本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化分布式控制系統(tǒng)dcs(distributedcontrolsystem)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)調(diào)試，尤其涉及調(diào)試過(guò)程中的溫度電信號(hào)的仿真方法。

背景技術(shù)：

目前dcs對(duì)于溫度信號(hào)的采集主要是兩種形式，采集熱電阻或是采集熱電偶信號(hào)。其基本的采集原理是將采集到的信號(hào)變成電壓信號(hào)然后再經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換成為數(shù)字化處理。

在對(duì)dcs的溫度采集模塊，包括pt100/pt1000熱電阻采集模塊以及熱電偶采集模塊進(jìn)行調(diào)試時(shí)，普遍的做法是使用信號(hào)源，例如使用電阻箱直接接入dcs的采集模塊來(lái)達(dá)到對(duì)四線制熱電阻信號(hào)的仿真，較為先進(jìn)的方法是運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)采用專(zhuān)用的溫度仿真模塊，如pt100熱電阻仿真模塊，來(lái)進(jìn)行信號(hào)仿真。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，這些方法存在以下問(wèn)題。

首先，使用電阻箱的方法造成資源消耗量大，不靈活。一個(gè)電阻箱只能調(diào)節(jié)出一個(gè)電阻值，仿真一個(gè)熱電阻信號(hào)，而實(shí)際調(diào)試時(shí)，往往需要同時(shí)仿真好幾路甚至超過(guò)十路熱電阻信號(hào)，這樣就會(huì)需要接入多個(gè)電阻箱。資源消耗以及場(chǎng)地空間的消耗都是問(wèn)題。

其次，電阻箱需要人為調(diào)節(jié)，效率低下。對(duì)需要仿真的溫度值，先要根據(jù)分度表計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電阻值，然后再手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻箱。仿真的信號(hào)通道越多弊端越明顯。

再次，由于電阻箱需要手動(dòng)調(diào)節(jié)的原因，對(duì)于多路溫度信號(hào)之間有嚴(yán)格時(shí)間間隔的情況無(wú)法準(zhǔn)確控制。

另外，若是采用較為先進(jìn)的虛擬儀器方案，使用專(zhuān)用的溫度仿真模塊如pt100仿真模塊，則存在價(jià)格高、功能單一等問(wèn)題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，專(zhuān)用的溫度仿真模塊要么針對(duì)pt100，要么針對(duì)pt1000，要么針對(duì)tc熱電偶，且單模塊往往只包含三兩個(gè)通道，模塊的價(jià)格非常高昂。試想，若要仿真pt100，pt1000以及熱電偶，而且通道數(shù)量較多時(shí)，采用這種專(zhuān)用的溫度仿真模塊就會(huì)消耗大量的財(cái)力。若是僅僅為了調(diào)試溫度采集模塊這么單一產(chǎn)品就耗費(fèi)大量財(cái)力，這對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)是不能接受的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種既能實(shí)現(xiàn)對(duì)多種多路溫度信號(hào)準(zhǔn)確仿真，并且經(jīng)濟(jì)可行的方法。

以四線制熱電阻信號(hào)采集為例。dcs的四線制熱電阻信號(hào)采集模塊通常包括兩個(gè)測(cè)量端管腳、兩個(gè)恒流源管腳。其中恒流源管腳與dcs的熱電阻采集模塊內(nèi)部的恒流源相連，測(cè)量端管腳連接采集模塊的測(cè)量端，恒流源電流經(jīng)過(guò)熱電阻則在熱電阻兩端產(chǎn)生電壓，通過(guò)測(cè)量端的電壓大小就能計(jì)算出熱電阻阻值的大小，從而得到對(duì)應(yīng)的溫度值。

熱電偶信號(hào)本身即為電壓(電勢(shì)差)信號(hào)，dcs的熱電偶采集模塊獲得電壓大小之后就能計(jì)算出對(duì)應(yīng)的熱電偶溫度值。

基于以上所述dcs對(duì)熱電阻以及熱電偶信號(hào)采集的原理，將需要仿真的溫度信號(hào)分成兩部分：其一是基本的電壓信號(hào)輸出，直接用于仿真熱電偶信號(hào)；其二是四線制熱電阻仿真部分，主要包含定值電阻以及分壓電路。

具體來(lái)說(shuō)，技術(shù)方案包括以下步驟：

1)首先使用虛擬儀器的方式，構(gòu)建基于labview軟件+pxi(pciextensionsforinstrumentation，面向儀器系統(tǒng)的pci(peripheralcomponentinterconnect)擴(kuò)展)板卡的仿真系統(tǒng)。其中l(wèi)abview軟件用于溫度值至熱電偶、熱電阻電信號(hào)值的轉(zhuǎn)換計(jì)算以及控制到pxi輸出的電壓值，pxi板卡則是按照軟件設(shè)定輸出電壓信號(hào)并負(fù)責(zé)與dcs的接口。

2)選擇一個(gè)pxi電壓輸出卡輸出電壓至dcs的熱電偶采集模塊作為熱電偶信號(hào)。

3)根據(jù)dcs熱電阻采集模塊的測(cè)量端采集的電壓值范圍設(shè)計(jì)分壓電路。該電路的功能是將pxi電壓輸出卡的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整以適合于熱電阻采集模塊。將分壓后的電壓信號(hào)u輸出至熱電阻采集模塊的測(cè)量端。

4)采用一個(gè)定值電阻連接dcs熱電阻采集模塊的恒流源端，保證恒流源回路正常?；诓襟E3)和步驟4)將四線制熱電阻的仿真變成電壓的仿真。

5)根據(jù)步驟2)，步驟3)和步驟4)設(shè)計(jì)labview軟件，該軟件包括：溫度信號(hào)選擇，溫度信號(hào)到熱電偶電壓值的轉(zhuǎn)換，溫度信號(hào)到熱電阻電阻值r以及到電壓值u的轉(zhuǎn)換以及校準(zhǔn)算法。

6)校準(zhǔn)算法的設(shè)計(jì)思路如下：

整個(gè)仿真系統(tǒng)中，分壓電路的分壓電阻引入的誤差最大，其主要影響熱電阻的仿真。

引入校準(zhǔn)參數(shù)a和b，將軟件仿真輸出的電壓值uout與dcs采集電壓計(jì)算得到的電阻值rin近似看成線性關(guān)系，

rin×i＝a×uout+b

由于恒定電流i是定值，上式可轉(zhuǎn)換成

rin＝a×r+b

其中r為軟件中設(shè)定的溫度對(duì)應(yīng)電阻值。進(jìn)一步可得

tin＝a×t+b

基于二元一次方程的理論，只需要兩個(gè)點(diǎn)就可以求解出校準(zhǔn)參數(shù)a和b的值。

然后，在labview軟件設(shè)計(jì)中，將溫度值轉(zhuǎn)換成熱電阻電阻值后，判斷是否存在校準(zhǔn)文件。若無(wú)校準(zhǔn)文件，則使用默認(rèn)的校準(zhǔn)參數(shù)；若存在校準(zhǔn)文件，則使用校準(zhǔn)文件中的參數(shù)a和b對(duì)仿真設(shè)定的熱電阻阻值進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，校準(zhǔn)后再由pxi板卡輸出電壓。如此，可以獲得精度較高的熱電阻類(lèi)型溫度仿真信號(hào)。

總之，采用本發(fā)明的溫度信號(hào)仿真方法，有如下優(yōu)點(diǎn)：

靈活性。相比采用信號(hào)源的方式，本發(fā)明提供的方法介入了虛擬儀器，可根據(jù)需要靈活編程實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

經(jīng)濟(jì)。主要的器件成本為電壓輸出模塊以及補(bǔ)充電路的電阻器件，其成本相比專(zhuān)用的pt100熱電阻模塊、熱電偶模塊便宜得多，且電壓輸出模塊包含通道數(shù)量多。通常一個(gè)電壓輸出模塊就能包含16或32通道。

精度高。針對(duì)熱電阻的仿真，本發(fā)明提供的方法還能對(duì)補(bǔ)充電路進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)踐中仿真的精度能達(dá)到0.05％。

附圖說(shuō)明

圖1是dcs對(duì)四線制熱電阻信號(hào)的采集原理圖。

圖2是本發(fā)明提出的pxi電壓輸出卡+補(bǔ)充電路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)仿真的原理圖。

圖3是labview軟件的處理過(guò)程。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示為dcs的熱電阻采集模塊的信號(hào)采集原理圖。以四線制pt100為例，出于調(diào)試的需要，對(duì)于pt100信號(hào)，需要仿真下限至-20℃，上限至450℃的溫度值。對(duì)應(yīng)的電阻值為92.16ω和264.18ω.

而dcs的采集模塊的恒定電流通常為i＝0.15ma。

那么pt100采集模塊得到的電壓uin范圍是14.75mv～42.27mv。

選用常規(guī)的-10～10v電壓輸出的pxi模塊。在補(bǔ)充電路上進(jìn)行分壓處理，如圖2所示。其中補(bǔ)充電路包括分壓電路和定值電阻。

其中，r0＝110ω，目的是為了確保恒流源i的回路，確保dcs的熱電阻采集模塊能夠檢測(cè)到pt100信號(hào)工作正常。

r1和r2將pxi輸出電壓u進(jìn)行分壓，使電壓適合于pt100采集模塊的采集。選用常規(guī)電阻r1＝2.2kω，r2＝15ω。

結(jié)合補(bǔ)充電路的分壓，則測(cè)試平臺(tái)軟件中設(shè)置的pxi電壓輸出應(yīng)該滿足如下關(guān)系式：

其中,rt為溫度t對(duì)應(yīng)的電阻值，i＝0.16ma。

那么理論上，dcs采集到的熱電阻兩端電壓

進(jìn)一步分析，考慮到補(bǔ)充電路r1和r2引入的誤差，實(shí)際上dcs系統(tǒng)采集得到的溫度值tin與測(cè)試平臺(tái)軟件中的溫度值t有如下線性關(guān)系：

tin＝a*t+b

按照二元一次方程的理論，選擇仿真溫度t的上限溫度值t2和下限溫度t1兩個(gè)點(diǎn)，即可以求解出a和b的值。

如圖3所示，在labview的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)于熱電阻信號(hào)仿真，先將待仿真溫度值轉(zhuǎn)換成熱電阻電阻值r，然后檢查是否有校準(zhǔn)文件，有則使用校準(zhǔn)文件中的a和b參數(shù)對(duì)熱電阻電阻值r進(jìn)行校驗(yàn)，無(wú)則使用默認(rèn)值a0和b0校驗(yàn)，校驗(yàn)后再由pxi輸出電壓，就能大大提高精度。實(shí)際使用結(jié)果表明，校驗(yàn)后的精度可以達(dá)到0.05％。

若是仿真熱電偶信號(hào)，則在軟件中計(jì)算將溫度轉(zhuǎn)換成電壓值后直接向pxi輸出。

綜上，本發(fā)明提出的基于虛擬儀器利用電壓和普通電阻來(lái)仿真熱電偶和熱電阻信號(hào)的方法，基本能夠達(dá)到調(diào)試過(guò)程中對(duì)各種類(lèi)型溫度信號(hào)采集仿真的要求。此方法可以減少對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)源的依賴，并且采用通用的電壓輸出模塊提升了仿真設(shè)備本身的靈活性。

最后需要說(shuō)明的是，上述說(shuō)明僅是本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)，都可利用上述的做法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和簡(jiǎn)單替換，這些都是屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。