CN101770244B - 多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法 - Google Patents

Abstract

多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法，涉及温度测量采集方式。计算机控制器作为下位机，与热力模拟试验机相连，在计算机控制器中，嵌入温度加热控制模块和PID控制模块，试样中心点焊有热电偶，在热力模拟实验机的操作箱内安装试样，并将热电偶连接到操作箱内的温度采集通道上。测量采样方法为：输入温度参数；采集试样的实际温度；对实测温度与温度设定值进行PID运算，将结果输出给可控硅；可控硅调节触发角，进而控制试样两端的电压值。本发明方法利用每周期可控硅导通前20°相位角的短暂周期来断电采集温度值，克服了交流电产生强磁场所带来的干扰信号，使测量结果更加准确，保证温度控制的精度。

Description

多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法

技术领域

本发明涉及温度测量采集方式，特别涉及一种利用每周期可控硅导通前约20°相位角的短暂周期来断电采集温度的非常规测量采样方法。

背景技术

多功能热力模拟实验机(专利号为021327858)的加热系统利用焊接在试样表面的热电偶测量试样的实际温度，作为控制系统的反馈信号，其准确性是高精度控制的前提和基础。将热电偶的微弱电压变化信号通过温度变送器变换成温度信号后与设定温度相比较，经过控制算法后从PXI高速模拟量输出通道输出电压信号，控制可控硅的触发角，从而控制试样两端的电压值，进而导致试样发热；同时流过试样两端夹头的冷却水将带走热量，当试样两端的电压升高产生的热量大于冷却水流动带走的热量时，试样的温度就升高，当二者相等时，试样的温度就保持不变，反之试样的温度就会下降。

由于在直接电阻加热试样时，有上万安培的交流电流过试样，这样将在试样及其周围空间形成相当强的电磁场，这种强磁场在热电偶回路及测试仪器中产生的干扰信号非常大，能够产生干扰测温热电偶的电位差达0.01~0.1V，严重影响温度的测量精度，导致温度控制精度差，不能测量到正确的温度信号。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种克服试样及其周围空间形成强电磁场所造成的温度信号干扰，实现精确测量和采集温度的多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法。

断电采集温度的测量采样方法。

本发明装置包括计算机控制器、温度变送器、热电偶、操作箱、加热变压器、可控硅、导电铜排、电加热板、弧型铜排、导电装置，它们与I轴、夹具系统、试样及II轴共同构成一个导电回路，对试样进行控制加热。本发明装置在多功能热力模拟实验机进行。

计算机控制器作为下位计算机，分别与另一台作为上位机的计算机和热力模拟实验机相连，在计算机控制器中，嵌入温度加热控制模块和PID控制模块。在试样中心点焊热电偶，在热力模拟实验机的操作箱内安装试样，并将热电偶连接到温度采集通道。

其中，计算机控制器中嵌入的温度加热控制模块，按如下方法执行：

步骤1：初始化上位计算机，输入温度设定参数；

步骤2：利用热电偶采集试样的实际温度，并将结果传至计算机控制器；

步骤3：计算机控制器的PID控制模块对步骤2得到的每个控制周期的实测温度与温度设定值进行运算，并将运算出的电压数据输出给可控硅；

步骤4：可控硅根据步骤3的电压数据调节触发角，控制加热变压器的电压输出值，并控制试样两端的电压值，利用每周期可控硅导通前20°相位角的短暂周期来断电采集温度值，其中，采集温度值即实测温度值须满足落在可控硅20°触发角的采集区内，判断方法为：温度设定值与实测温度作差，若绝对值大于5℃，则采集点落在可控硅20°触发角的采集区外，对接下来n+2次周期的采集信号的触发时间重置，公式如下：

$t=t_{n+1}+\frac{5}{9}---\left(1\right)$

其中，t表示采样温度，n表示周期。

调整方法如下：

步骤4-1-1：弃用第n+1次周期的实测温度t_n+1；

步骤4-1-2：将第n次周期的实测温度t_n作为第n+1次周期的实测温度，反馈给计算机控制器；

步骤4-1-3：将第n+2次周期的实测温度作为第n+2次周期的反馈温度信号输出给计算机控制器；

步骤4所述的触发时间重置，当重置次数增多后，采集信号周期与控制信号周期不匹配，调整的方法如下：

假定在第k次周期时，经过m次触发时间重置，且第m次触发重置发生在第k次周期，确定每次触发时间重置后与重置前的时间差：ΔT₁，ΔT₂，…，ΔT_m，则第k次周期时总的时间差为：

∑ΔT_k＝ΔT₁+ΔT₂+…+ΔT_m                        (2)

步骤4-2-1：当 ${\mathrm{\Σ\ΔT}}_k>10-\frac{5}{9}$ 时，重置后的采集点向右移动并“溢出”了当前周期，落入第k+1周期区域，该采集点与控制周期不匹配，将该采集点所采集的温度值t_k作为下一周期的实测值t_k+1，反馈给计算机控制器；本周期的实测值，采用向上推两个周期的实测值，即第k-2次周期实测值为t_k-2，t_k-2被第k-2次、k-1次和k周期重复应用三次；

步骤4-2-2：当 ${\mathrm{\&Sigma;\&Delta;T}}_k<-\frac{5}{9}$ 时，重置后的采集点向左移动并“溢出”了当前周期，落入前一周期区域即第k-1周期，将该采集点所采集的温度值t_k弃用，将下一周期的实测值t_k+1作为本周期的实测值反馈给计算机控制器，以后周期类推。

有益效果：本发明方法利用每周期可控硅导通前20°相位角的短暂周期来断电采集温度值，克服了交流电产生强磁场所带来的干扰信号，使测量结果更加准确，保证温度控制的精度。

附图说明

图1为多功能热力模拟实验机加热及冷却系统示意图；

图2为温度触发采集原理图；

图3为同步电压获取示意图；

图4为温度加热控制模块流程图；

图2中，1-水站；2-过滤器；3-单向截流阀；4-增压缸；5-电磁开关阀；6-数控开关阀；7-流量计；8-加热变压器；9-可控硅；10-操作箱；11-试样；12-热电偶；13-II轴；14-I轴；15-环型淬火喷射器；16-水气混合器；17-导电铜排；18-温度变送器；19-计算机控制器；20-水流指示器；21-上位计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为多功能热力模拟试验加热及冷却系统示意图，核心硬件如下：在计算机控制器19中，嵌入温度加热控制模块和PID控制模块，在需要进行试验的试样11中心点焊接热电偶12，在热力模拟实验机的操作箱10内安装试样11，并将热电偶12连接到相应的温度采集通道。

断电采集温度的测量采样方法包括如下步骤：

步骤1：初始化上位计算机，由操作者在上位计算机输入加热过程参数，包括“时间”、“温度”和“采样速率”，确认无误后，将这些参数下载到计算机控制器19中；

步骤2：按下操作柜按钮，计算机控制器19发出命令，利用热电偶12采集试样11实际温度值，第一次温度的触发采集时刻和重置的触发采集时刻都是根据同步变压器产生一个主回路的同步电压信号来确定的，如图3所示，同步电压的获取是通过在加热变压器的下面接一个比较小的同步变压器，让此变压器的原侧和加热变压器的原侧接在一起来实现；

步骤3：计算机控制器19中的PID模块对步骤2采集到的试样实测温度与温度设定值进行运算，并将运算出的电压数据输出给可控硅9；

步骤4：可控硅9利用电压数据调节触发角，控制加热变压器8的电压输出值，并控制试样11两端的电压值，利用每周期可控硅9导通前20°相位角的短暂周期断电采集温度值。

温度触发采集原理如图2所示。交流电工频为50Hz，周期为20ms，在经过可控硅整流触发后，将正弦交流电变为脉动直流电(正半周)，使周期变为10ms。

假设交流电始终向右运动，每次向前波动1Hz，采样周期为10ms，第一次采集温度值在可控硅触发角为10°时开始。由此可计算出20°触发角所占用的时间为：

触发角为10°时所占用的时间就等于：

$\frac{10}{9}\&divide;2=\frac{5}{9}\mathrm{ms}---\left(4\right)$

向前波动1Hz变换成时间就是：

$\frac{1}{50}\&times;10=0.2\mathrm{ms}---\left(5\right)$

当采集次数为 $\frac{5}{9}\&divide;0.2\&ap;3$ 次时，采集点有可能超出设定的20°采集区之外。交流电的频率变化是不规则的，可能前一个周期向前运动，而后一个周期向后运动，这样其作用可以相互抵消，所以在实际采集时，至少要经过成百上千次采集之后，其采集点才会落在采集区之外。为保证温度控制的精度，必须知道采集点是否落在断电区域外，判断的方法为：根据前两个周期实测温度值和根据具体试验的加热规律对下一个周期的温度值进行预测，将预测温度值与实测温度值进行比较，当其差值大于一定的偏差(ΔT＝5℃)时，采集点可能落在了断电区域外，必须在接下来的一个周期(即第n+2次周期)将采集信号触发时间重新设置为：

$T=T_{n+1}+\frac{5}{9}\mathrm{ms}---\left(1\right)$

其中，T_n+1为第n+2次周期可控硅触发角为0°时的时刻值。

这时，第n+1周期实际测量的温度t_n+1由于可能是伪信号而弃用，用第n周期的实测温度t_n作为第n+1周期实测温度反馈给控制系统，即令t_n+1＝t_n。而第n+2周期实测的温度，由于已经进行了触发时间重置，可以作为正常本周期的反馈温度信号给控制系统。然而，这种采集信号触发时间的重置，会带来控制系统的另一个问题：重置次数增多后，采集信号周期与控制周期不匹配，采集信号已经不是与某控制周期所对应的周期内的采集信号，发生了“溢出”，解决方法如下：

假定在第k次周期时，经过了m次触发时间重置，并且第m次触发重置发生在第k次周期，计算出每次的触发时间重置后与重置前的时间差：ΔT₁，ΔT₂，…，ΔT_m。则第k次周期时总的时间差为：

∑ΔT_k＝ΔT₁+ΔT₂+…+ΔT_m                        (2)

分两种情况进行分析。

(1)当 ${\mathrm{\&Sigma;\&Delta;T}}_k>10-\frac{5}{9}$ 时，重置后的采集点向右移动并“溢出”了当前周期，落入了第k+1周期区域，该采集点与控制周期不匹配，需要进行处理。处理的原则为：将该采集点所采集的温度值t_k作为下一周期的实测值t_k+1反馈给控制系统(即令t_k+1＝t_k)，以后周期类推；而本周期的实测值(反馈值)采用往上推两个周期的实测值，即第k-2周期实测值t_k-2，也就是说，t_k-2被第k-2、k-1和k周期重复应用三次。

(2)当 ${\mathrm{\&Sigma;\&Delta;T}}_k<-\frac{5}{9}$ 时，重置后的采集点向左移动并“溢出”了当前周期，落入了前一周期区域即第k-1周期，也就是说，该重置后的采集时刻超前到已经过去的上一周期之内，该与控制周期不匹配，需要进行处理。处理的原则为：将该采集点所采集的温度值t_k弃用，将下一周期的实测值t_k+1作为本周期的实测值反馈给控制系统，以后周期类推。

步骤4中所述的每周期可控硅9导通前20°相位角的短暂周期断电采集温度值，在计算机控制器的温度加热控制模块中实现，具体流程如图4所示，其中各参数的定义如下：

t_n为本周期的实际温度；t_n+1为下一周期的实际温度；

为根据加热制度预测的下一周期的目标温度；t_n+2为下两个周期的实际温度；t_n+3为下三个周期的实际温度；ΔT_k为第k次周期时触发时间重置后与重置前的时间差；∑ΔT_k为第k次周期时，经过m次触发重置后总的时间差。

Claims (2)

1.多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法，其特征在于：包括计算机控制器、热电偶、可控硅和试样，计算机控制器作为下位机，与热力模拟试验机相连，在计算机控制器中，嵌入温度加热控制模块和PID控制模块，在试样中心点焊热电偶，在热力模拟实验机的操作箱内安装试样，并将热电偶连接到操作箱内的温度采集通道上；

多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法包括如下步骤：

步骤1：初始化上位计算机，输入温度设定参数；

步骤2：利用热电偶采集试样的实际温度，并将结果传至计算机控制器；

步骤3：计算机控制器的PID控制模块对步骤2得到的每个控制周期的实测温度与温度设定值进行运算，并将运算出的电压数据输出给可控硅；

步骤4：可控硅根据步骤3的电压数据调节触发角，控制加热变压器的电压输出值，并控制试样两端的电压值，利用每周期可控硅导通前20°相位角的短暂周期来断电采集温度值，其中，采集温度值即实测温度值须满足落在可控硅20°触发角的采集区内，判断方法为：温度设定值与实测温度作差，若绝对值大于5°，则采集点落在可控硅20°触发角的采集区外，对接下来n+2次周期的采集信号的触发时间重新设置，公式如下：

T＝T_n+1+5/9ms         (1)

其中，T_n+1为第n+2次周期可控硅触发角为0°时的时刻值，n表示周期；t表示采样温度，

调整方法如下：

步骤4-1-1：弃用第n+1次周期的实测温度t_n+1；

步骤4-1-2：将第n次周期的实测温度t_n作为第n+1次周期的实测温度，反馈给计算机控制器；

步骤4-1-3：将第n+2次周期的实测温度作为第n+2次周期的反馈温度信号输出给计算机控制器；

步骤4所述的触发时间重置，假定在第k次周期时，经过m次触发时间重置，且第m次触发重置发生在第k次周期，确定每次触发时间重置后与重置前的时间差：ΔT₁，ΔT₂，…，ΔT_m，则第k次周期时总的时间差为：

∑ΔT_k＝ΔT₁+ΔT₂+…+ΔT_m        (2)

步骤4-2-1：当时，重置后的采集点向右移动并“溢出”了当前周期，落入第k+1周期区域，该采集点与控制周期不匹配，将该采集点所采集的温度值t_k作为下一周期的实测值t_k+1，反馈给计算机控制器；本周期的实测值，采用向上推两个周期的实测值，即第k-2次周期实测值为t_k-2，t_k-2被第k-2次、k-1次和k周期重复应用三次；

步骤4-2-2：当时，重置后的采集点向左移动并“溢出”了当前周期，落入前一周期区域即第k-1周期，将该采集点所采集的温度值t_k弃用，将下一周期的实测值t_k+1作为本周期的实测值反馈给计算机控制器，以后周期类推。

2.根据权利要求1所述的多功能热力模拟实验机断电采集温度的测量采样方法，其特征在于：步骤4中所述的可控硅的触发角，应满足不小于20°；在实际控制中，若可控硅的触发角大于20°，则满足断电采集温度的要求，若可控硅的触发角小于20°，则要强制将可控硅的触发角调至20°。

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