VST．R-901標準熱電偶自動檢定系統若干問題的探討

熊澤生　熊敬東　王登秀
　　［摘要］　概述了VST．R-901標準熱電偶自動檢定系統的組成和工作原理；通過對這套自動檢定系統進行分項綜合測試，充分肯定了其性能特點和推廣應用價值；為了方便地開展熱電偶一等標準傳遞二等標準的計量檢定工作，對這套自動檢定系統的改進，從系統控溫參量的調整、溫場測試方法、數據和表格處理及檢定爐保護等方面，提出了一些建議。
　　［關鍵詞］　預測控制；自動檢定系統；標準熱電偶
　　［中圖分類號］　TK31　［文獻標識碼］　A　［文章編號］　1006-3986（1999）01-0037-03

　　VST．R-901二等標準熱電偶自動檢定系統是上海電力學院、山西省電力試驗研究所和浙江洞頭自動化儀表廠合作研制生產的熱電偶自動檢定裝置。它專為鉑銠10-鉑(S型)標準熱電偶的自動檢定而設計，這套裝置按《中華人民共和國計量器具檢定規程—標準鉑銠10-鉑熱電偶(JJG75-95）》的要求進行開發研制，目前已經開始推廣應用在電力系統的一些試驗研究院(所)中，作為熱電偶一等標準裝置并對二等標準進行量值傳遞。
1　裝置的組成和工作原理
　　VST．R-901二等標準熱電偶自動檢定系統的組成如附圖所示。



附圖　VST．R-901標準熱電偶自動檢定系統的組成框圖
　　S型標準熱電偶和被檢熱電偶捆扎后裝在管式檢定爐中，熱電偶冷端與銅導線相接，其接點置于冰點器中以保持熱電偶冷端為0℃。與熱電偶相接的銅導線接至掃描開關，該開關可接收微機指令，按雙極法和同名極法的檢定要求切換，使數字電壓表的測量端與相應的測量回路接通。數字電壓表按微機指令進行電勢測量并把測得的電勢值送回微機。微機根據檢定工作的要求，控制掃描開關的工作和數字電壓表的采樣，根據測得的熱電勢換算出當前的爐內溫度，并按照檢定爐爐溫的控制要求發指令給測控儀，測控儀再通過控溫伺服器改變檢定爐的加熱功率，實現檢定爐爐溫的自動控制。當檢定爐的爐溫達到檢定點的設定溫度時，微機則控制掃描開關巡回切向標偶和各被檢偶，每切換好一路，就令數字電壓表測量該回路的電勢值并把所測數據傳回微機存儲待用。當獲得所有數據后，微機則可以按檢定規程的要求做檢定計算，然后整理檢定結果并記錄在檢定證書，測量記錄和數據綜合等表格中。
2　對裝置的綜合考評
　　湖北省電力試驗研究所熱工室于1998年5月份對VST．R-901二等標準熱電偶自動檢定系統的性能進行了分項綜合測試，具體結果如下：
　　（1）　爐溫控制［1］
　　爐溫偏離檢定點(鋅點、銻點和銅點)溫度可控制在±5℃范圍內；爐溫變化率可控制在0．1℃／min范圍內；
　　在檢定點的測量過程中，爐溫變化可控制在5℃以內。
　　（2）　數字電壓表
　　按檢定規程［1］的要求，檢定一等標準熱電偶時，需配備測量準確度不低于1×10－4，分辯率不低于0．1　μV的電測設備；檢定二等標準熱電偶時，需配備測量準確度不低于2×10－4，分辨率不低于1　μV的電測設備。這套裝置配備了高精度的數字電壓表，其準確度和分辨率甚至高于檢定一等標準熱電偶所需配備的電測設備。
　　（3）　掃描開關寄生電勢的測試
　　將WD-10Ⅲ低熱電勢掃描開關的10路輸入全部短路，用高精度數字電壓表測試每一路對應輸出，共做了三組測試。最終結果是各路輸出最大值均不超過0．2　μV，其指標優于規程中規定的熱電偶轉換開關的寄生電勢不大于0．4μV的要求［1］。
　　總之，這套裝置從綜合性能上來講，完全滿足甚至優于檢定規程的要求；從控制理論上來講，采用了連續時域的廣義預測控制(CGPC)，對檢定爐爐溫的控制，能達到全速升溫而超調小，恒溫迅速而持久等效果，與傳統的PID控溫方式相比，無疑會節省大量時間；從操作方式上來講，由于整個檢定過程無需人工干預，甚至包括對檢定后的數據進行綜合處理均可由計算機自動完成，與手工檢定相比，極大地降低了檢定人員的勞動強度，提高了勞動效率，保證了檢定精度和數據處理的正確性。用這套裝置取代傳統的手工檢定裝置是可行的且行之有效的。

3　對裝置幾個問題的探討和改進建議
3．1　關于系統控溫參量的調整
　　從控溫策略上來講，這套系統沒有采用傳統的PID控制，而改進為廣義預測控制。按檢定規程要求［1］，用同名極法進行檢定時在各檢定點的溫度值不能超過定點值的±5℃，且在具體分度的測溫過程中要求爐溫變化不大于5℃，用雙極法進行檢定時在各檢定點的溫度值不能超過定點值的±5℃，且溫變率不能超過0．1℃／min。對于熱電偶檢定爐這樣的被控對象，由于有較大的遲延和非線性，要達到如此嚴格的溫控指標，用預測控制比用傳統的PID控制具有更大的優越性。
　　用預測控制來完成爐溫精確控制的關鍵就是對預測模型的認識是否很合理和完善［2］。對于不同型號的檢定爐，其動態特性不一樣；即便是同型號的檢定爐，對于不同的個體，其動態特性也不盡相同。因此用戶在對此裝置進行具體測試時，應該配合生產廠家反復調整過程模型及相應的預控參數，在試驗過程中不斷摸索具體被控對象的動態特性，直至達到理想的控溫效果。
3．2　溫場測試方法的改進
　　按檢定規程［1］，要求檢定爐爐內最高溫度點偏離爐中心不得超過20　mm，且在爐溫最高點±20　mm內，溫度梯度≤0．4℃／cm。為此，在這套系統配套的軟件中設計了溫場測試這一項。根據我們考核測試的結果，有兩點可加以改進。
　　溫場測試以爐體幾何中心為起始點，然后逐點進行循環測試。具體操作過程是，首先固定一只標準熱電偶，監控中心點溫度；再以一只標準熱電偶作為溫場測試工具，從起始點開始，往內伸展，每隔5　mm測試一點溫度，達到一定深度后，又往回重復測量起始點以內各點溫度，直至起始點；然后繼續往外拉伸測溫熱電偶，每隔5　mm測試一點溫度，順序逐點測試，拉到一定距離后，又往內推進，重復測量起始點以外各點溫度，最終到達起始點為止。當然，整個循環過程，也可以先測起始點以外位置的溫度，與以上相反的方向來進行。通過循環測試，在同一位置對應有兩次測試結果，取其平均值作為此點的溫度值。目前這套裝置對于溫場測試的做法是，以中心點為起始點，只測試往內伸展和往外拉伸單向過程中間隔5　mm的各點處溫度值，從測試方法的角度上來講，應改進為循環測試方式，通過改進測量方法，可以減小測量誤差。
　　另有一點可以加以改進：在溫場具體測試中，計算機循環監視兩路標準熱電偶的讀數值，考慮到溫場微小波動性原因，對應各位置的每次測試結果，最好能讀取偶數次讀數值，然后對其取平均，最后將其平均值作為此點溫度值的一次測試結果。就此計算機監控系統而言，進行這種測量方法的改進，從軟件上講難度不大(具體的硬件連接不用改動)。
3．3　關于數據處理和表格制作等方面的改進建議
　　從檢定實用性來講，目前這套裝置完全可以替代傳統的檢定設備。為了進一步完善這套裝置，更方便地開展此項檢定工作，我們結合以往的經驗提出以下改進意見。
　　首先，按照檢定規程的要求［1］，需要考核二等標準熱電偶的穩定性，具體由銅點的熱電勢變化來決定。為此需要知道被檢標準熱電偶上次的檢定結果，所以建議在二等標準熱電偶檢定記錄表中附上被檢標準熱電偶前次的檢定結果；另外，在二等標準熱電偶檢定記錄表中，“誤差”項應該改為“差值”項，否則對應概念不合理。
　　此外，在數據綜合表的穩定性一項中最好能注明熱電勢改變的計算公式，這樣可以明確被檢熱電偶對應各檢定點熱電勢的變化趨勢。
　　按照新規程［1］(JJG75-95），只能出具被檢標準熱電偶300～1　100℃范圍以內整百度溫度點對應熱電勢，因此在檢定證書中對應的檢定結果欄內，應去掉1　200℃和1　300℃兩點及其相應熱電勢值。
　　另外，在二等標準熱電偶檢定數據綜合表中，判斷熱電偶的穩定性、分度規范性和檢定重復性三項指標時，其數據均修約到了0．01　μV。按規程要求［1］，只需修約到1　μV，否則，一旦檢定出來的數據處于判斷值邊緣范圍時，用修約到0．01　μV的方法進行數據處理時，可能引起誤判。
　　從保護檢定爐的角度出發，啟動檢定程序時，開始應該用小電流輸出，加熱一段時間等爐體達到一定溫度以后，再轉至自動控溫輸出。目前，這套自動檢定裝置，啟動檢定程序時一開始就進入自動控溫狀態，因此，我們建議原程序對此作一些改進。
作者單位：湖北省電力試驗研究所，　湖北　武漢　430077
參考文獻
　[1]鄭芳．標準鉑銠10—鉑熱電偶檢定規程(JJG75-95）．北京：中國計量出版社，1995．8頁
　[2]席裕庚等．一類工業過程預測控制的閉環分析．自動化學報，1995（1）∶1～8

希望大家積極參與討論

[ 本帖最后由 張劍川 于 2007-8-15 11:10 編輯 ]

有含熱電阻檢定一體化的嗎？
價格？

您需要一等或二等標準？

能不能介紹一下二等標準熱電偶哪里的好？

二等標準熱電偶現在還是云南的比較好。

WD-10Ⅲ低熱電勢掃描開關
能否用繼電器來代替？

其實很多掃描開關用的就是繼電器（只要接觸電勢夠小就可以），也有用步進電機的。總體來說只要滿足指標就可以。