基于熱絲法的保護渣析晶實驗設備的設計*

史 濤，劉 方，任紅格

(華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山063000)

連鑄保護渣是添加在鋼液表面幫助正常澆鑄的粉料，其主要作用有防止鋼液二次氧化、絕熱保溫、吸收非金屬夾雜物、改善結(jié)晶器傳熱以及潤滑鑄坯的作用，保護渣的選擇對實際生產(chǎn)的順利進行、鑄坯表面質(zhì)量以及皮下質(zhì)量將產(chǎn)生巨大的影響，其在連鑄過程中的作用是至關重要的。 連鑄保護渣的融化溫度和融化速度必須可控，熔渣層的厚度、渣膜的形成與融化溫度和速度息息相關。

保護渣的融化速度太慢或者融化溫度過高，會減小熔渣層的厚度，這樣就難以形成均勻的渣膜，從而導致了保護渣對鑄坯的傳熱不良情況。 如果融化速度太快或者融化溫度太低，就會出現(xiàn)熔渣層厚度變大，粉渣層及燒結(jié)層厚度減小，影響了保護渣的絕熱保溫性能，造成鋼液容易被氧化，出現(xiàn)鑄坯表面產(chǎn)生橫向裂紋等缺陷[1]。

保護渣的析晶過程研究是至關重要的。 傳統(tǒng)的方法如顯微鏡半球法，驟冷淬火法等[2]，這些方法所用的實驗設備成本都是十分高的。 而目前現(xiàn)有的一些設備存在控溫效果差、升溫和降溫速度慢以及溫度控制系統(tǒng)存在超前和滯后的問題。 本文采用的基于熱絲法的自研改進設備擁有廉價、體積小、操作簡單、升溫和降溫速度快、恒溫誤差小、實時性強等優(yōu)點。 目前已有的一些設備更是存在溫度控制不精確，設定溫度達不到，電路設計復雜，實驗過程耗費時間等各種問題。 本設備針對以上問題做出了大量的改進，設計的電路解決了以上的問題。 本設備最大的優(yōu)勢在于可以觀測不同速率下保護渣融化和結(jié)晶的全部過程，并且實驗室做出了大量的實驗，設備穩(wěn)定性高，整體性能表現(xiàn)優(yōu)秀。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由熱電偶、熱電偶信號采集和加熱轉(zhuǎn)化電路、信號放大電路、AD 采集電路、底層控制電路、顯微鏡和攝像機等組成。 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

整個系統(tǒng)外接一根220 V AC 的電源線到開關電源上，然后開關電源輸出的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路，將轉(zhuǎn)換后的電壓分別給儀表放大器的正電源供電、放大器的負電源供電以及主控芯片和串口的供電。 此結(jié)構(gòu)中有一個熱電偶信號采集和加熱轉(zhuǎn)換電路，通過此轉(zhuǎn)換電路可以使熱電偶既是加熱元件又是測量元件[4]。系統(tǒng)以5 ms 為1 個工作周期，其中4 ms 為熱電偶加熱周期，1 ms 為熱電偶信號采集周期，通過圖1 的控制電路輸出PWM 信號來切換轉(zhuǎn)換電路。 當轉(zhuǎn)換電路為加熱電路時，此時把熱電偶當作加熱元件，MOS管處于導通狀態(tài)，熱電偶的負極相當于與電源負極連接在一起，熱電偶的正極與電源的正極連接在一起。當轉(zhuǎn)換電路為信號采集電路時，系統(tǒng)采集此刻熱電偶的熱電勢信號，然后通過信號放大電路和AD 采集電路，最后將熱電勢信號輸入到控制電路中，由主控芯片的ADC 將熱電勢信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以用來處理。 主控芯片通過相應的算法處理，將熱電勢信號轉(zhuǎn)換成實際的溫度值，再計算出實際溫度值與設定的溫度值的偏差，通過PID 調(diào)節(jié)的方式，最后輸出PWM信號[5]，以控制熱電偶的加熱。 整個系統(tǒng)的實際工作環(huán)境示意圖如圖2 所示，可以看到該系統(tǒng)工作所需的環(huán)境極為簡便，成本較低。

計算機使用自主研發(fā)的上位機軟件，該軟件使用VB 語言編程，上位機界面如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

圖3 系統(tǒng)上位機軟件

在該軟件上面可以看到熱電偶加熱時間、加熱速度、加熱溫度、設定溫度和加熱曲線等[6]，還可以設置熱電偶設定溫度、升溫和降溫速率以及恒溫的時間。 在上位機設置好參數(shù)之后，參數(shù)以串口通信的方式傳遞到下位機，即可開始進行實驗。

2 系統(tǒng)的硬件電路設計

2.1 熱電偶的轉(zhuǎn)換電路設計

系統(tǒng)通過熱電偶信號采集和加熱轉(zhuǎn)換電路，來使得讓熱電偶既可以當測量元件又可以當作加熱元件。 該電路由三個電阻、一個MOS 管、一個三極管、熱電偶、一個輸出+5 V、40 A 的開關電源、主控芯片的一路PWM 輸出以及穩(wěn)壓電路輸出的+3.3 V 和+12 V 所構(gòu)成，熱電偶轉(zhuǎn)換電路示意如圖4 所示。

圖4 熱電偶轉(zhuǎn)換電路示意圖

此電路中R7為基極電阻，R5為上拉電阻，R6為集電極分壓電阻。 當主控芯片輸入PWM 控制信號為低電平時，此時三極管Q2的基極是0 V，三極管處于截止狀態(tài)，Q2的集電極是12 V，MOS 管Q1的G 端也是12 V，MOS 管導通，熱電偶的正極為+5 V，負極相當于與GND 短接在一起，是0 V，此時電路屬于熱電偶加熱階段。 熱電偶加熱的等效示意如圖5 所示。

圖5 熱電偶加熱等效示意圖

當熱電偶處于信號采集狀態(tài)時，此時主控芯片輸入高電平，三極管Q2的基極產(chǎn)生電流，從而Q2處于導通狀態(tài)，由于電阻R6的分壓作用下，此時相當于Q2的集電極與GND 端短接在一起，Q2的集電極電壓[7]為0 V。 此時MOS 管Q1的G 端也是0 V，MOS 管處于截止狀態(tài)，熱電偶的正負極都產(chǎn)生+5 V的共模電壓，此時電路屬于熱電偶信號采集階段。熱電偶信號采集等效示意如圖6 所示。

圖6 熱電偶信號采集階段等效示意圖

2.2 熱電偶的信號放大電路設計

信號放大電路的信號放大器采用的是ADI 公司的AD8221 儀表放大器芯片，此芯片價格低廉，性能優(yōu)秀，低失調(diào)電壓、低增益漂移、高增益精度以及高共模抑制比。 此放大器僅通過一個外部電阻即可設置增益，增益范圍為1 至1 000，其增益與電阻直接的公式如圖7 所示，其中G 為增益，RG 為增益電阻。

當熱電偶轉(zhuǎn)換電路為信號采集電路時，此時熱電偶的正負極都有一個+5 V 的共模電壓，滿足了放大器對輸入偏置電壓的設置。 在此信號放大電路中，采用了差分放大電路，其有很好的電氣對稱性，對共模信號和噪聲有很強的抑制作用，信號放大器所放大的信號為輸入端正極的電壓減去負極的電壓[8]。 信號放大電路的示意圖如圖8 所示。

圖8 信號放大電路示意圖

R1和R4為輸入限流電阻，防止輸入電流過大，從而損壞儀表放大器芯片。 R1，R4和C3組成了RC低通濾波電路，可以有效地濾除高頻噪聲。 R3為增益電阻，電容C1的作用是為了去除電源的高頻噪聲，使得放大器正極電壓更加穩(wěn)定[9]。 基準電壓引腳REF 直接接到GND，放大后的信號最終從7 腳輸出。

2.3 AD 采集電路設計

經(jīng)過放大后的熱電勢信號經(jīng)過ADC 采集電路最終由主控芯片自帶的ADC 采集得到，AD 采集電路示意圖如圖9 所示。

圖9 AD 采集電路示意圖

AD 采集電路中，電阻R2有三個作用，一是當作限流電阻，防止輸出電流過大燒壞主控芯片；二是與二極管VD1 和VD2 組成鉗位電路，防止放大器的輸出電壓過大而超過ADC 采集電壓的上限，從而損壞主控芯片；三是與電容C2組成RC 低通濾波電路，濾除高頻干擾，使得AD 輸出電壓更加的穩(wěn)定[10]。 當熱電偶轉(zhuǎn)換電路屬于加熱電路時，信號放大器的正極輸入為+5 V，負極輸入為0 V，這時候的差分輸入電壓不是熱電偶的熱電勢信號，屬于異常信號，AD 采集電路的放大信號輸入大于5 V，此時VD1 截止，VD2 導通，經(jīng)過R2電阻的分壓，以及利用二極管VD2 的特性，將最終的AD 輸出電壓鉗制在3.5 V 左右。 當放大電路的差分輸入電壓為負電壓時，若經(jīng)過放大后的輸出電壓小于-0.2 V，則VD1導通，VD2 截止，經(jīng)過R2電阻的分壓后，將最終的AD 輸出電壓鉗制在-0.2 V 左右。 通過此電路，可以使得AD 輸出電壓鉗制在-0.2 V 至3.5 V 之間，有效避免了輸出電壓過高或過低而損壞主控芯片[11]。 整個硬件電路設計總圖如圖10 所示。

圖10 硬件電路設計總圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

本文實驗用的是B 型熱電偶，B 型熱電偶最高短期工作溫度可達1 800 ℃，這就意味著有1 800 個熱電動勢與其相對應，如果要將溫度與電動勢一一對應，勢必在算法編程上面增加很大的工作量，同時熱電偶的溫度與熱電勢之間的關系是非線性的，并且溫度與熱電勢之間的關系是采用分度表體現(xiàn)的，它無法準確地用數(shù)學式來表達，也很難擬合出一個很好的函數(shù)表達式[12]。 為了解決這個問題，同時保證結(jié)果的準確性，本文采用了線性插值的方法，其在200 ℃以上輸出精度達到了正負1 度。 我們將熱電偶溫度與熱電勢的離散點圖繪制出來，并且將離散點連接起來，假設其是圖11 中φ(x)的函數(shù)關系，其中橫坐標是溫度，縱坐標是熱電動勢。

我們定義x0≤t1≤t2≤t3≤…≤tn≤x1，其中t1，t2，t3，…，tn稱為插值節(jié)點，n ≤1 800。 且已知道φ(t1)，φ(t2)，φ(t3)，…，φ(tn)的值，這樣我們就可以近似地把一條曲線看成n+1 條直線段了[13]。 把任意兩相鄰的點連接起來，得到一條直線方程f(t)，如圖12 所示， f(t)可以近似地代替原函數(shù)φ(x)。

我們已經(jīng)知道了坐標A(t0， f(t0))和坐標C(t1， f(t1))，假設B(t， f(t))是經(jīng)過直線上的一點，而兩點式的直線方程如下:

圖11 溫度與熱電勢的函數(shù)關系

圖12 相鄰兩點之間的直線方程

上式經(jīng)過變換之后可得:

式中:Temp為實際從熱電勢轉(zhuǎn)換得到的溫度值，T(i)是熱電偶溫度的數(shù)組集，V(i)是熱電偶熱電動勢的數(shù)組集，VHot是實際采集到的熱電勢信號[14]。

在實際編程中，計算程序框圖如圖13 所示。

圖13 熱電偶-溫度轉(zhuǎn)換計算框圖

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證設備的有效性，本文選取型號為SIN-703 的手持式信號發(fā)生器當做信號源來驗證測量溫度的準確性，以及進行真實實驗對設備升溫和降溫的功能性進行驗證。

圖14 氯化鈣融化圖

圖15 硫酸鉀融化圖

圖16 氟化鈣融化圖

圖17 氯化鈣升降溫曲線圖

圖18 硫酸鉀升降溫曲線圖

圖19 氟化鈣升降溫曲線圖

表1 實驗測定結(jié)果

為了驗證溫度測量的準確性，我們首先使用了信號發(fā)生器進行檢驗，在該設備上選擇B 型熱電偶信號，然后輸出不同的“溫度值”即可以輸出對應的熱電勢信號。 我們從信號發(fā)生器上200 ℃開始每隔20 ℃輸出一個熱電勢信號，直到1 540 ℃為止，一共輸出68 個不同溫度值對應的熱電勢信號。 然后該信號經(jīng)過圖13 的計算流程后，會將其轉(zhuǎn)換成實際的溫度值，我們記錄最終轉(zhuǎn)換的溫度輸出值，然后與相應的輸入溫度值做比較，計算溫度的誤差。 熱電偶各溫度測量誤差如圖20 所示，從中我們可以看到溫度測量的最大誤差在8 ℃之內(nèi)，大多數(shù)的溫度測量誤差在6 ℃之內(nèi)。

圖20 熱電偶溫度測量誤差圖

接下來我們進行真實的實驗來驗證，分別以不同的升溫和降溫速率對每類樣品進行3 次實驗，圖14～圖16 展示的是三種樣品在實驗中的融化狀態(tài)。實驗所測得的數(shù)據(jù)如表1 所示，從表中我們可以看到樣品的平均熔點溫度與標準熔點溫度誤差在10℃之內(nèi)。 圖17～圖19 中，虛線是樣品的實際溫度，實線是樣品的設定溫度，在對樣品進行實驗的時候，樣品的實際溫度與設定溫度之間幾乎不存在超前與滯后的情況，各種速率下的樣品升溫和降溫皆滿足實驗的要求。

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)研究保護渣析晶過程的設備的價格昂貴和現(xiàn)有一些設備溫度控制效果差的不足，提出了一種利用熱絲法設計的廉價高效的改良設備。 該設備利用三極管和MOS 管以及電阻設計了轉(zhuǎn)換電路，因為轉(zhuǎn)換周期很短的原因，可以看作熱電偶信號采集和加熱的工作是在同步進行。 為了保證溫度測量的準確性以及控溫效果的穩(wěn)定性，在硬件電路上加入了濾波，在算法上采用了軟件濾波，最后通過信號發(fā)生器以及真實的實驗驗證了該設備的有效性。