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

背景技術(shù)：

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

在對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，普遍的做法是使用信號源，例如使用電阻箱直接接入dcs的采集模塊來達(dá)到對四線制熱電阻信號的仿真，較為先進(jìn)的方法是運用虛擬儀器技術(shù)采用專用的溫度仿真模塊，如pt100熱電阻仿真模塊，來進(jìn)行信號仿真。實踐中發(fā)現(xiàn)，這些方法存在以下問題。

首先，使用電阻箱的方法造成資源消耗量大，不靈活。一個電阻箱只能調(diào)節(jié)出一個電阻值，仿真一個熱電阻信號，而實際調(diào)試時，往往需要同時仿真好幾路甚至超過十路熱電阻信號，這樣就會需要接入多個電阻箱。資源消耗以及場地空間的消耗都是問題。

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

再次，由于電阻箱需要手動調(diào)節(jié)的原因，對于多路溫度信號之間有嚴(yán)格時間間隔的情況無法準(zhǔn)確控制。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明提供了一種既能實現(xiàn)對多種多路溫度信號準(zhǔn)確仿真，并且經(jīng)濟可行的方法。

以四線制熱電阻信號采集為例。dcs的四線制熱電阻信號采集模塊通常包括兩個測量端管腳、兩個恒流源管腳。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，測量端管腳連接采集模塊的測量端，恒流源電流經(jīng)過熱電阻則在熱電阻兩端產(chǎn)生電壓，通過測量端的電壓大小就能計算出熱電阻阻值的大小，從而得到對應(yīng)的溫度值。

熱電偶信號本身即為電壓(電勢差)信號，dcs的熱電偶采集模塊獲得電壓大小之后就能計算出對應(yīng)的熱電偶溫度值。

基于以上所述dcs對熱電阻以及熱電偶信號采集的原理，將需要仿真的溫度信號分成兩部分：其一是基本的電壓信號輸出，直接用于仿真熱電偶信號；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。

具體來說，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、熱電阻電信號值的轉(zhuǎn)換計算以及控制到pxi輸出的電壓值，pxi板卡則是按照軟件設(shè)定輸出電壓信號并負(fù)責(zé)與dcs的接口。

2)選擇一個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。

3)根據(jù)dcs熱電阻采集模塊的測量端采集的電壓值范圍設(shè)計分壓電路。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u輸出至熱電阻采集模塊的測量端。

4)采用一個定值電阻連接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labview軟件，該軟件包括：溫度信號選擇，溫度信號到熱電偶電壓值的轉(zhuǎn)換，溫度信號到熱電阻電阻值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)計思路如下：

整個仿真系統(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，只需要兩個點就可以求解出校準(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對仿真設(shè)定的熱電阻阻值進(jìn)行校準(zhǔn)計算，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型溫度仿真信號。

總之，采用本發(fā)明的溫度信號仿真方法，有如下優(yōu)點：

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

經(jīng)濟。主要的器件成本為電壓輸出模塊以及補充電路的電阻器件，其成本相比專用的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。通常一個電壓輸出模塊就能包含16或32通道。

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

附圖說明

圖1是dcs對四線制熱電阻信號的采集原理圖。

圖2是本發(fā)明提出的pxi電壓輸出卡+補充電路實現(xiàn)對溫度信號仿真的原理圖。

圖3是labview軟件的處理過程。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明的具體實施做進(jìn)一步說明。

如圖1所示為dcs的熱電阻采集模塊的信號采集原理圖。以四線制pt100為例，出于調(diào)試的需要，對于pt100信號，需要仿真下限至-20℃，上限至450℃的溫度值。對應(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。在補充電路上進(jìn)行分壓處理，如圖2所示。其中補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到pt100信號工作正常。

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)合補充電路的分壓，則測試平臺軟件中設(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，考慮到補充電路r1和r2引入的誤差，實際上dcs系統(tǒng)采集得到的溫度值tin與測試平臺軟件中的溫度值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t1兩個點，即可以求解出a和b的值。

如圖3所示，在labview的軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，對于熱電阻信號仿真，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)對熱電阻電阻值r進(jìn)行校驗，無則使用默認(rèn)值a0和b0校驗，校驗后再由pxi輸出電壓，就能大大提高精度。實際使用結(jié)果表明，校驗后的精度可以達(dá)到0.05％。

若是仿真熱電偶信號，則在軟件中計算將溫度轉(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仿真熱電偶和熱電阻信號的方法，基本能夠達(dá)到調(diào)試過程中對各種類型溫度信號采集仿真的要求。此方法可以減少對傳統(tǒng)信號源的依賴，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。

最后需要說明的是，上述說明僅是本發(fā)明的一個典型實施例而已，并非對本發(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)容對本發(fā)明的技術(shù)方案做出許多可能的變動和簡單替換，這些都是屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。