CN112097940B - 一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台及方法，本发明通过二维平台带动热电偶移动，解决了传统手动移动二维测温平台的点数少、时间长的缺点，实现了二维温度场测量的多点化与快速化，使得更高精度，更大分辨率的二维温度场测量成为可能；本发明采用机械传动代替人工进行操作，改变了二维区域测温传统手动装置实验周期长，劳动强度大，测量效率低的缺点，将人工从繁重的重复性劳动中解放出来，不仅大幅度提高了测量效率，缩短了实验周期，还极大减少了人力成本。
Description
技术领域
本发明属于热电偶测温平台领域，具体涉及一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台及方法。
背景技术
热电偶在实验室测温及工业测温中都得到广泛使用，各个测温区间都有相应的热电偶可以选用。在测温时有许多需要测量二维平面温度场的需求，可以选择的方案有红外测温或者锅炉燃烧时测量炉内温度场的的声波测温，以及实验室中一般采用的逐点测温。采用逐点测温，由于精确度的要求，需要采用热电偶测温的方式，对于高温(1300摄氏度以上)区域的测量为了保证准确度，则需要采用精度高，价格昂贵的B型热电偶；又因为测量区域尺寸较小，空间不足，无法在尽量不干扰温度场的同时布置多支热电偶，综合上述原因，一般采用单一热电偶二维移动逐点测量的方法。对于一定的测温区域，通过调节二维平台，定位到既定测温点，由于热电偶的热电效应，通过读取热电势值转化为温度值，逐点移动定位测量。通过测量出多点的温度值，最终拟合出温度场图。整个测量过程中，热电偶二维移动定位的时间在测量总时间内占有较大的比例。因此，如果能够减少热电偶二维移动的过程所花费的时间，则可以大大缩短整个二维温度场测温的实验周期，显著提高测量效率。
在现有技术中，实验室内二维温度场测量通常使用的是手动移动的二维平台来移动热电偶位置，该种测量装置，通过手动调节旋钮从而控制X和Y两个方向的位移量改变热电偶位置，实现热电偶的对该点的温度测量，但该二维热电偶温度测量装置的移动需要全程人工操作与读数，实验人员劳动强度大，测量周期长，实验效率低，且容易产生实验人员导致的实验误差而影响精度；而且实验室所使用的手动二维平台X向和Y向的行程短，对于不同测温区域的适应性差。
发明内容
本发明的目的在于解决传统手动二维平台实验人员劳动强度大，测量周期长，试验效率低，对于测温区域尺寸适应性差的缺点，提供一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台及方法。
为了达到上述目的，一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台，包括二维运动平台，二维运动平台上设置有铝材弯杆，铝材弯杆的端部设置有热电偶，热电偶通过热电偶紧固螺丝固定在铝材弯杆上；
二维运动平台通过控制单元控制移动，热电偶连接示波器，控制单元和示波器均连接计算机；
计算机用于确定待测区域的中心点，并根据待测区域左下角与右上角的点的坐标确定整个区域，通过确定每一列的测点数目，完整的得到整个测温区域的所有测点坐标，最后根据测点坐标通过控制单元控制二维平台运动，使热电偶完成采集。
二维运动平台包括X向导轨和Y向导轨，X向导轨置于Y向导轨上，X向导轨上设置有滑块，滑块能够在X向导轨上滑动，铝材弯杆固定在滑块上。
X向导轨连接导轨步进电机，导轨步进电机用于驱动X向导轨在Y向导轨上滑动，滑块连接滑块步进电机，滑块步进电机用于驱动滑块在Y向导轨上滑动，导轨步进电机和滑块步进电机分别连接对应的驱动器，驱动器连接控制单元。
Y向导轨底部固定有支座，支座固定在试验台上。
X向导轨和Y向导轨上均设置有同步带，X向导轨设置在Y向导轨的同步带上，滑块设置在X向导轨的同步带上。
Y向导轨为平行设置的两根，两根Y向导轨通过由联轴器与横杆共同组成的连接结构连接。
一种采用基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台的测温方法，包括以下步骤：
步骤一，通过调节热电偶紧固螺丝调节热电偶的高度，使热电偶适合待测区域的高度；
步骤二，输入待测区域的两极点坐标以及单列点数，构建一维数组；
步骤三，根据一维数据组构建move函数，并转化为高电平信号和低电平信号；
步骤四，将move函数通过getnum函数转化后得到脉冲数；
步骤五，二维平台根据高电平信号、低电平信号和脉冲数移动到对应位置，使热电偶采集数据，并在示波器上显示；
步骤六，二维平台继续运动至下一测点，直至测完所有测点的温度，并绘制出待测区域的二维温度场。
通过计算当前测点与前一个测点横纵坐标的差值，代入move函数进行移动，同时记录热电偶移动的横纵坐标的总值，用于所有测点测量结束后将热电偶一次性移动到初始设定原点位置。
与现有技术相比，本发明通过二维平台带动热电偶移动，解决了传统手动移动二维测温平台的点数少、时间长的缺点，实现了二维温度场测量的多点化与快速化，使得更高精度，更大分辨率的二维温度场测量成为可能；本发明采用机械传动代替人工进行操作，改变了二维区域测温传统手动装置实验周期长，劳动强度大，测量效率低的缺点，将人工从繁重的重复性劳动中解放出来，不仅大幅度提高了测量效率，缩短了实验周期，还极大减少了人力成本。
进一步的，本发明采用步进电机驱动的同步带传动方式，改进了二维测温平台的驱动方式，解决了原有的手动平台的影响因素多、人为因素大、精度不够高的问题，极大提高了二维区域温度测量精度。
进一步的，本发明所采用的二维同步带导轨X向和Y向行程均较长，两个维度可以移动的范围较大，对测温区域尺寸适应性较好，而手动移动测温平台两个方向可移动范围短，本发明可测量多种二维温度场，实验应用范围更广。
本发明的方法通过move函数和getnum函数确定二维平台的移动量，使热电偶移动至测点位置进行测温，该点读数稳定并记录之后，二维平台继续运动至下一测点，直至测完所有测点的温度，并绘制出待测区域的二维温度场。本发明采用电控替代了传统手动移动的方式，实现了二维温度场测量的多点化与快速化，使得更高精度，更大分辨率的二维温度场测量成为可能；
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的主体部分俯视结构示意图；
图3为本发明的主体部分右视结构示意图；
图4为本发明的主体部分后视结构示意图；
图5为实施例中二维温度场的示意图；
图6为实施例中三维温度场的示意图；
其中：1-Y向导轨，2-X向导轨，3-铝材弯杆，4-热电偶，5-滑块，6-电机笼，7-联轴器，8-横杆，9-滑块步进电机，10-支座，11-热电偶紧固螺丝，12-同步带，13-导轨步进电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图4，一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台，包括二维运动平台，二维运动平台上设置有铝材弯杆3，铝材弯杆3的端部设置有热电偶4，热电偶4通过热电偶紧固螺丝11固定在铝材弯杆3上；
二维运动平台通过控制单元控制移动，热电偶4连接示波器，控制单元和示波器均连接计算机；
计算机用于确定待测区域的中心点，并根据待测区域左下角与右上角的点的坐标确定整个区域，通过确定每一列的测点数目，完整的得到整个测温区域的所有测点坐标，最后根据测点坐标通过控制单元控制二维平台运动，使热电偶4完成采集。
二维运动平台包括X向导轨2和Y向导轨1，X向导轨2置于Y向导轨1上，X向导轨2上设置有滑块5，滑块5能够在X向导轨2上滑动，铝材弯杆3固定在滑块5上。X向导轨2连接导轨步进电机13，导轨步进电机13用于驱动X向导轨2在Y向导轨1上滑动，滑块5连接滑块步进电机9，滑块步进电机9用于驱动滑块5在Y向导轨1上滑动，导轨步进电机13和滑块步进电机9分别连接对应的驱动器，驱动器连接控制单元。Y向导轨1底部固定有支座10，支座10固定在试验台上。X向导轨2和Y向导轨1上均设置有同步带12，X向导轨2设置在Y向导轨1的同步带上，滑块5设置在X向导轨2的同步带上。Y向导轨1为平行设置的两根，两根Y向导轨1通过由联轴器7与横杆8共同组成的连接结构连接，转速转向转角保证相同。
驱动部分由S-350-24电源、两台ST5步进电机驱动器以及两台57步进电机和部分附属配件组成，控制部分由计算机、Arduino mega 2560开发板和相应的软件控制算法组成，计算机通过USB端口连接开发板，开发板通过输出接口与两台步进电机驱动器相连，计算机上传控制算法到开发板并运行，开发板输出信号同时控制两台步进电机驱动器，另外我们编写了两套控制算法，以分别应用于两种不同的测温工况，包括对于已知固定尺寸的测温区域的算法和未知新型测温区域的逐点测温算法；测温部分主要有一支B型热电偶和示波器构成，二维测温平台移动到测点位置，热电偶将温度信号转化为电信号，示波器显示热电势大小，实验人员记录数据，将热电势通过分度表转化为温度之后，输入表格之中即可利用绘图程序算法绘制出该区域的二维温度场。
一种采用基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台的测温方法，包括以下步骤：
步骤一，通过调节热电偶紧固螺丝11调节热电偶4的高度，使热电偶4适合待测区域的高度；
步骤二，输入待测区域的两极点坐标以及单列点数，构建一维数组；
步骤三，根据一维数据组构建move函数，并转化为高电平信号和低电平信号；
步骤四，将move函数通过getnum函数转化后得到脉冲数；
步骤五，二维平台根据高电平信号、低电平信号和脉冲数移动到对应位置，使热电偶4采集数据，并在示波器上显示；
步骤六，二维平台继续运动至下一测点，直至测完所有测点的温度，并绘制出待测区域的二维温度场。
通过计算当前测点与前一个测点横纵坐标的差值，代入move函数进行移动，同时记录热电偶移动的横纵坐标的总值，用于所有测点测量结束后将热电偶一次性移动到初始设定原点位置。
实施例：
将本测量平台应用于实验室二维区域温度场测温，该区域为一个4cm×4cm的正方形区域。
该实验区域测温原本采用手动移动二维平台进行热电偶的移动，以4mm为一个步长，则整个区域可划分出11×11共121个测点，操作速度慢的同时还要保证较多的测点，导致实验人员劳动强度很大，实验精度下降，测量周期极长；采用本自动控制测温平台之后，将步长进一步缩短为2.5mm，测点数增加至17×17共289个，大大提高了原有温度场的分辨率，由于移动过程由计算机自动控制，步进电机驱动，精度很高，速度很快，大大缩短实验周期，大大提高测温效率。
在使用该平台进行温度测量时，首先应明确测温区域的尺寸是否确定，若测温区域为已知尺寸的测温区域，那么就可以使用第一套算法，通过确定中心点，左下角与右上角的点的坐标从而确定整个区域，再通过确定每一列的测点数目，完整的得到整个测温区域的所有测点坐标；若测温区域未知尺寸或者需要测量不规则区域的二维温度场以及需要测量某些特定点的温度，那么可以使用第二套算法，通过确定中心原点坐标，并且确定总测点数，再依次输入测点坐标，即可完成测量任务(算法详解附在后面)。
测量工作开始前，通过调节热电偶紧固螺丝11调节热电偶的高度，使之适合该测温区域的高度，此时，旋紧紧固螺丝11，固定B型热电偶4。
开发板接收到计算机编译并上传的算法文件，执行后开发板输出脉冲信号及高低电平信号到步进电机驱动器，通过不同的接口分别控制步进电机9的旋转方向和旋转角度，驱动器接收到信号后进一步控制滑块步进电机9和导轨步进电机13，滑块步进电机9做出响应，驱动两X向导轨2上的滑块5共同移动到达指定X坐标；导轨步进电机13做出响应，驱动Y向导轨1上的滑块5移动，到达指定Y坐标。Y向导轨上的滑块5带动弯杆3同时到达指定坐标，B型热电偶4到达指定测点进行测温，热电偶将温度信号转化为电信号，与热电偶4相连的示波器感受到热电势并显示出来，带示数稳定后进行读数。
如使用第一套算法第一套算法读数完成后，输入指定指令，测温平台将自动移动到下一测点；如使用第二套算法，则需要输入下一测点坐标，测温平台将会移动到下一测点。
依次测完所有测点后，测温结束，该装置将自动移动到起初设定的原点位置，等待下一次测量。
以下为测温所得热电势值：
以下为热电势值转化为的温度值：
将以上表格导入MATLAB通过绘图算法作图得图5和图6所示。
火焰主体部分及周围的温度测量准确，测量过程移动热电偶花费时间短，实验人员劳动强度降低，测点大幅度增加，分辨率很高，发挥了本发明的优势，完成了测量任务。
本发明的第一套算法适用于已知尺寸区域，输入原点坐标再左下右上两点坐标与每列测点数即可。
1)主要思路：对于矩形区域多点等距测量；手动输入两极点坐标(左下，右上)，及单列点数，构建相关一维数组，分别存储X，Y坐标，从而进行移动；
2)分别定义X向，Y向正向脉冲输入接口及相关方向接口；
通过保持方向端口高电平，正向脉冲接口施加方波信号促使步进电机工作，转动最小脉冲角度。
设置4细分，使最小步距为0.09375mm，从而达到0.1mm精度要求。
3)自编函数
Move(输入X，Y电机工作步距角个数)通过使用getnum函数转化后的脉冲数，负责使用循环语句将不同的转动方向以及转动角度的信息输出给步进电机驱动器，完成步进电机精确转动。
Getnum(窗口监视器读入浮点数，转化为Move函数相关参数)用于对坐标转换脉冲数并进行四舍五入保留。
Getdouble(窗口监视器读入浮点数，打印此浮点数，便于通过窗口监视器达到人机交互)。
4)程序主体
loop函数，键入中心点位置，移动到设定原点，若手动调节,可输入0.0001，保持位置不变。
窗口监视器键入两极点坐标(cm为单位)及单列点数，交由计算机生成X向Y向一维数组，保存各行各列位置。
使用新测点坐标减去前一测点坐标得到移动值，代入move函数实现移动。同时窗口监视器显示“第i点已到达”方便实验者了解进度。并且会记录自原点开始X向、Y向共移动的步距角，便于最终回到人为设定原点。
本发明第二套算法适用于未知尺寸的测温区域或者特殊形状以及具有特殊测温需求的场合。需要虚入设定原点坐标，测点数目和各个测点坐标。
1)整体思路：
对于未知新型测温区域，输入总测点数，再依次确输入每个测点坐标值，再计算与之前坐标的差值，作为X和Y方向的位移量。
2)通过定义相关接口，分别高电平控制电机正转，高电平控制反转，以及脉冲数决定步进电机转动角度。
步进电机调到四细分，即800个脉冲转一圈，行程75mm，即最小步距达到0.09375mm，达到0.1mm的精度要求。
编写两个函数，move函数和getnum函数。
Getnum函数(窗口监视器读入浮点数，转化为Move函数相关参数)负责将实验人员输入的坐标值通过换算与四舍五入的原则转化为脉冲数目；
move函数通过使用getnum函数转化后的脉冲数，负责使用循环语句将不同的转动方向以及转动角度的信息输出给步进电机驱动器，完成步进电机精确转动。
4)程序主体部分
第一步，提示人员输入自定原点的坐标，通过move函数使得测温装置运动到该点处。
第二步，输入该次测量实验所需要测温的总点数。
第三步，依次输入各个测点的坐标，通过计算与前一个测点横纵坐标的差值，代入move函数进行移动。同时记录热电偶移动的横纵坐标的总值，用于所有测点测量结束后将热电偶一次性移动到初始设定原点位置。
Claims (4)
1.一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台，其特征在于，包括二维运动平台，二维运动平台上设置有铝材弯杆(3)，铝材弯杆(3)的端部设置有热电偶(4)，热电偶(4)通过热电偶紧固螺丝(11)固定在铝材弯杆(3)上；
二维运动平台通过控制单元控制移动，热电偶(4)连接示波器，控制单元和示波器均连接计算机；
计算机用于确定待测区域的中心点，并根据待测区域左下角与右上角的点的坐标确定整个区域，通过确定每一列的测点数目，完整的得到整个测温区域的所有测点坐标，最后根据测点坐标通过控制单元控制二维平台运动，使热电偶(4)完成采集；
二维运动平台包括X向导轨(2)和Y向导轨(1)，X向导轨(2)置于Y向导轨(1)上，X向导轨(2)上设置有滑块(5)，滑块(5)能够在X向导轨(2)上滑动，铝材弯杆(3)固定在滑块(5)上；
X向导轨(2)连接导轨步进电机(13)，导轨步进电机(13)用于驱动X向导轨(2)在Y向导轨(1)上滑动，滑块(5)连接滑块步进电机(9)，滑块步进电机(9)用于驱动滑块(5)在X向导轨(2)上滑动，导轨步进电机(13)和滑块步进电机(9)分别连接对应的驱动器，驱动器连接控制单元；
X向导轨(2)和Y向导轨(1)上均设置有同步带(12)，X向导轨(2)设置在Y向导轨(1)的同步带上，滑块(5)设置在X向导轨(2)的同步带上；
Y向导轨(1)为平行设置的两根，两根Y向导轨(1)通过由联轴器(7)与横杆(8)共同组成的连接结构连接；
两套控制算法，以分别应用于两种不同的测温工况，包括对于已知固定尺寸的测温区域的算法和未知新型测温区域的逐点测温算法；在使用该平台进行温度测量时，首先应明确测温区域的尺寸是否确定，若测温区域为已知尺寸的测温区域，那么就可以使用第一套算法，通过确定中心点，左下角与右上角的点的坐标从而确定整个区域，再通过确定每一列的测点数目，完整的得到整个测温区域的所有测点坐标；若测温区域未知尺寸或者需要测量不规则区域的二维温度场以及需要测量某些特定点的温度，那么可以使用第二套算法，通过确定中心原点坐标，并且确定总测点数，再依次输入测点坐标，即可完成测量任务；
通过调节热电偶紧固螺丝(11)调节热电偶(4)的高度，使热电偶(4)适合待测区域的高度；
输入待测区域的两极点坐标以及单列点数，构建一维数组；
根据一维数据组构建move函数，并转化为高电平信号和低电平信号；
将move函数通过getnum函数转化后得到脉冲数；
二维平台根据高电平信号、低电平信号和脉冲数移动到对应位置，使热电偶(4)采集数据，并在示波器上显示；
二维平台继续运动至下一测点，直至测完所有测点的温度，并绘制出待测区域的二维温度场；
通过计算当前测点与前一个测点横纵坐标的差值，代入move函数进行移动，同时记录热电偶移动的横纵坐标的总值，用于所有测点测量结束后将热电偶一次性移动到初始设定原点位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台，其特征在于，Y向导轨(1)底部固定有支座(10)，支座(10)固定在试验台上。
3.一种采用基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过调节热电偶紧固螺丝(11)调节热电偶(4)的高度，使热电偶(4)适合待测区域的高度；
步骤二，输入待测区域的两极点坐标以及单列点数，构建一维数组；
步骤三，根据一维数据组构建move函数，并转化为高电平信号和低电平信号；
步骤四，将move函数通过getnum函数转化后得到脉冲数；
步骤五，二维平台根据高电平信号、低电平信号和脉冲数移动到对应位置，使热电偶(4)采集数据，并在示波器上显示；
步骤六，二维平台继续运动至下一测点，直至测完所有测点的温度，并绘制出待测区域的二维温度场；
两套控制算法，以分别应用于两种不同的测温工况，包括对于已知固定尺寸的测温区域的算法和未知新型测温区域的逐点测温算法；在使用该平台进行温度测量时，首先应明确测温区域的尺寸是否确定，若测温区域为已知尺寸的测温区域，那么就可以使用第一套算法，通过确定中心点，左下角与右上角的点的坐标从而确定整个区域，再通过确定每一列的测点数目，完整的得到整个测温区域的所有测点坐标；若测温区域未知尺寸或者需要测量不规则区域的二维温度场以及需要测量某些特定点的温度，那么可以使用第二套算法，通过确定中心原点坐标，并且确定总测点数，再依次输入测点坐标，即可完成测量任务。
4.根据权利要求3所述的一种采用基于计算机自动控制的热电偶二维测温平台的测温方法，其特征在于，通过计算当前测点与前一个测点横纵坐标的差值，代入move函数进行移动，同时记录热电偶移动的横纵坐标的总值，用于所有测点测量结束后将热电偶一次性移动到初始设定原点位置。
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2020
- 2020-07-28 CN CN202010738966.0A patent/CN112097940B/zh active Active
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