多功能熱力模擬實驗機斷電採集溫度的測量採樣方法

2023-06-23 16:48:06

專利名稱：多功能熱力模擬實驗機斷電採集溫度的測量採樣方法
技術領域：
本發明涉及溫度測量採集方式，特別涉及一種利用每周期可控矽導通前約20°相 位角的短暫周期來斷電採集溫度的非常規測量採樣方法。
背景技術：
多功能熱力模擬實驗機(專利號為021327858)的加熱系統利用焊接在試樣表面 的熱電偶測量試樣的實際溫度，作為控制系統的反饋信號，其準確性是高精度控制的前提 和基礎。將熱電偶的微弱電壓變化信號通過溫度變送器變換成溫度信號後與設定溫度相比 較，經過控制算法後從PXI高速模擬量輸出通道輸出電壓信號，控制可控矽的觸發角，從而 控制試樣兩端的電壓值，進而導致試樣發熱；同時流過試樣兩端夾頭的冷卻水將帶走熱量， 當試樣兩端的電壓升高產生的熱量大於冷卻水流動帶走的熱量時，試樣的溫度就升高，當 二者相等時，試樣的溫度就保持不變，反之試樣的溫度就會下降。 由於在直接電阻加熱試樣時，有上萬安培的交流電流過試樣，這樣將在試樣及其 周圍空間形成相當強的電磁場，這種強磁場在熱電偶迴路及測試儀器中產生的幹擾信號非 常大，能夠產生幹擾測溫熱電偶的電位差達0.01 0. 1V，嚴重影響溫度的測量精度，導致溫 度控制精度差，不能測量到正確的溫度信號。

發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明提供一種克服試樣及其周圍空間形成強電磁場 所造成的溫度信號幹擾，實現精確測量和採集溫度的多功能熱力模擬實驗機斷電採集溫度 的測量採樣方法。 斷電採集溫度的測量採樣方法。 本發明裝置包括計算機控制器、溫度變送器、熱電偶、操作箱、加熱變壓器、可控 矽、導電銅排、電加熱板、弧型銅排、導電裝置，它們與I軸、夾具系統、試樣及II軸共同構成 一個導電迴路，對試樣進行控制加熱。本發明裝置在多功能熱力模擬實驗機進行。
計算機控制器作為下位計算機，分別與另一臺作為上位機的計算機和熱力模擬實 驗機相連，在計算機控制器中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊。在試樣中心點焊熱 電偶，在熱力模擬實驗機的操作箱內安裝試樣，並將熱電偶連接到溫度採集通道。
其中，計算機控制器中嵌入的溫度加熱控制模塊，按如下方法執行
步驟1 :初始化上位計算機，輸入溫度設定參數； 步驟2 :利用熱電偶採集試樣的實際溫度，並將結果傳至計算機控制器； 步驟3 :計算機控制器的PID控制模塊對步驟2得到的每個控制周期的實測溫度
與溫度設定值進行運算，並將運算出的電壓數據輸出給可控矽； 步驟4 :可控矽根據步驟3的電壓數據調節觸發角，控制加熱變壓器的電壓輸出 值，並控制試樣兩端的電壓值，利用每周期可控矽導通前20。相位角的短暫周期來斷電採 集溫度值，其中，採集溫度值即實測溫度值須滿足落在可控矽20°觸發角的採集區內，判斷作差，若絕對值大於5t:，則採集點落在可控矽2(r觸發角
的採集區外，對接下來n+2次周期的採集信號的觸發時間重置，公式如下 其中，t表示採樣溫度，n表示周期。
調整方法如下 步驟4-1-1 :棄用第n+l次周期的實測溫度tn+1 ; 步驟4-1-2 :將第n次周期的實測溫度tn作為第n+l次周期的實測溫度，反饋給計 算機控制器； 步驟4-1-3 :將第n+2次周期的實測溫度作為第n+2次周期的反饋溫度信號輸出 給計算機控制器； 步驟4所述的觸發時間重置，當重置次數增多後，採集信號周期與控制信號周期 不匹配，調整的方法如下 假定在第k次周期時，經過m次觸發時間重置，且第m次觸發重置發生在第k次周 期，確定每次觸發時間重置後與重置前的時間差A1\， AT2，…，ATm，則第k次周期時總的 時間差為 E ATk= A I\+A T2+... + A Tm (2) 步驟4-2-1 :當S:A7;〉10-i時，重置後的採集點向右移動並"溢出"了當前周期，
落入第k+i周期區域，該採集點與控制周期不匹配，將該採集點所採集的溫度值tk作為下
一周期的實測值tw，反饋給計算機控制器；本周期的實測值，採用向上推兩個周期的實測 值，即第k_2次周期實測值為tk—2， tk—2被第k_2次、k-1次和k周期重複應用三次； 步驟4-2-2 :當2>7; < -4時，重置後的採集點向左移動並"溢出"了當前周期，落
入前一周期區域即第k-i周期，將該採集點所採集的溫度值tk棄用，將下一周期的實測值 tk+1作為本周期的實測值反饋給計算機控制器，以後周期類推。 有益效果本發明方法利用每周期可控矽導通前20。相位角的短暫周期來斷電 採集溫度值，克服了交流電產生強磁場所帶來的幹擾信號，使測量結果更加準確，保證溫度 控制的精度。


圖1為多功能熱力模擬實驗機加熱及冷卻系統示意圖；
圖2為溫度觸發採集原理圖；
圖3為同步電壓獲取示意圖；
圖4為溫度加熱控制模塊流程圖； 圖2中，1-水站；2-過濾器；3-單向截流閥；4_增壓缸；5_電磁開關閥；6_數控開 關閥；7-流量計；8_加熱變壓器；9_可控矽；10-操作箱；11_試樣；12_熱電偶；13_11軸； 14-1軸；15-環型淬火噴射器；16-水氣混合器；17-導電銅排；18-溫度變送器；19-計算機 控制器；20-水流指示器；21-上位計算機。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 圖1為多功能熱力模擬試驗加熱及冷卻系統示意圖，核心硬體如下在計算機控 制器19中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊，在需要進行試驗的試樣11中心點焊接 熱電偶12，在熱力模擬實驗機的操作箱10內安裝試樣ll，並將熱電偶12連接到相應的溫 斷電採集溫度的測量採樣方法包括如下步驟 步驟1 :初始化上位計算機，由操作者在上位計算機輸入加熱過程參數，包括"時
間"、"溫度"和"採樣速率"，確認無誤後，將這些參數下載到計算機控制器19中； 步驟2 :按下操作櫃按鈕，計算機控制器19發出命令，利用熱電偶12採集試樣11
實際溫度值，第一次溫度的觸發採集時刻和重置的觸發採集時刻都是根據同步變壓器產生
一個主迴路的同步電壓信號來確定的，如圖3所示，同步電壓的獲取是通過在加熱變壓器
的下面接一個比較小的同步變壓器，讓此變壓器的原側和加熱變壓器的原側接在一起來實
現； 步驟3 :計算機控制器19中的PID模塊對步驟2採集到的試樣實測溫度與溫度設 定值進行運算，並將運算出的電壓數據輸出給可控矽9 ; 步驟4 :可控矽9利用電壓數據調節觸發角，控制加熱變壓器8的電壓輸出值，並 控制試樣11兩端的電壓值，利用每周期可控矽9導通前20。相位角的短暫周期斷電採集溫 溫度觸發採集原理如圖2所示。交流電工頻為50Hz，周期為20ms，在經過可控矽
整流觸發後，將正弦交流電變為脈動直流電(正半周)，使周期變為10ms。 假設交流電始終向右運動，每次向前波動1Hz，採樣周期為10ms，第一次採集溫度
值在可控矽觸發角為IO。時開始。由此可計算出20。觸發角所佔用的時間為


180° 9
觸發角為IO。時所佔用的時間就等於
^ + 2 = ^ms (4) 9 9
向前波動1Hz變換成時間就是
丄xl0".2ms (5) 50
當採集次數為* + 0.2 3次時，採集點有可能超出設定的20°採集區之外。交流電
的頻率變化是不規則的，可能前一個周期向前運動，而後一個周期向後運動，這樣其作用可 以相互抵消，所以在實際採集時，至少要經過成百上千次採集之後，其採集點才會落在採集 區之外。為保證溫度控制的精度，必須知道採集點是否落在斷電區域外，判斷的方法為根 據前兩個周期實測溫度值和根據具體試驗的加熱規律對下一個周期的溫度值進行預測，將 預測溫度值與實測溫度值進行比較，當其差值大於一定的偏差(AT = 5°C )時，採集點可能 落在了斷電區域外，必須在接下來的一個周期(即第n+2次周期)將採集信號觸發時間重
6新設置為 r = r +1+^ms (i) 其中，Tn+1為第n+2次周期可控矽觸發角為0°時的時刻值。 這時，第n+1周期實際測量的溫度tn+1由於可能是偽信號而棄用，用第n周期的 實測溫度tn作為第n+1周期實測溫度反饋給控制系統，即令tn+1 = tn。而第n+2周期實測 的溫度，由於已經進行了觸發時間重置，可以作為正常本周期的反饋溫度信號給控制系統。 然而，這種採集信號觸發時間的重置，會帶來控制系統的另一個問題重置次數增多後，採 集信號周期與控制周期不匹配，採集信號已經不是與某控制周期所對應的周期內的採集信 號，發生了"溢出"，解決方法如下 假定在第k次周期時，經過了 m次觸發時間重置，並且第m次觸發重置發生在第k 次周期，計算出每次的觸發時間重置後與重置前的時間差AT" AT2，， ATm。則第k次 周期時總的時間差為 E ATk= A I\+A T2+... + A Tm (2)
分兩種情況進行分析。
(i)當i:a7; >io-i時，重置後的採集點向右移動並"溢出"了當前周期，落入了第
k+l周期區域，該採集點與控制周期不匹配，需要進行處理。處理的原則為將該採集點所 採集的溫度值tk作為下一周期的實測值tk+1反饋給控制系統(即令tk+1 = tk)，以後周期類 推；而本周期的實測值(反饋值)採用往上推兩個周期的實測值，即第k-2周期實測值tk—2， 也就是說，tk—2被第k_2、 k-1和k周期重複應用三次。(2)當i:at; <-|時，重置後的採集點向左移動並"溢出"了當前周期，落入了前一
周期區域即第k-l周期，也就是說，該重置後的採集時刻超前到已經過去的上一周期之內，
該與控制周期不匹配，需要進行處理。處理的原則為將該採集點所採集的溫度值tk棄用，
將下一周期的實測值tk+1作為本周期的實測值反饋給控制系統，以後周期類推。 步驟4中所述的每周期可控矽9導通前20°相位角的短暫周期斷電採集溫度值，
在計算機控制器的溫度加熱控制模塊中實現，具體流程如圖4所示，其中各參數的定義如
下 tn為本周期的實際溫度；tn+1為下一周期的實際溫度；^為根據加熱制度預測的 下一周期的目標溫度；tn+2為下兩個周期的實際溫度；tn+3為下三個周期的實際溫度；ATk 為第k次周期時觸發時間重置後與重置前的時間差；E A Tk為第k次周期時，經過m次觸 發重置後總的時間差。
權利要求
多功能熱力模擬實驗機斷電採集溫度的測量採樣方法，其特徵在於包括計算機控制器、熱電偶、可控矽和試樣，計算機控制器作為下位機，與熱力模擬試驗機相連，在計算機控制器中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊，在試樣中心點焊熱電偶，在熱力模擬實驗機的操作箱內安裝試樣，並將熱電偶連接到操作箱內的溫度採集通道上；多功能熱力模擬實驗機斷電採集溫度的測量採樣方法包括如下步驟步驟1初始化上位計算機，輸入溫度設定參數；步驟2利用熱電偶採集試樣的實際溫度，並將結果傳至計算機控制器；步驟3計算機控制器的PID控制模塊對步驟2得到的每個控制周期的實測溫度與溫度設定值進行運算，並將運算出的電壓數據輸出給可控矽；步驟4可控矽根據步驟3的電壓數據調節觸發角，控制加熱變壓器的電壓輸出值，並控制試樣兩端的電壓值，利用每周期可控矽導通前20°相位角的短暫周期來斷電採集溫度值，其中，採集溫度值即實測溫度值須滿足落在可控矽20°觸發角的採集區內，判斷方法為溫度設定值與實測溫度作差，若絕對值大於5°，則採集點落在可控矽20°觸發角的採集區外，對接下來n+2次周期的採集信號的觸發時間重新設置，公式如下 t= t n+1 + 5 9--- ( 1 ) 其中，t表示採樣溫度，n表示周期；調整方法如下步驟4-1-1棄用第n+1次周期的實測溫度tn+1；步驟4-1-2將第n次周期的實測溫度tn作為第n+1次周期的實測溫度，反饋給計算機控制器；步驟4-1-3將第n+2次周期的實測溫度作為第n+2次周期的反饋溫度信號輸出給計算機控制器；步驟4所述的觸發時間重置，假定在第k次周期時，經過m次觸發時間重置，且第m次觸發重置發生在第k次周期，確定每次觸發時間重置後與重置前的時間差ΔT1，ΔT2，…，ΔTm，則第k次周期時總的時間差為∑ΔTk＝ΔT1+ΔT2+…+ΔTm(2)步驟4-2-1當 T k>10- 5 9 時，重置後的採集點向右移動並「溢出」了當前周期，落入第k+1周期區域，該採集點與控制周期不匹配，將該採集點所採集的溫度值tk作為下一周期的實測值tk+1，反饋給計算機控制器；本周期的實測值，採用向上推兩個周期的實測值，即第k-2次周期實測值為tk-2，tk-2被第k-2次、k-1次和k周期重複應用三次；步驟4-2-2當 T k- 5 9 時，重置後的採集點向左移動並「溢出」了當前周期，落入前一周期區域即第k-1周期，將該採集點所採集的溫度值tk棄用，將下一周期的實測值tk+1作為本周期的實測值反饋給計算機控制器，以後周期類推。
2.根據權利要求1所述的多功能熱力模擬試驗機斷電採集溫度的測量採樣方法，其特徵在於步驟4中所述的可控矽的觸發角，應滿足不小於20。；在實際控制中，若可控矽的觸發角大於2(T ，則滿足斷電採集溫度的要求，若可控矽的觸發角小於2(T ，則要強制將可控矽的觸發角調至2(T
全文摘要
多功能熱力模擬實驗機斷電採集溫度的測量採樣方法，涉及溫度測量採集方式。計算機控制器作為下位機，與熱力模擬試驗機相連，在計算機控制器中，嵌入溫度加熱控制模塊和PID控制模塊，試樣中心點焊有熱電偶，在熱力模擬實驗機的操作箱內安裝試樣，並將熱電偶連接到操作箱內的溫度採集通道上。測量採樣方法為輸入溫度參數；採集試樣的實際溫度；對實測溫度與溫度設定值進行PID運算，將結果輸出給可控矽；可控矽調節觸發角，進而控制試樣兩端的電壓值。本發明方法利用每周期可控矽導通前20°相位角的短暫周期來斷電採集溫度值，克服了交流電產生強磁場所帶來的幹擾信號，使測量結果更加準確，保證溫度控制的精度。
文檔編號G05D23/22GK101770244SQ200910220269
公開日2010年7月7日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年11月30日
發明者馮瑩瑩, 張殿華, 王國棟, 蘇海龍, 駱宗安 申請人:東北大學