鋼坯噴嘴性能實驗研究中溫度監(jiān)測電路的設(shè)計

河南工業(yè)技師學院 吳清榮

鄭州大學丁躍軍姜志明

鋼坯噴嘴性能實驗研究中溫度監(jiān)測電路的設(shè)計

河南工業(yè)技師學院 吳清榮

鄭州大學丁躍軍姜志明

在連續(xù)鑄鋼過程中，二次冷卻對于鋼坯的質(zhì)量和產(chǎn)量有顯著的影響。深入研究噴嘴的熱態(tài)性能，對于研究鋼坯連鑄二冷段噴嘴對鋼坯的冷卻凝固過程、提高鋼坯質(zhì)量和產(chǎn)量，具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文，筆者針對連鑄二次冷卻生產(chǎn)現(xiàn)場，進行實驗裝置的設(shè)計，以實現(xiàn)了對連鑄鋼坯二冷段噴嘴性能實驗研究中溫度數(shù)據(jù)的準確測量。

一、熱電偶溫度補償原理

熱電偶是廣泛應用于熱工儀器中的溫度器件，它是基于物體的熱電效應原理進行工作的。即在兩種不同成分的導體或半導體A、B組成的回路中，因兩接點溫度的不同就會在回路中產(chǎn)生熱電動勢，熱電勢的大小與兩端溫度差有關(guān)，這種將熱能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱之為熱電效應。利用這種效應來測溫的方法稱為熱電測溫法。熱電偶冷熱端電勢關(guān)系公式為：

式（1）中，t為實測溫度，tc為冷端溫度，EAB（t，0）是冷端溫度為0℃時熱電偶電勢輸出，EAB（t，tc）是冷端溫度為tc℃時熱電偶電勢輸出，EAB（tc，0）是冷端補償電勢。式（1）中，EAB（t，tc）可直接從熱電偶輸出中檢測到，只要獲得冷端溫度tc，就可以由分度表換算出EAB（tc，0），進而求出EAB（t，0）。完成了冷端電勢補償，可換算出實測溫度t。

二、實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.溫度監(jiān)測裝置的設(shè)計。利用非穩(wěn)態(tài)傳熱原理對鋼坯二冷段噴嘴傳熱系數(shù)進行測試，測試試樣內(nèi)部安裝熱電偶，通過熱電偶引線與溫度監(jiān)測裝置連接，對實驗中的溫度進行測量，記錄溫度隨時間的變化情況，并對所測量的信號進行數(shù)據(jù)存儲、控制、管理及數(shù)據(jù)顯示。測試連鑄二冷噴嘴的熱態(tài)性能，加熱裝置必須能夠?qū)⒃嚇蛹訜岬浇咏鼘嶋H生產(chǎn)的溫度。溫度監(jiān)測裝置如圖1所示。

圖1 溫度監(jiān)測裝置實驗

2.溫度監(jiān)測電路的設(shè)計。由于熱電偶自身結(jié)構(gòu)的原因，易受外部干擾，影響測量溫度的準確性。為了解決這些問題，在設(shè)計測量電路時充分考慮了溫度補償及抗干擾問題，設(shè)計了8個熱電偶，分8路對測量物體進行對比測量，然后對測量信號進行后續(xù)處理。具體措施如下。

（1）在熱電偶的冷結(jié)點端加裝導線并讓它與地線連接，讓干擾信號回歸到地線，從而降低了干擾，使測溫器能正確反映所測物體的實際溫度。

（2）用一個鐵皮套筒套在熱電偶的冷端補償導線上，再從套筒上引出導線連接到地線，以消除熱電偶測量信號在傳輸過程中混進來的干擾信號。

（3）采用對冷結(jié)點補償方法來提高測量的準確性。

（4）使用穩(wěn)定性高、抗干擾性強、功耗低的PIC單片機對所測量的信號進行數(shù)據(jù)存儲、控制、管理及數(shù)據(jù)顯示。

圖2為一路冷結(jié)點補償、零點調(diào)整和信號放大處理電路原理圖。其中，RD1是一只熱電偶，放置在所需要測量溫度的物體表面。為了提高熱電偶測量的準確性，采用由穩(wěn)壓電源U1和溫度傳感器A1組成的冷結(jié)點補償電路。在冷結(jié)點補償電路中采用溫度傳感器A1檢測環(huán)境溫度。這是因為，對環(huán)境溫度0～50℃進行補償時，需要產(chǎn)生的電壓等于熱電偶在50℃時的熱電動勢，所以把通過A1的電流流經(jīng)R49所形成的電壓抵消此時熱電偶的熱電勢，即可達到溫度補償?shù)哪康?。但是，如果冷結(jié)點補償電路所產(chǎn)生的偏置電壓直接加到了輸入信號進行放大，就會在輸出信號中產(chǎn)生誤差。為了消除誤差，增加了R52，W1和U9組成的零點調(diào)整電路。然后再把熱電偶測的信號與經(jīng)零點調(diào)整后的信號通過U8進行差分放大輸出，熱電偶RD2到RD8采用同樣的電路進行冷結(jié)點補償、零點調(diào)整和信號放大處理。

圖2冷結(jié)點補償、零點調(diào)整及放大電路

圖3 為對熱電偶輸出的信號進行后續(xù)處理電路，由于每個單元電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有較多的元件，電路相對較為復雜，本文，筆者只給出了部分單元電路，其他以框圖的形式給出。其中，熱電偶的輸出端OUT1，OUT2到OUT8分別通過R3到R8，C11到C16經(jīng)U2進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將信號送給單元電路U3，通過U3實現(xiàn)采樣管理。采樣信號送到單元電路U4中，U4由PIC單片機芯片和外圍電路構(gòu)成，通過U4實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、控制、管理，單元電路U5給U4提供時鐘信號。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電路原理

J1可以進行3個通道的數(shù)據(jù)顯示，J2是功能控制鍵，可以用來查找或刪除數(shù)據(jù)、修改時間、數(shù)據(jù)標定和J3數(shù)據(jù)傳輸接口。

3.實驗試樣的設(shè)計。實驗試樣的鋼種選擇實際鋼廠生產(chǎn)的鋼種。根據(jù)噴嘴的噴射半徑約200mm，考慮在2個噴嘴情況下以及實際生產(chǎn)中噴嘴在鑄坯邊緣有50mm的富裕度，同時由于的加熱需要，試樣尺寸確定為750mm×250mm×25mm（實測試樣為650mm×220mm×25mm）。

三、實驗結(jié)果對比

完成實驗系統(tǒng)的設(shè)計后，對鑄鋼噴嘴性能進行實驗研究。本實驗采用扁形水噴嘴，型號為670.846.30.00和氣/水噴嘴型號為36.35.13.01進行實驗。鋼廠實際生產(chǎn)中鑄坯最高溫度為1 200℃，存在凝固潛熱。實驗在試樣加熱到1 200℃左右開始，且在不噴水一側(cè)繼續(xù)加熱，考慮凝固潛熱的影響。試樣為某鋼廠實際生產(chǎn)鋼種。實際生產(chǎn)中，噴水量為13～16 L/min，選擇二冷區(qū)的一段為比較對象，噴氣壓力0.2MPa。

通過多次實驗得出，實驗結(jié)果和實際生產(chǎn)結(jié)果變化趨勢一致，誤差在7%以內(nèi)，滿足工程生產(chǎn)的需要。同時，實驗結(jié)果傳熱系數(shù)大于實際生產(chǎn)過程的傳熱系數(shù)，這是由于實際生產(chǎn)中鋼坯冷卻過程產(chǎn)生的大量水汽，形成了鋼坯表面的薄膜，對熱量傳遞有阻礙作用，從而使得傳熱系數(shù)降低。實際和實驗條件對比見表1。

表1 實際和實驗條件對比

四、結(jié)論

本文，筆者研究的溫度監(jiān)測電路利用熱電偶進行溫度和時間的測量，并在電路中進行了冷結(jié)點補償及抗干擾處理，同時，還使用了穩(wěn)定性高、抗干擾性強、功耗低的PIC單片機對所測量的信號進行數(shù)據(jù)存儲、控制、管理及數(shù)據(jù)顯示。多次實驗表明，測量電路性能穩(wěn)定，測量誤差小，重復性好，具有較強的實用性，實現(xiàn)了實驗溫度數(shù)據(jù)的準確測量。

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