基于LabVIEW的電磁感應(yīng)加熱帶材溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

汪友華，李發(fā)展，劉成成

基于LabVIEW的電磁感應(yīng)加熱帶材溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

汪友華，李發(fā)展，劉成成

（河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

為了得到加熱器出口處帶材溫度的分布情況，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的電磁感應(yīng)加熱帶材溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由紅外溫度傳感器、電流變送器、CompactDAQ平臺(tái)和顯示器組成。測(cè)量了45鋼在不同溫度下的輻射率，采用最小二乘法將數(shù)據(jù)分段擬合成解析函數(shù)，并將表達(dá)式通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入程序。系統(tǒng)通過(guò)NI CompactDAQ硬件平臺(tái)以及LabVIEW軟件，對(duì)感應(yīng)加熱器出口處帶材的溫度進(jìn)行采集和處理，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有較高的測(cè)溫精度和實(shí)用價(jià)值。

感應(yīng)加熱；溫度監(jiān)測(cè)；虛擬儀器；輻射率；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

與傳統(tǒng)的燃料加熱相比，感應(yīng)加熱具有升溫速度快、加熱效率高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[1]。在感應(yīng)加熱過(guò)程中，存在著感應(yīng)加熱器出口處沿帶材寬度方向上溫度分布不均勻的問(wèn)題，因此對(duì)感應(yīng)加熱器出口處帶材的溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。

目前在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，常使用紅外熱像儀對(duì)帶材溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但帶材輻射率隨溫度變化較明顯，從而產(chǎn)生了較大的原理性測(cè)量誤差。NI CompactDAQ是一個(gè)堅(jiān)固耐用的便攜式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，它將連接和信號(hào)調(diào)理功能與模塊化I/O相集成，可直接連接傳感器或信號(hào)[2]。NI CompactDAQ與NI LabVIEW軟件相結(jié)合，可用于采集、分析、顯示和管理測(cè)量數(shù)據(jù)[3]。本文根據(jù)加熱過(guò)程中測(cè)溫環(huán)境和要求，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的電磁感應(yīng)加熱帶材溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 帶材輻射率的測(cè)量與處理

本文測(cè)得了45鋼在不同溫度下的輻射率。根據(jù)輻射率隨溫度變化的規(guī)律，采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，得到0~200 ℃和200~400 ℃兩種情況下輻射率隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型。

1.1 輻射率測(cè)量裝置

本文將45鋼加工成為長(zhǎng)100 mm、寬50 mm、厚度為2 mm的長(zhǎng)方形鋼片。使用砂紙將樣品表面打磨至光滑，并用酒精清洗帶材表面除去灰塵和氧化層。45鋼的輻射率測(cè)量裝置如圖1所示，將清潔完成后的樣品放入到高溫電阻爐中進(jìn)行加熱，分別由熱電偶和紅外溫度傳感器測(cè)量其溫度。

圖1 輻射率測(cè)量裝置

K型熱電偶測(cè)溫為接觸式測(cè)溫，需要將熱電偶固定在樣品上。本文中熱電偶的冷端補(bǔ)償設(shè)為常量，為環(huán)境溫度20 ℃。紅外溫度傳感器在工作時(shí)，垂直于樣品表面1 m放置。紅外溫度傳感器和熱電偶的輸出信號(hào)通過(guò)CompactDAQ平臺(tái)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為溫度值，通過(guò)計(jì)算得到被測(cè)樣品輻射率的大小，將其顯示在前面板上并記錄下來(lái)。從20 ℃至400 ℃，每隔10 ℃測(cè)得一組45鋼在此溫度下的輻射率大小，故本文共測(cè)到39組數(shù)據(jù)。

1.2 輻射率曲線

測(cè)得的45鋼在不同溫度下的輻射率曲線如圖2所示。帶材的輻射率隨著溫度的升高而逐漸增大，且在不同的溫度范圍內(nèi)其增長(zhǎng)速率有較為明顯的差異。相對(duì)于20~200 ℃溫度范圍，從200 ℃升高至400 ℃過(guò)程中，輻射率隨溫度變化速度較快。由此可知，輻射率是影響紅外測(cè)溫準(zhǔn)確性的重要因素。當(dāng)溫度變化時(shí)，必須同時(shí)將輻射率的變化考慮進(jìn)去，否則將造成較大的誤差，導(dǎo)致測(cè)量的溫度不準(zhǔn)確，影響帶材的加工質(zhì)量。

圖2 輻射率隨溫度變化曲線

1.3 曲線擬合

兩組數(shù)據(jù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差RMSE都小于0.012，相關(guān)系數(shù)接近于1，擬合的精度較高。輻射率擬合曲線如圖3所示。

圖3 輻射率擬合曲線

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用于對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)帶材進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的加熱器出口處帶材的溫度分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖4所示，電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要由傳動(dòng)裝置、糾偏裝置、感應(yīng)加熱器、測(cè)溫裝置、冷卻裝置和電源等構(gòu)成。金屬帶材從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A端傳輸至感應(yīng)加熱器，測(cè)溫裝置監(jiān)測(cè)加熱完成后帶材的溫度，后經(jīng)冷卻裝置再傳輸?shù)紹端。

圖4 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)

在感應(yīng)加熱過(guò)程中，帶材始終保持勻速運(yùn)動(dòng)，接觸式測(cè)溫不能滿足要求，因此采用紅外測(cè)溫的方式。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，由紅外溫度傳感器、電流變送器、NI 9220數(shù)據(jù)采集卡、NI CDAQ- 9132控制器和顯示器組成。

圖5 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

紅外溫度傳感器由24 V直流電源供電，光譜范圍為8~14 μm，光學(xué)分辨率為30∶1，測(cè)溫范圍為0~ 1200 ℃，輸出為4~20 mA直流電流信號(hào)。電流變送器將4~20 mA的直流電流轉(zhuǎn)化成2~10 V的電壓，還可以有效地實(shí)現(xiàn)磁電隔離。NI 9220有16模擬差分通道，每個(gè)通道都提供±10 V的測(cè)量范圍，以及16位測(cè)量精度。CDAQ?9132用于控制定時(shí)、同步、數(shù)據(jù)傳輸和嵌入式監(jiān)測(cè)[6]。

為測(cè)得帶材寬度方向上的溫度分布，將多支紅外溫度傳感器垂直帶材表面并排放置，使帶材處在傳感器的視場(chǎng)之內(nèi)。紅外溫度傳感器將帶材表面的溫度轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，電流變送器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成可供NI 9220數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào)，經(jīng)NI CDAQ-9132控制器完成濾波、運(yùn)算和處理等，實(shí)現(xiàn)溫度的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW作為虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，在數(shù)據(jù)采集和人機(jī)交互方面有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。系統(tǒng)使用LabVIEW軟件編寫(xiě)感應(yīng)加熱帶材溫度監(jiān)測(cè)程序，主要包括通道和采樣設(shè)置、數(shù)據(jù)的處理和顯示、報(bào)表的生成等功能。

3.1 通道和采樣設(shè)置

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用10支紅外溫度傳感器采集帶材表面的溫度，因此采樣通道為NI 9220的10路差分輸入。采集參數(shù)的設(shè)置包括物理通道的選擇，以及采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置、采樣最大最小值。通過(guò)對(duì)采集卡通道和參數(shù)的設(shè)置，完成溫度同步數(shù)據(jù)的采集后交由控制器處理。

3.2 數(shù)據(jù)的處理與顯示

NI CDAQ-9132控制器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其顯示在前面板上，其程序框圖如圖6所示。通過(guò)LabVIEW內(nèi)的數(shù)字濾波器對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，消除雜散干擾信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)值運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換成溫度值。編程的過(guò)程中考慮輻射率的影響，因此在程序中引入公式節(jié)點(diǎn)，在代碼框內(nèi)編寫(xiě)C語(yǔ)言代碼，將所做的擬合函數(shù)表達(dá)式寫(xiě)入程序，從而將紅外溫度傳感器測(cè)得的溫度值換算成帶材的實(shí)際溫度。帶材溫度分布情況可以通過(guò)帶材的最高溫度、最低溫度，平均溫度3個(gè)參數(shù)來(lái)表示。因此，軟件設(shè)計(jì)中需要對(duì)10個(gè)采樣點(diǎn)的溫度值進(jìn)行分析，計(jì)算上述各個(gè)參數(shù)值，并繪制出帶材溫度分布曲線。

圖6 數(shù)據(jù)處理與顯示程序框圖

3.3 數(shù)據(jù)報(bào)表

溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需將每一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)同步寫(xiě)入Excel文檔保存，方便后續(xù)的統(tǒng)計(jì)和分析。如圖7(a)所示，程序框圖由1個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)和2個(gè)條件結(jié)構(gòu)組成，開(kāi)始采樣時(shí)，外部的條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行選擇器標(biāo)簽為真的程序。While循環(huán)的移位寄存器每采樣1次，移位寄存器內(nèi)的數(shù)值自動(dòng)加1，將系統(tǒng)在數(shù)據(jù)保存時(shí)間內(nèi)循環(huán)采樣的次數(shù)除以移位寄存器的數(shù)值，若余數(shù)為0，則內(nèi)部條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行為真的程序。此時(shí)，帶材的平均溫度、最低溫度、最高溫度的數(shù)據(jù)保存至移位寄存器。

如圖7(b)所示，停止采樣，While循環(huán)結(jié)構(gòu)上移位寄存器在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將以二維數(shù)組的形式寫(xiě)入以當(dāng)前時(shí)間命名的電子表格文件。若是存在相應(yīng)的保存路徑，最內(nèi)層的條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行選擇器標(biāo) 簽為真的程序，直接寫(xiě)入數(shù)據(jù)。若是文件和文件夾不存在，最內(nèi)層的條件結(jié)構(gòu)選擇器為假，創(chuàng)建新的保存路徑。

圖7 生成數(shù)據(jù)報(bào)表程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，使用10支紅外溫度傳感器測(cè)300 mm寬的45鋼帶材，為使被測(cè)目標(biāo)全部位于傳感器的視場(chǎng)內(nèi)，每一支傳感器測(cè)溫范圍的直徑為30 mm。將傳感器固定在支架上，并用三腳架將支架固定，傳感器與帶材之間的距離為90 cm。在感應(yīng)加熱過(guò)程中，帶材溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前面板界面如圖8所示。通道和采樣設(shè)置界面可以選擇物理通道，更改采樣率和采樣數(shù)。紅外溫度傳感器采集到的溫度數(shù)值波形以及溫度分布曲線、帶材的最高溫度、最低溫度以及平均溫度都可以直觀顯示出來(lái)。

圖8 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前面板

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)NI CompactDAQ平臺(tái)和LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電磁感應(yīng)加熱帶材溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示以及存儲(chǔ)等多種功能，并解決了紅外測(cè)溫方式下帶材輻射率隨溫度變化而改變的問(wèn)題。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)加熱過(guò)程中帶材溫度的變化情況，提高金屬熱加工的質(zhì)量，在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程都取得了不錯(cuò)的效果。

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Temperature monitoring system for electromagnetic induction heating strip based on LabVIEW

WANG Youhua, LI Fazhan, LIU Chengcheng

(Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province, State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to obtain the distribution of strip temperature at the outlet of heater, a temperature monitoring system for electromagnetic induction heating strip based on LabVIEW is designed. This system consists of the infrared temperature sensor, current transducer, CompactDAQ platform and display. The radiance of 45 steel at different temperatures is measured, the data are fitted into analytical functions by the least square method, and the expressions are written into the program through formula nodes. Through NI CompactDAQ hardware platform and LabVIEW software, the system collects and processes the temperature of strip at the outlet of induction heater and realizes real-time temperature display and data storage. The experimental results show that this system has stable performance, high temperature measurement accuracy and practical value.

induction heating; temperature monitoring; virtual instrument; radiation rate; data storage

TG156.7

A

1002-4956(2019)09-0073-04

2019-02-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51877065）資助

汪友華（1964—），男，江西九江，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄M向磁通感應(yīng)加熱。

E-mail: 15122060661@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.019