便攜式快速熱分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周怡君，戴 挺，王明君

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211189;2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211189)

0 引言

鑄鐵爐前快速熱分析技術(shù)是以鑄鐵組織形成過程的凝固溫度曲線為被測(cè)對(duì)象，對(duì)凝固曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得到曲線的特征點(diǎn)，并根據(jù)預(yù)先確認(rèn)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出鐵水的碳當(dāng)量(CE%)、碳含量(C%)、硅含量(Si%)等指標(biāo)的鑄鐵成分分析技術(shù)［1－3］?？焖贌岱治鰞x的測(cè)量精度可以達(dá)到 CE＜0.10%、C＜0.05%、Si＜0.10%，是鑄鐵生產(chǎn)過程中爐前使用的簡潔、快速、準(zhǔn)確的分析儀器。

為了加強(qiáng)鐵液質(zhì)量控制，國內(nèi)外在鑄鐵爐前快速檢測(cè)方面做了大量的研究。特別是西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于鐵液質(zhì)量熱分析法檢測(cè)，研制出了智能化多功能測(cè)試儀。例如天津撒布浪斯探測(cè)儀器有限公司和天津匯豐探測(cè)裝備有限公司等合資企業(yè)生產(chǎn)的爐前鐵水質(zhì)量管理儀，一般采用8條曲線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵液性能的快速、準(zhǔn)確的測(cè)定，很好地保證了鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量。而在國內(nèi)，爐前快速分析儀的研發(fā)相對(duì)較少，技術(shù)相對(duì)落后。朱彬等采用單片機(jī)與PC104相結(jié)合的方式，完成了數(shù)據(jù)的采集以及成分的分析［4－5］;夏志全等提出基于Lab-VIEW的快速熱分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用第三方數(shù)據(jù)采集卡通過串口通信與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示［6］。

文中采用單片機(jī)作為控制核心，10吋LCD實(shí)時(shí)顯示采樣曲線以及分析結(jié)果，微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)果的輸出，從而實(shí)現(xiàn)便攜式快速熱分析儀的研制。

1 硬件設(shè)計(jì)

圖1所示為快速熱分析儀硬件框圖，系統(tǒng)分為4個(gè)部分:核心控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、人機(jī)交互單元和CAN總線單元。其中，核心控制單元采用MC9S12XS128微控制器為控制核心;數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的調(diào)理放大，并采用14位高精度ADC采樣數(shù)據(jù)，通過SPI總線與MC9S12XS128微控制器相連;人機(jī)交互單元包括LCD顯示屏、微型打印機(jī)、LED燈以及鍵盤，用于完成參數(shù)設(shè)置、溫度曲線實(shí)時(shí)顯示、分析結(jié)果與歷史記錄的顯示和打印，同時(shí)LED顯示主要用于運(yùn)行狀態(tài)的顯示以及報(bào)警;CAN總線單元與LED點(diǎn)陣屏相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度與分析結(jié)果的遠(yuǎn)程顯示。

圖1 硬件框圖

1.1 核心控制單元

核心控制單元如圖2所示，主要包括MC9S12XS128微控制器，以及相關(guān)的電源、配置引腳、CRG和BDM等模塊。

圖2 核心控制單元

MC9S12XS128是功能更為強(qiáng)大的16位微控制器［7］，提供了32位MCU的性能并且保留了16位MCU的低價(jià)格、低功耗、卓越的EMC和有效編碼長度的優(yōu)勢(shì)。主要特點(diǎn)有:增強(qiáng)型HCS12內(nèi)核;128 K FLASH，32K RAM，4K EEPROM;1 路MSCAN;2路UART總線;1路SPI總線等。

MC9S12XS128的電源模塊是一個(gè)能提供了2個(gè)不同電流的獨(dú)立2.5 V電源的雙輸出穩(wěn)壓器。電源模塊輸入電壓范圍是從3.3～5 V(典型值)，共有穩(wěn)壓電源輸入引腳 (VDDR)、模擬電源(VDDA)、電源模塊主要輸出(VDD)、PLL和時(shí)鐘電源(VDDPLL);外部電源(VCC)通過電感濾波、穩(wěn)流后產(chǎn)生VDDA以及VDDR;每個(gè)電源引腳皆有相應(yīng)的濾波電容。

PE5(MODA)、PE6(MODB)和BKGD(MODC)為配置引腳，當(dāng)MCU復(fù)位時(shí)根據(jù)3個(gè)腳的電平來決定MCU的工作方式，當(dāng)前配置為正常單片模式。

1.2 數(shù)據(jù)采集單元

快速熱分析儀一般都采用K型熱電偶作為溫度傳感器，放置于專用的樣杯中。K型熱電偶測(cè)溫時(shí)，必須進(jìn)行冷端補(bǔ)償、調(diào)零、電壓放大和線性化等一系列工作，否則會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。系統(tǒng)中，溫度放大調(diào)理電路采用AD595，AD595是為熱電偶測(cè)溫設(shè)計(jì)的專用芯片，內(nèi)部具有放大、冷端補(bǔ)償以及斷偶報(bào)警等功能［8］。如圖3所示為采用AD595的熱偶信號(hào)調(diào)理電路，J1是熱電偶的輸入端;通過調(diào)節(jié)電位器使得檢測(cè)溫度對(duì)應(yīng)電壓端(TEMP)在0～10 V之間，以便于ADC采集;ALM端口為報(bào)警輸出端，當(dāng)斷偶時(shí)ALM端輸出15 V高電平。

AD7367是14位、高速、低功耗、單/雙極性轉(zhuǎn)換的串行逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片［9］，支持SPI接口，并具有兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換單元。AD7367還能編程選擇3種模擬輸入電壓范圍，分別為:±10 V、±5 V和0～10 V，系統(tǒng)采用0～10 V電壓范圍。如圖4所示為基于AD7367的數(shù)據(jù)采樣電路，AD595輸出的電壓信號(hào)通過OP07跟隨后，接入AD7367的VA1;AD7367的數(shù)據(jù)端與MC9S12XS128微控制器的SPI0相連;±12 V電源通過DC－DC轉(zhuǎn)換器WRA1215ZP獲得。

圖3 熱偶信號(hào)調(diào)理電路

圖4 數(shù)據(jù)采樣電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試分析流程

測(cè)試分析流程采使用定時(shí)器事件驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。由于鐵水冷卻過程中溫度變化緩慢，定時(shí)器事件為 0.5 s發(fā)生 1次。系統(tǒng)采用MC9S12XS128微控制器內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTI)生成500 ms的定時(shí)間隔，在RTI定時(shí)中斷程序中完成狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移。

圖5 測(cè)試分析流程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

平時(shí)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài);當(dāng)傳感器樣杯放置好后進(jìn)入測(cè)試等待狀態(tài)，此時(shí)等待澆樣;當(dāng)鐵水澆入樣杯，測(cè)試溫度會(huì)很快高于1 100℃，進(jìn)入測(cè)試分析狀態(tài)，系統(tǒng)采用邊采樣邊分析的方法，同時(shí)溫度曲線實(shí)時(shí)顯示在LCD屏上;如果在此過程中，能找到TL與TS并完成實(shí)時(shí)成份分析，則直接進(jìn)入結(jié)果顯示狀態(tài);如果測(cè)試溫度已低于1 050℃仍未完成成份分析，則進(jìn)入成份分析狀態(tài);此時(shí)，采用成份分析程序完成成份分析，然后進(jìn)入結(jié)果顯示狀態(tài);最后等待更換樣杯，完成整個(gè)測(cè)試流程。

2.2 測(cè)試分析算法

快速熱分析儀測(cè)定鐵水化學(xué)成分時(shí)采用加碲的樣杯。此時(shí)在鐵水冷卻過程中，會(huì)出現(xiàn)明顯的初晶溫度(TL)平臺(tái)與共晶溫度(TS)平臺(tái)。其中，TL平臺(tái)位于冷卻曲線的第一平臺(tái)處，此平臺(tái)極短;TS位于冷卻曲線第二個(gè)平臺(tái)處，此平臺(tái)較長。通過大量的測(cè)試和回歸分析，發(fā)現(xiàn)鐵水中C含量與Si含量主要取決于初晶溫度TL與共晶溫度TS.所以，冷卻曲線的去噪聲、擬合、平滑處理，以及特征值的搜索和確定TL以及TS的二次回歸算法的研究最為重要。

系統(tǒng)中，首先通過小波分析去噪方法對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后采用拐點(diǎn)與平臺(tái)相結(jié)合的算法確定TL和TS.實(shí)際應(yīng)用中，確定TL時(shí)采用拐點(diǎn)與平臺(tái)相結(jié)合的算法，確定TS時(shí)采用平臺(tái)算法。

在實(shí)際檢測(cè)鐵水溫度變化時(shí)，獲得的僅是一系列離散點(diǎn)。拐點(diǎn)算法的原理是:離散曲線的任意4個(gè)連續(xù)散點(diǎn)，若滿足公式 1(式中 i=1，2，3…)，則(xi+1，yi+1)為曲線的一個(gè)拐點(diǎn)。

其流程如圖6所示。

平臺(tái)算法的原理是:在測(cè)量誤差允許的情況下，液、固相線溫度值對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)附近的曲線近似作為直線，其流程如圖7所示。

3 結(jié)束語

圖6 拐點(diǎn)算法流程圖

圖7 平臺(tái)算法流程圖

如圖8所示為便攜式快速熱分析儀樣機(jī)在某鑄造廠做樣時(shí)的情況。LCD屏顯示的為當(dāng)前測(cè)試的鐵水冷卻曲線，以及C含量、Si含量等。當(dāng)成分分析完成后，微型打印即將測(cè)試時(shí)間、鐵水成份等信息打印出來。

圖8 便攜式快速熱分析儀樣機(jī)

表1所示為在南京某鑄造廠測(cè)試的5個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果與化學(xué)分析結(jié)果比較。樣機(jī)測(cè)量的C含量相對(duì)誤差都在1%以內(nèi)，Si含量相對(duì)誤差能達(dá)到5%以內(nèi)，完全達(dá)到測(cè)試要求。

表1 測(cè)試結(jié)果

［1］王利華，石德全，李大勇.熱分析技術(shù)在鑄造生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)上的應(yīng)用.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009，38(21):72 －75.

［2］金長久.鐵液質(zhì)量熱分析儀的功能特點(diǎn)及發(fā)展.鑄造技術(shù)，2004，25(10):806－807.

［3］劉長起，王學(xué)華.熱分析儀器使用過程中應(yīng)注意的問題.2009中國鑄造活動(dòng)周論文集，2009.

［4］朱彬，陳為旭，劉軍民.多功能鑄鐵熔煉爐前綜合分析儀的研制.儀表技術(shù)與傳感器，2008，11:26 －28.

［5］朱彬，累岳俊.手持式智能化鐵水分析儀的研制.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29:481 －483.

［6］夏志全，吳和保，龍玉陽，等.基于LabVIEW 的快速熱分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):94－96.

［7］MC9S12XS128 Data Sheet，［EB/OL］.http://www.freescale.com，2006.

［8］牛軍，常進(jìn)，張宇.一種基于LON網(wǎng)絡(luò)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子測(cè)量技術(shù)，2008，31:131 －134.

［9］True Bipolar Input，12 － /14 － Bit，2 － Channel，Simultaneous Sampling SAR ADCs.

［10］AD7366 －5/AD7367 －5 Data Sheet，［EB/OL］.http://www.analog.com，2007.