,we made the automatic control system in thermocouple temperature test furnace based on the LabVIEW platform. We make a main analysis of the working principle, the test of the thermocouple, and the temperature control in the process of being tested. according to the characteristics of temperature in furnace, we use the traditional PID control program, and design the software in temperature test system of thermocouple, including data acquisition, temperature control, data processing functions.

Key Words: thermocouple;virtual intrument;LabVIEW;assay furnace;intelligent control

目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 本设计的任务和要求 4
第二章 虚拟仪器概述 6
2.1 虚拟仪器的基本知识 6
2.1.1 虚拟仪器的概念 6
2.1.2 虚拟仪器的发展 6
2.2 虚拟仪器的组成 8
2.2.1 通用仪器硬件平台 8
2.2.2 虚拟仪器与传统仪器的比较 10
2.2.3 虚拟仪器的广泛应用 12
2.3 虚拟仪器的开发平台——LabVIEW 13
第三章 热电偶检定炉控制过程 17
3.1 热电偶概述 17
3.1.1 热电偶的结构 17
3.1.2 热电偶误差的产生 18
3.2 热电偶的工作原理 19
3.3 热电偶的检定 21
3.4 检定炉温度控制过程的总体设计 23
3.4.1 检定炉温度控制的选择 23
3.4.2 检定炉温度控制系统设计原则 25
3.4.3 检定炉温度控制系统设计软件分析 26
3.5 被控对象数学建模 26
第四章 检定炉温度控制系统的硬件组成与实现 30
4.1 系统的硬件组成 30
4.2 检定炉温度控制部分硬件设计 31
4.3 数据采集部分硬件组成 33
4.3.1 数据采集模块 33
4.3.2 信号调理模块 35
第五章 检定炉温度控制系统的软件设计 37
5.1 PID控制部分 37
5.1.1 PID控制程序图 37
5.2 系统验证子VI 37
5.3 数据采集模块子VI 38
5.4 检定炉温度延时设定子VI 40
5.5 检定炉温度报警子VI 41
5.6 总系统VI 42
总结 43
参考文献 44
附录A程序前面板 46
附录B程序图后面板 47
致谢 48

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第一章 绪论
1.1 研究背景
热电偶是目前工业生产过程中应用最广泛的温度测量仪器之一，其工作原理是将温度信号转换成电势信号，配以测量电势信号的仪表，便可以实现温度的测量或温度信号的变换，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体积小和易于维护等优点[1]。从19世纪发展至今已有一百多年历史，现己被广泛应用于石油、化工、水利、航空、航天、核电等行业领域[2]。从塞贝克发现热电效应算起，一百多年来，热电偶发展的历史大约经历了三个不同的阶段。
第一阶段为早期探索阶段。时间从1821年起到第一次世界大战，经历了整整一个世纪。在此期间，由于没有理论指导和经验可循，人们对热电偶材料的研究和当年塞贝克一样，全靠摸索。采用的方法为配对法，即将感兴趣的待试材料直接配成热电偶，实测了近300种热电偶品种。
第二阶段为第一次世界大战后40年。这个阶段的特点是对材料热电特性的研究十分重视。研究方法除了配对法外，还出现了一种新方法——比较法。比较法的核心是选择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极，各种被试材料分别与标准电极组成热电偶，测定这些热电偶的热电势——温度特性曲线。二次世界大战前后，熔钢温度测定问题曾经是推动热电偶材料发展的强大动力。几十年来，对炼钢过程的精炼温度、出钢温度、浇铸温度的测定和控制技术的探求，不仅推动了对新型热电偶材料的探索，而且促使对有关热偶丝的站污、劣化变质、高温脆性和不均匀性等问题的研究日益深入。
第三阶段为60年代至今。这个时期的特点是除了对材料性能和测试方法的研究很重视外，还十分重视对热电偶回路的基本理论及其应用的研究。在研究的方法中，除了传统的配对法、比较法外，还出现了分析法。分析法是以现代热电理论(非平衡态热力学、量子力学应用于热电效应的理论)为指导，综合冶金、物理、化学理论与经验规律来进行热电偶合金的性能研究和综合设计。近40年来，在发展新型热电偶材料方面取得了不少成绩。恺装热电偶材料得到普遍推广使用，产品规格和性能试验多己标准化，随着现代科技的发展和各种尖端技术对测温的要求，为了研制出能在极端条件下和特殊环境介质中使用的新型热电偶材料，改进和提高现有热电偶的精度和可靠性，国内外投入不少人力物力进行研究和开发，重点有两方面:其一，把热电偶作为一种测温仪器，大力改进热电偶的结构，检定方法，安装技术和性能试验，最大限度地发挥热电温度计的潜力和优点；另一方面，把热电偶作为一种特殊材料，研究其热电性与化学组成、杂质元素、物理缺陷和表面状态的关系，以提高测温精度，扩大测温范围，延长使用寿命。
随着时代的发展，热电偶在工业生产中应用越来越广泛，而其测量结果是否准确也成为我们十分关注的问题，所以对热电偶进行定期地检定便非常重要。在工业热电偶检定过程中，检定炉的温度控制的好坏对热电偶检定起关键作用。在实际系统中，炉温问题是相当复杂而又难以用数学公式精确描述的问题。炉温变化与炉内总发热量和总散热量等情况有关。
在传统的热电偶校验及检定方式中，都没有专用的设备，而是通过人工操作许多的检定仪器，来实现对热电偶的检定。这就导致了许多检定仪器的利用率很低，而且接线非常繁杂。如：检定炉温度控制系统多采用模拟PID控制算法，需要人工调整并依据经验做出判断，这对操作人员的能力要求非常高。同时，检定过程中数据的记录也是采用手工方式，由于检定耗时较长，在记录过程中温度往往已经偏离了检定点，并且对检定结果的处理运算量非常巨大。这些因素造成的测量误差已经直接影响到温度量值传递的准确性。由于传统的热电偶检定方式效率的低下而且精确度低，已无法满足现代化企业对温度计量上的需要，由此便给我们提出了新的研究课题：要求我们设计一套只需工作人员作简单设定和接线后，便不再需要人参与，而由系统自动完成对热电偶检定工作的检定系统[3]。
热电偶的检定需要人工手动控温、手动检测，不但检定过程时间长，人员劳动强度大，而且原始数据量大，运算处理较复杂，容易出错。检定工作的低效率，大大影响了企业产品质量，影响工作的正常进行[4]。因此，随着现代计算机技术的飞速发展，高效、准确和可靠这些指标已越来越成为热电偶检定工作的发展趋势和需要。应用计算机进行热电偶自动检定与传统的人工操作相比，具有工作效率高、节约能源、消除人为误差、使测量结果更趋于真值等优点[5]。利用检定炉温度控制系统进行检定，只要将需要检定的热电偶放入检定炉中，在计算机的提示下输入有关参数后，系统根据要求实现升温、恒温等工作。第一个温度点检定完成后，自动转入第二个温度点，直至所有的被检温度点检定完毕，最后系统根据要求打印检定数据。由于在整个测试过程中不需要人工干预，可以大大提高测试精度、缩短人员的劳动强度[6]。由于具有以上优点，所以检定炉温度控制系统是各计量部门、科研单位及有关工厂实现计量检定和产品检验自动化的理想设备。
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，国外在控制精度上发展较快[7]。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。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，国内对检定炉温度控制技术的研究正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。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，是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一块线路板上或一个机箱内。其优点是体积小，成本低，仪表自动化程度高。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，而且在显示及打印输出方面功能有限，故不易推广使用。
(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。其优点是开发环境优越，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，故易于推广使用。其缺点是成本高，体积大，检定系统会占用一定的微机资源。
1.2 本设计的任务和要求
本文以检定炉为研究对象，针对检定炉的温度，在比较研究不同控制策略的基础上，主要对虚拟仪器在检定炉温度控制中的应用进行了研究。利用虚拟仪器的巨大优越性，改善检定炉温度的控制品质，提高控制效果。本文主要论述了检定炉温度控制系统的课题目的、意义，温度控制系统的国内外发展概况及本论文的主要内容并对电阻炉温度控制特点进行了简要分析；介绍了虚拟仪器技术及本论文中用到的智能控制方法。检定炉温度控制系统的设计思路及方案，对系统软件开发平台进行选择；介绍检定炉温度控制系统硬件组成，双向可控硅技术及建立控制对象数学建模；检定炉温度控制系统软件整体设计方案，及各个子模块设计过程；系统运行检验，并对所做工作进行了总结，对未来的研究作了展望。
检定炉具有高度非线性、大时滞、大惯性、时变性等特点，应用传统的PID控制虽然结构简单、容易实现，却依赖于被控对象精确的数学模型且无法保证控制精度。模糊控制虽然能够适用于无法精确建模的物理对象，但要获得好的控制效果需要有系统的先验知识和完整合理的模糊规则，这导致其应用受到了很大局限。虚拟仪器方便设计用户界面和数据采集功能，通过传统PID算法实现对检定炉温度的实时控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重点。

第二章 虚拟仪器概述
2.1 虚拟仪器的基本知识
2.1.1 虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器(Vnrtual Inshument，简称VI)，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作计算机时，就像是在操作他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能的工作模式，使得用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统。在测试系统和仪器设计中尽量用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。
虚拟仪器是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地来完成原来的功能。
2.1.2 虚拟仪器的发展
随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器( Virtual Instrument，简称VI)是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技术、仪器技术以及其它新技术完美结合的产物。与传统仪器相比，虚拟仪器充分利用计算机系统资源，通过计算机总线与外围通用硬件设备构筑了功能更丰富、处理速度更快、测量效率更高、可扩展性更好的仪器系统。近年来，虚拟仪器在测试、控制等领域得到了越来越广泛的应用。
智能控制自20世纪70年代提出以来，一直是当代科学技术中一个十分活跃和具有挑战性的领域。而且由于智能控制融合了人工智能、自动控制、运筹学、计算机、信息处理和认知科学等多种学科知识的一门新兴交叉学科，有着极其广阔的应用前景。特别是由于信息技术与控制技术的飞速发展，促使控制系统向智能控制系统发展，以及自动化技术向智能自动化技术的发展成为一种必然的趋势[8]。
追溯电子测量仪器的发展历史，大体经历了以下的发展历程：
(1)第一代模拟仪器。是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪器借助指针来显示最终结果。
(2)第二代分立元件式仪器。当20世纪50年代出现了电子管，随后60年代出现了晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代仪器。
(3)第三代数字化仪器。20世纪70年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器。这类仪器目前相当普遍，如数字电压表、数字频率计等。
(4)第四代智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理仪表的普及，以微处理器为核心的第四代仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，习惯上称其为智能仪器。其缺点是它的功能块都以硬件(或固化的软件)的形式存在，无论是针对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。
(5)虚拟仪器。由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，电子测量仪器领域出现了一种全新的仪器——虚拟仪器。虚拟仪器与智能仪器有点类似，它是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为基础，来实现各种仪器功能。采用虚拟仪器技术构建的测试仪器，具有开发效率高、可维护性强、测试精度高、稳定性和可靠性好等优点，因此具有较高的性能价格比，便于节省投资、设备更新和功能转换与扩充。
2.2 虚拟仪器的组成
虚拟仪器一般由通用计算机（PC机）、数据采集卡及软件系统组成。一个由通用仪器硬件平台和应用软件组成的复杂系统，虚拟仪器的结构如图2.1所示。

图2.1虚拟仪器的结构
2.2.1 通用仪器硬件平台
虚拟仪器的硬件平台由通用计算机和I/O接口设备两部分组成。I/O接口设备主要完成信号的采集、放大、模/数转换等。根据I/O接口设备总线类型的不同，虚拟仪器可分为五类：PCI总线虚拟仪器、GPIB总线虚拟仪器、VXI总线虚拟仪器、PXI总线虚拟仪器、串口总线虚拟仪器。
(1) PCI总线虚拟仪器：这种方式是借助于插入计算机接口扩展槽中的功能板卡与专用的软件相结合而实现的具有特定功能的测试仪器。它充分利用了PC机总线、机箱和电源等硬件资源以及其丰富的软件资源。PCI总线具有即插即用功能，能够自动配置参数并支持PCI总线扩展板，使用方便。
(2) GPIB总线虚拟仪器：GPIB总线(General Purpose Interface Bus)是HP公司在70年代推出的台式仪器接口总线。它目前是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的主流并行总线。GPIB测试系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用[9]。
(3)VXI总线虚拟仪器：VXI(VME Bus Extensions for Instrumentation)总线支持即插即用，人机界面良好，资源利用率高，容易实现系统集成，大大地缩短了研制周期，且便于升级和扩展。不足的是VXI系统的成本相对较高。VXI总线虚拟仪器因其集成化、标准化、快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性而迅速发展，将会成为未来计算机仪器发展的主流。
(4) PXI总线虚拟仪器：PXI总线是1997年美国NI公司发布的一种高性能低价位的开放性、模块化仪器总线。PXI系统易于集成与使用，从而降低用户的开发费用，所以在数据采集、工业自动化系统和图像处理等方面获得了广泛应用。PXI体系结构是以国内最普及的PCI总线为基础的体系结构，其总线吞吐率高、硬件的价格较低，因此，比VXI总线方式更容易在近期内抢占国内的虚拟仪器市场[10]。
(5)串口总线虚拟仪器:通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)具有传输速率高、支持异步和等时传输等特点。它可以通过与计算机的通信来获得USB设备的配置指令，从而灵活地改变自己的外部特性，实现了智能化的接口功能。另外它可以实现关键设备的资源共享，减少了成本。
无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PCI总线虚拟仪器是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。虚拟仪器的核心是软件，软件开发平台的水平在很大程度上代表了虚拟仪器的水平[11]。虚拟仪器软件由两大部分构成:应用程序和1/0接口仪器驱动程序。随着计算机技术和软件技术的飞速发展，各种专用仪器开发系统的功能也越来越强大和完善。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和Lab Windows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成开发工具。
2.2.2 虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器与传统仪器相比，最直观的区别就是与用户进行交互的面板。传统仪器面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，容易导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的准确性和便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，他们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。
表2-1虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器
传统仪器
开发和维护费用低
开发和维护开销大
技术更新周期短（1~2年）
技术更新周期长（5~10）
软件是关机，系统性能升级方便，通过网络下载升级即可
硬件是关键，升级成本高
价格低廉，仪器资源可重复利用率高
价格一般较昂贵，仪器资源可重复利用率低
可通过网络连接其他仪器，实现资源共享或协同工作
功能一般比较单一，只能连接有限的独立设备
开放性好，比较灵活，可与计算机技术保持同步发展
开放性差，利用新技术为自己服务速率低
用户可自定义功能，并且可以根据实际情况更改
只有厂商定义功能，并且一旦定义好了，就难以更改
从表(2-1)可以看出与传统仪器相比，虚拟仪器具有绝对的优势。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具有的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。虚拟仪器在性价比、灵活性以及用户使用方便方面，具有传统仪器不可比拟的优势。以一台高性能仪器为例，用户可以装配一台装有基于硬件和软件部分的个人计算机系统，为专门的应用软件设计虚拟仪器[12]。硬件部分可以是插入式主板、外围仪器，或者两者的结合。在任何一种情况下，软件界面可按照用户的需求进行设计，以使用户操作方便和快捷。用户可以通过虚拟仪器来简化一台复杂的独立仪器的操作，虚拟仪器也可以只作为集中控制仪器的一个部分，只实现其中的一部分功能，其使用是相当灵活的。如今，许多插卡式的数据采集主板同时还设置了技术先进的直接存储器存取、定时以及兼容于多种主板的触发功能，增强了主板之间的同步性和信号祸合性。这些技术上的进步，再加上操作系统功能和计算机体系结构方面的发展，己经使得个人电脑具有并行处理的能力，从而可以成为更加先进的仪器和数据采集应用程序的平台。然而，技术的进步是以复杂性的提高为代价的，比起使用具有类似功能的一台独立仪器[13]，用户必须具备更多有关硬件方面的知识。虚拟仪器软件对于将这些技术尖端的硬件组成变成实际可用的仪器系统是必不可缺的。其技术的优势在于可由用户自己定义仪器系统功能，且定义的功能也比较灵活，也很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号校正器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可以检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据;它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程;它集成方便不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统[14]。
2.2.3 虚拟仪器的广泛应用
虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景十分广泛。从总体上而言，虚拟仪器是测量测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试技术的网络化、智能化发展趋势。虚拟仪器技术应用方式多种多样，下面主要针对虚拟仪器技术在工业自动化，仪器制造和实验室方面的应用前景和效益进行分析。
(1)工业自动化
我国工业基础比较落后，工业自动化程度远不能满足市场经济快速发展的要求。制约工业自动化水平提高的一个关键因素就是企业缺乏开发自动化控制和管理软件的专业人才。许多生产第一线的工程师熟悉设备与工艺流程，但是不具备程序员的专门编程能力，往往控制系统软件是交给研究人员或大学程序员编写的，软件设计与使用脱节。传统的软件设计方法使得实际工程人员很难掌握和修改专业人员编写的软件，工作积极性和创造力受到影响，许多项目实际效果并不理想。虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用，有利于提高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。另一方面，采用虚拟仪器技术，根据实际工艺流程和控制要求，将分布在企业不同位置的各种测量仪表和控制装置连接成为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，可以改变采用传统单元仪表分散时工作成本高，维护困难，资源配置重复等缺点，提高工业自动化改造的经济效益，降低管理成本。
(2)仪器产业改造
仪器制造业是代表一个国家科技和工业发展水平的一个重要领域。是否具备各种先进和高性能仪器，对整个国家的科技开发能力，国防高科技技术水平和工业现代话水平都有直接或潜在的重要影响。由于工业基础比较落后，我国的仪器制造，尤其是高性能科学仪器的制造还远远不能满足国防和经济建设发展的需要。目前，像数字示波仪，频谱分析仪和逻辑分析仪等中高档仪器还依赖于进口。即使像数字万用表，发生器等基础测量仪器，国产的与进口的产品在功能上，易用性方面仍存在差距。传统台式仪器制造水平不仅取决于设计，还依赖于工艺和加工水平，因此短期内提高是有一定困难的。采用虚拟仪器技术，将过去的仪器中许多靠硬件来完成实现的功能用软件来代替，利用商品化的数据采集和PC技术，完全可以开发出各行各业急需的各种测量仪器，缩短我国与世界先进国家在仪器领域的差距。这是采用高新技术改造传统产业的一个大有可为的领域[15]。
(3)实验室应用
电子仪器与测试实验室是高等工科院校必备的教学实验条件。为了提供一定的实验规模，保证每个学生得到实际动手能力的训练，传统的教学实验室一般需要购置大量的基础测量仪器，如示波器，万用表，信号源，投资大，技术更新快，维护困难。利用虚拟仪器技术，我们可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作等方面完全一样的全软件虚拟仪器。利用这些虚拟仪器，学生在计算机上就可以学习和掌握仪器原理，功能与操作，并通过仪器与仪器，仪器与电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与用实际仪器教学相同的目的。这种思想对从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设与管理成本，实现远程实验教学具有重要的参考价值[16]。
2.3 虚拟仪器的开发平台——LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言，它是由美国NI公司(NATIONAL INSTRUMENT Company)推出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境[17]。它把复杂的语言编程简化成用图形编程的方式，为编程的调试提供了简单方便的环境，同时集成了大量的生成图形界面的模块，丰富的数值分析与处理功能。LabVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。其开发环境下提供的应用程序有180多种，除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模板外，内部还包括许多特殊的功能库函数和开发工具库以及多种以及设备驱动功能。LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。它集成了GPIB, VXI, PXI, RS-232和RS-485协议以及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP, ActiveX等软件标准的库函数。
LabVIEW的程序包括前面板(Front Panel )、流程图(Block Diagram)以及图标/连接器(Icon/Connector)三部分。LabV IEW简化了虚拟仪器系统的开发过程，缩短了系统的开发和调试周期，它让用户从烦琐的计算机代码编写中解放出来，把大部分精力投入系统设计和分析当中，而不再拘泥于程序细节。它的程序由前面板(front panel)和流程图(block diagram)两部分组成，整个程序是基于多线程的设计，前面板和流程图各占用一个线程。前面板是LabVIEW程序的图形用户接口，此接口集成了用户输入，并显示程序的输出，相当于传统仪器的面板。前面板包括旋钮、按钮、图形和其它的控制(controls)与显示对象(indicators)流程图包括虚拟仪器程序的图形化源代码。在流程图中对VI进行编程，以控制和操作定义在前面板上的输入和输出功能。流程图包括内置于LabVIEW VI库中的函数(functions)和结构(structures)，还包括与前面板上的控制对象、显示对象对应的连线端子(terminals) 。
LabVIEW是一个面向最终用户的工具，它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率，其主要特点可归纳为如下几点:
(1)简单的方案即使没有多少编程经验，仍可以方便的使用LabVIEW，因为它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，提供大量的仪器面板中的控制对象。此外，LabVIEW按其易用的方式将复杂的任务包装起来，从而复杂任务得到简化。先进的ActiveX技术融合了简单的拖动编程方法，仪器控制和数据采集在开发向导的引导下变得十分简单，使用户十分容易地开发自己的仪器，并将其立即投入使用。
(2)灵活的仪器将LabVIEW与一般的数据采集及仪器加以组合，可以设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适用的平台上使用。
(3)方便的程序调试具有一些专用程序开发箱，可以在源代码中设置断点，单步执行源代码，高亮显示，连线上设置探针，动态执行程序，观察程序运行过程中数据流的变化。
(4)完整的开发环境LabVIEW软件包中包含了功能强大的数据采集、分析和表达的能力，使用户可以在该平台上实现一个完整的解决方案。另外，它还有一个多线程和用于最大限度提高系统性能的优化图形编辑器。这样，不仅简化了开发过程，而且可生成按编译速度执行的可复用代码。此外，LabVIEW还可以生成在没有LabVIEW编程环境的目标机器上运行可执行的代码。
(5)快速开发的LabVIEW为用户提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯。用户不必学习各种仪器的低级编程协议，从而简化了仪器的控制，缩短了开发时间，提高了生产效率。
(6)开放的平台提供的DLL接口和CIN接口节点，使用户能在它的平台上使用其它应用软件编译的模块，能调用C语言程序、Matlab程序及已存在的DLL库函数，是一个开放的平台[19]。
目前，NI共提供了多种软硬件产品，应用遍布电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、教育等各个行业领域。从日本的Honda汽车测试、澳洲的心脏起搏器设计/验证，到英国电信电话线路性能测试，全世界数以万计的工程师和科学家们都在使用NI的产品达到他们共同的目的—更快、更好、更省钱。85%的全球500强制造型企业是NI虚拟仪器技术的用户[20]。
尤其要提及的是在NI公司的LabVIEW这个开发平台上，应用NI的技术，虚拟仪器网络化也成为了现实。虚拟仪器网络化是指将工作于试验现场的虚拟仪器通过网络扩展到远程应用领域。网络化的虚拟仪器可以为远程故障诊断提供形象生动的现场资源，增强临场感。要实现虚拟仪器在网络平台上的应用最关键的问题是:如何充分考虑到虚拟仪器测量的数据量大、实时性强等特点，有效地将采集到的信号转化为适合于在以太网上传输的数据信号，从而实现在应用程序间共享现场采集的数据。尽管现在TCP/IP DDE等技术可以现实应用程序间数据共享，但是这些技术大多数都不适用于现场数据的传输，DataSocket编程技术能够非常有效地解决上述的问题。
第三章 热电偶检定炉控制过程
3.1 热电偶概述
3.1.1 热电偶的结构
从结构上看热电偶是十分简单的，但其理论却比较复杂，它是一种能获得高测量准确度的仪器，但也是一种容易出现误差的仪器。对热电温度计的理论和特性如果不作较深入的了解，不仅其潜力不能充分发挥，往往还会发生选配错误和使用不当，造成较大的测量误差。故本章重点介绍了研究对象的测温原理和标准热电偶的相关检定规程。热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应[21]。如图3.1所示，把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路，当两接点1与2的温度不同时，如T >T0，则回路中就会产生热电势E'AB(T, T0)。导体A和B叫做热电极。两热电极A和B的组合称作热电偶。在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端[22]。

图3.1热电偶结构图
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准热电偶在使用范围或数量级上均不及标准热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量，这里我们主要介绍标准热电偶。目前国际上规定了以下8种标准热电偶:S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我国从1988年1月1日起，热电偶全部按IEC国际标准生产，并指定S, B,E, K, R, J, T七种标准热电偶为我国统一设计型热电偶。
3.1.2 热电偶误差的产生
热电偶产生测量误差有3个原因：一是在制造时，热电偶材料由于受到外力的作用而产生应力，造成应力分布的不均匀;二是在使用中往往会受到其他化学成分的影响而使得材料成分发生变化;三是使用中产生的误差。后者因与工艺或生产过程有关，这里不再赘述，只讨论前面2个原因。根据《JJG351-96工业用廉金属热电偶检定规程》规定，新制造或使用中的热电偶必须经检验合格后方可使用。然而，在检定过程中经常会出现一些超出允许误差的检定偏差。出现这种情况是由于热电偶由2个不同的金属导体制成，导体内自由电子的运动产生热电势，它与制作热电偶热电极的材料均匀性有关。若热电极材料不均匀，两热电极又处于温度梯度中，则热电偶回路中就会产生一个附加电势。此附加电势的存在会使热电偶的热电特性发生变化，降低测温的准确性。而造成热电极材料不均匀的主要原因有化学成分和物理状态两方面。