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1. 前言 在金屬熱處理工藝中，需要使用溫控開(kāi)關(guān)，來(lái)控制加熱的溫度，一般采用溫控開(kāi)關(guān)對烘箱的溫度進(jìn)行控制，各種溫控開(kāi)關(guān)的工作機理雖然各不相同，但都能在設定的溫度點(diǎn)斷開(kāi)或接通電源。隨著(zhù)對材料要求的不斷提高，熱處理過(guò)程中對溫度的控制范圍和頻率響應也提出了更高的要求。本系統使用了頻響較高的溫度傳感器，設計了計算機瞬態(tài)記錄系統，滿(mǎn)足了使用要求，試驗中獲取了較穩定的數據。 2. 原理及系統組成 根據要求，該計算機控制的多點(diǎn)測試系統必須能做到： (1) 一次可以同時(shí)測試多個(gè)樣品； (2) 測試并保存每個(gè)溫控開(kāi)關(guān)樣品的斷開(kāi)點(diǎn)及恢復點(diǎn)溫度； (3) 打印出每一溫控開(kāi)關(guān)樣品的斷開(kāi)點(diǎn)及恢復點(diǎn)溫度值； (4) 自動(dòng)控制烘箱的加熱速度。 計算機測試系統主要由傳感器、信號調理、采集、系統軟件和計算機等組成，見(jiàn)圖1。 2.1 工作原理 加熱爐工作時(shí)，傳感器周?chē)鷾囟劝l(fā)生變化，導致傳感器電阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生電信號。電信號通過(guò)信號調理器調整后，由采集器將信號采集，然后送入計算機進(jìn)行處理。由于傳感器環(huán)境溫度的變化對應著(zhù)阻值的變化，通過(guò)一定的算法、計算處理，即可測出瞬態(tài)溫度。信號變送器設有調零電位器，通過(guò)系統調零，可以防止數據采集時(shí)系統誤觸發(fā)。 2.2 系統各組成部分說(shuō)明 2.2.1 溫度傳感器 溫度傳感器是以白金為材料。通過(guò)特殊的工藝方法加工而成，響應時(shí)間約幾個(gè)毫秒。溫度傳感器工作時(shí)，所需的恒流源由信號調理器供給。在一定溫度時(shí)，傳感器兩端為一個(gè)恒定阻值，由于通過(guò)溫度傳感器的電流恒定不變，傳感器輸出為一個(gè)穩定的電壓值。當溫度在瞬間發(fā)生變化時(shí)，用純金屬加工的溫度傳感器，電阻阻值在瞬間內也發(fā)生變化，利用電阻的變化，即可測出溫度的變化值。 2.2.2 信號調理器 信號調理器由穩壓源、恒流源、放大電路、調零電路等組成。 信號調理器工作時(shí)，先將輸入的電源電壓穩壓后，供給恒流源電路。恒流源電路產(chǎn)生不大于10mA恒定的直流電流后供給溫度傳感器。當傳感器有電信號輸出時(shí)，信號調理器將傳感器輸出的電信號，調整到測試系統記錄的電壓范圍內。轉化成電壓隨溫度的變化，再經(jīng)過(guò)A／D轉換器將模擬信號轉換成數字量，由計算機進(jìn)行數據采集及處理。因每次需要測量每個(gè)溫控器樣品，而烘箱內的溫度分布不均勻，所以設計時(shí)將烘箱內的被測樣品按區劃分。在每個(gè)區用一個(gè)傳感器測量該區的溫度，盡可能地減小由于烘箱內溫度分布不均勻而造成的測量誤差。 信號調理器選用PC-6502熱電阻接口板。測量范圍為-50℃～+1750℃，有八路輸入通道，精度為0.1％，測量方式為恒流激勵三線(xiàn)式。 2.2.3 A／D轉換器 信號調理器轉換輸出的隨溫度變化的電壓信號，經(jīng)過(guò)A／D轉換器轉換成數字信號由計算機采集及處理。為了保證測量精度，系統中采用了自行研制的12位A／D轉換接口板，以AD574為轉換器核心，用LF398作為采樣／保持器。 AD574是快速12位逐次逼近式A／D轉換器，是由美國Analog Device公司生產(chǎn)的，它只需外接少量元器件就可獨立完成A／D轉換功能，其控制信號CE、CS、R／C、12／8、A0等信號的組合功能如表1。 2.2.4 溫控開(kāi)關(guān)狀態(tài)接口電路 溫控開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)可通過(guò)一組I／O口輸入計算機，本系統中采用了可編程的并行I／O接口芯片8255，該芯片具有三個(gè)并行I／O口，可以通過(guò)軟件對其編程，使A口、B口、C口全部工作在輸入方式，則一片8255可檢測24只溫控開(kāi)關(guān)，采用八片8255，一次測試可同時(shí)檢測多只樣品。每次測試其通斷狀態(tài)時(shí)，同時(shí)測試該溫控開(kāi)關(guān)所在區域的溫度值。 2.2.5 烘箱加熱速度控制 烘箱加熱速度的快慢直接影響到樣品測試速度及準確性，一般在同一批次中，溫控開(kāi)關(guān)的通斷點(diǎn)溫度都比較接近。而樣品放人烘箱后，溫度從室溫開(kāi)始，一直到接近樣品斷開(kāi)點(diǎn)溫度時(shí)的加溫過(guò)程中，不會(huì )有溫控開(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以在這一段加熱時(shí)間內，可以讓所有電熱絲全部工作，以提高加熱速度，減少測試時(shí)間，在快接近斷點(diǎn)溫度前及在斷點(diǎn)溫度附近則為了升溫均勻及測試準確，采用逐根斷開(kāi)電爐絲的辦法來(lái)減慢加熱速度，待全部檢測完畢后，所有電爐絲亦已全部斷開(kāi)，則可進(jìn)入自然冷卻階段，開(kāi)始測試樣品的接通點(diǎn)溫度值。 2.2.6 采集電路 采集電路用于記錄傳感器輸出的電信號。系統工作時(shí)，模擬轉換開(kāi)關(guān)將信號調理器送來(lái)的連續的多路模擬信號變?yōu)橐幌盗械拇忻}沖信號，經(jīng)緩沖放大，送入A／D轉換電路。A／D轉換器將緩沖放大器送來(lái)的脈沖信號變?yōu)閿底中盘�，并存入緩沖存貯器中，采集結束后將信號由緩沖存貯器調入計算機中，最終將數據存入計算機內。 3. 軟件設計 系統的測試是通過(guò)測試軟件控制的，軟件的開(kāi)發(fā)必須做到： (1) 檢測并記錄多個(gè)溫控開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)點(diǎn)溫度及恢復點(diǎn)溫度； (2) 按區劃分測量出八點(diǎn)均勻分布點(diǎn)的溫度，并對相關(guān)點(diǎn)作適當的補償； (3) 根據每批產(chǎn)品的溫度特性，設定溫度測定范圍以便對烘箱的加熱速度進(jìn)行合理控制； (4) 保存測試參數，并隨時(shí)打印出參數表。 3.1 軟件模塊的設計 軟件的設計包括五個(gè)獨立的功能模塊。分別為： (1) 調文件，可以調入以前任一時(shí)刻的測試數據。 (2) 存文件，將正在測試的數據存盤(pán)備份。 (3) 打印，將測試的數據打印出來(lái)，作為產(chǎn)品參數標準。 溫度設置，主要用來(lái)設置被測溫度范圍，由此溫度范圍為依據，來(lái)控制烘箱的加熱速度。 測試，該模塊主要完成功能為： (1) 初始化，包括將用于控溫開(kāi)關(guān)狀態(tài)接口的8255編程設置為輸入方式，溫控開(kāi)關(guān)全部接通使三根電爐絲同時(shí)加熱等。 (2) 讀人I／O狀態(tài)，判斷各溫控開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)。 (3) 分區讀入各溫度測試點(diǎn)的溫度值，將此時(shí)的溫度值賦給有通斷變化的溫控開(kāi)關(guān)樣品，并在監視器上相應的位置顯示該溫度值。 (4) 根據選定點(diǎn)的溫度值，與設定的最低溫度、最高溫度之間的關(guān)系來(lái)控制烘箱加熱電爐絲的通斷，以控制加熱速度。 3.2 提高測量精度的措施 為了保證溫度測量的精度，除了在硬件上采取必要的措施如采用12位A／D轉換外，軟件上也要采取相應的措施，本系統中采用了多點(diǎn)平均算法。由于A(yíng)／D采樣用的是AD574芯片，其轉化速率典型值為25μs，而溫度不可能有突變，所以我們對每一溫度點(diǎn)采樣100個(gè)點(diǎn)，然后排序，去掉最大的和最小的各10點(diǎn)，用剩余的80點(diǎn)進(jìn)行平均，這樣可使測試過(guò)程中的誤差大為減小。 4. 測試結果 該系統對多次加熱爐溫控進(jìn)行了測試，獲取了較穩定的數據。已使其測試精度、速度都超過(guò)了原定的設計要求，溫度測量精度≤0.5%，大大提高了工作效率，產(chǎn)品的質(zhì)量得到了更進(jìn)一步的保證。 |
