合金熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理

賴慶云，馬旭梁，王利華，李大勇（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

合金熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理

賴慶云，馬旭梁，王利華，李大勇（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

本文利用PC—6319D光電隔離模入接口卡，構(gòu)建了合金熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理單元，并在delphi 7.0環(huán)境下編制了相應(yīng)的軟件程序。該數(shù)據(jù)采集與處理單元配合集成測試系統(tǒng)多工位測試機(jī)構(gòu)和新型傳感器，實(shí)現(xiàn)了熔體表面張力、密度、電導(dǎo)率和粘度等熱物性參數(shù)的快速集成測試。本文介紹了熱物性參數(shù)測試的基本原理、數(shù)據(jù)采集與處理單元硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方法。

合金熔體；熱物性參數(shù)；數(shù)據(jù)采集與處理

合金熔體的表面張力、密度、粘度和電導(dǎo)率等熱物性參數(shù)，對冶金工藝過程的控制具有重要作用。表面張力不僅是研究熔體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)參數(shù)[1]，而且在晶體生長的工藝優(yōu)化、模擬和鑄造合金參數(shù)的預(yù)測中也有重要作用[2]。密度是冶金工程設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，同時(shí)密度還將影響不同熔體間的分層和分離以及生產(chǎn)中的許多動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。電導(dǎo)率對電爐煉鋼、氧化鋁電解還原鋁等液態(tài)金屬工藝過程也十分重要，原因在于金屬熔體的電導(dǎo)率對于金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)的變化十分敏感。粘度測量是認(rèn)識(shí)熔體微觀結(jié)構(gòu)的重要手段之一，在定量研究金屬液流性質(zhì)及冶金過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)將會(huì)發(fā)揮重要作用。因此，研究合金熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)對熔體性質(zhì)的深入研究和冶金工藝過程綜合控制技術(shù)十分必要。本文將介紹一種用于熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理單元的設(shè)計(jì)方法。

1 熱物性參數(shù)測試原理

熔體表面張力和密度單項(xiàng)參數(shù)檢測的方法很多，本文所述合金熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)采用表面張力和密度雙參數(shù)同步檢測方法，其測量原理是基于氣泡最大壓力法，依據(jù)拉普拉斯方程，采用同一直徑的毛細(xì)管按兩次不同深度（h）插入熔體，測出對應(yīng)兩個(gè)深度的壓力值（P），可同步計(jì)算出表面張力σ和密度ρ。

熔體粘度測試采用本研究室發(fā)明的彈簧振子法，其測試原理是基于彈簧振子在被測熔體中做阻尼振動(dòng)時(shí)，各振動(dòng)周期內(nèi)最大速度對數(shù)衰減率與被測熔體粘度之間存在相關(guān)關(guān)系，以多周期平均振動(dòng)對數(shù)衰減率為特征參數(shù)，利用粘度系數(shù)計(jì)算公式可以快速求得被測熔體粘度。

2 數(shù)據(jù)采集單元硬件構(gòu)成

根據(jù)熱物性參數(shù)檢測原理，用于合金熔體熱物性參數(shù)集成測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元的硬件組成結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成框圖

以工控機(jī)IPC為監(jiān)控主機(jī)，選擇中泰公司生產(chǎn)具有12位分辨率和32路模擬量輸入通道的PC-6319D光電隔離模入接口卡，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)變和多通道數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場物理信號(hào)的檢測及轉(zhuǎn)換采用輸出為4—20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器，通過端子板ps-003進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換。

在表面張力與密度檢測中，采用ND-1型壓力變送器，其量程為0-5kPa，精度為0.1%，以此可快速檢測氣泡內(nèi)壓力變化以及準(zhǔn)確記錄氣泡內(nèi)最大壓力值。選用WDL25型位移傳感器測試毛細(xì)管插入熔體的深度，其優(yōu)點(diǎn)是線性精度高、動(dòng)態(tài)噪聲小、機(jī)械壽命長、安裝簡便。該測試系統(tǒng)需實(shí)時(shí)檢測出熔體的溫度，綜合考慮檢測范圍和精度，選擇鉑銠－鉑熱電偶，并同時(shí)使用AD590進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。在粘度檢測中，電磁感應(yīng)速度傳感器信號(hào)的采集為計(jì)算機(jī)提供振子各時(shí)刻振動(dòng)速度數(shù)據(jù)。電磁線圈位置傳感器用于確認(rèn)線圈位置是否與振子平衡位置相對應(yīng)。

3 數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集單元軟件基于delphi7.0平臺(tái)開發(fā)。Delphi以其良好的圖形用戶接口（GUI），面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化的事件與驅(qū)動(dòng)編程模式，使得編程效率提高，現(xiàn)場應(yīng)用功能大大增強(qiáng)，并能方便地調(diào)用Windows API函數(shù)和使用工控制造商提供的DLL函數(shù)。采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，用多窗體的功能菜單工作模式來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)軟件包括二個(gè)窗體，即參數(shù)檢測窗體和歷史數(shù)據(jù)窗體。

3.1 系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)信號(hào)采集：對三個(gè)模塊中的溫度、壓力和位移等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。

（2）動(dòng)態(tài)曲線顯示：動(dòng)態(tài)顯示采集到的電壓值與時(shí)間的關(guān)系，并對動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行保存。

（3）熔體參數(shù)的測定：①表面張力和密度測定：包括壓力傳感器和位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定，毛細(xì)管半徑的標(biāo)定，傳感器量程的選擇，計(jì)算表面張力和密度；②電導(dǎo)率測定：包括電導(dǎo)池長度和半徑的標(biāo)定，恒定電流，采集電壓和計(jì)算電導(dǎo)率；③粘度測定：包括測定粘度常數(shù)，測定零點(diǎn)和計(jì)算粘度。

（4）數(shù)據(jù)查詢：對各參數(shù)檢測模塊數(shù)據(jù)組查詢，對曲線查詢，對各個(gè)參數(shù)與溫度間的關(guān)系查詢和曲線顯示。

3.2 參數(shù)檢測窗體

參數(shù)檢測窗體包括三個(gè)模塊：表面張力與密度檢測模塊、粘度檢測模塊、電導(dǎo)率檢測模塊。每個(gè)參數(shù)檢測模塊均具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存檔等功能。其運(yùn)行界面如圖2所示。

雖然三個(gè)參數(shù)檢測模塊因檢測原理不同，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制動(dòng)作不同，但數(shù)據(jù)采集過程的流程大致相同，其具體流程見圖3。

準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場檢測所需要的參數(shù)值（數(shù)據(jù)采集），并準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型中所需要的數(shù)值（數(shù)據(jù)處理）是數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計(jì)的核心。

（1）數(shù)據(jù)采集：主要完成對數(shù)據(jù)采集卡的控制，包括初始化數(shù)據(jù)采集卡、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡、讀取數(shù)據(jù)采集結(jié)果、停止數(shù)據(jù)采集。借助delphi7.0強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)，方便地調(diào)用中泰公司提供的PC6000nt.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫。該鏈接庫包含了對PC-6319等多種型號(hào)采集卡進(jìn)行底層I/O操作所使用的函數(shù)。本系統(tǒng)主要使用了其提供的AI6319Single（）函數(shù)。在Timer事件中調(diào)用此函數(shù)，通過設(shè)置timer.interval值來設(shè)定采樣周期。

（2）數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)濾波：數(shù)據(jù)采集過程中由于存在隨機(jī)誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)可靠性差、精度低。除了可以采取硬件方法克服，還可采用軟件算法按統(tǒng)計(jì)規(guī)律來實(shí)現(xiàn)，即通過編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。本文采用中位值濾波加算術(shù)平均濾波的方法，即對同一檢測點(diǎn)進(jìn)行n次采樣，把采樣值按大小排隊(duì)，去掉最高值與最低值，然后對n-2個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均處理，即：

用delphi實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波程序如下：

Xi：=AI6319Single（792，0，1）；

X1：=MAX（Xi）；

X2：=MIN（Xi）；

Sum=0；

FOR i：=1 to n do

sum:=sum+Xi；

Inc（i）；

Y：=（sum-X1-X2）/n-2；

數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換：由于數(shù)據(jù)采集卡采集到的不是傳感器所測工程量的直接讀數(shù)，而只是代表該檢測點(diǎn)的電壓模擬電信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，被測模擬信號(hào)被檢測出來并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，常需要轉(zhuǎn)換成便于人們觀察的帶有量綱的工程量后經(jīng)運(yùn)算顯示才有意義，這個(gè)過程即是標(biāo)度變換。把采集到的電壓模擬值經(jīng)過標(biāo)度變換公式轉(zhuǎn)換成參數(shù)檢測所需要的壓力值。其標(biāo)度變換公式如下：

式中：Yx——傳感器所要檢測工程量的被側(cè)值；

Ymax，Ymin——是所測工程量的最大、最小量程；

Nx——被測值所對應(yīng)的數(shù)字量；

Nmin，Nmax——最小值，最大值所對應(yīng)的數(shù)字量。

標(biāo)度變換程序框圖如圖4所示。

3.3 歷史數(shù)據(jù)窗體

歷史數(shù)據(jù)窗體用于打開歷史數(shù)據(jù)庫，調(diào)用歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)查詢、瀏覽和顯示等，并可根據(jù)歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以曲線形式顯示各參數(shù)間的關(guān)系。圖5是根據(jù)數(shù)據(jù)庫中保存的純鋁電導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)表依次繪制的純鋁電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系曲線。

4 結(jié)論

（1）本數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)充分利用了PC-6319 D的豐富資源，省去了外加放大器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的繁瑣；對6路模擬信號(hào)采集，采集精度較高，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要。

（2）軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，具有操作簡單、測試界面直觀、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，并使系統(tǒng)具有高效的可編程能力和可擴(kuò)展性。

（3）經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)能夠在高溫情況下及時(shí)準(zhǔn)確地檢測出合金熔體的表面張力、密度、粘度和電導(dǎo)率等熱物性參數(shù)，并能給出各個(gè)參數(shù)與溫度間的相關(guān)曲線關(guān)系；同時(shí)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)存檔功能無論是對研究機(jī)構(gòu)還是生產(chǎn)單位都有重要幫助。

[1]P.Janule Victor.The Dynamics of Surface Tension.European Coatings Journal，2005（7-8）：24-27.

[2]V.V.Semak，G.A.Knorovsky，D.O.MacCallum，et al.Effect of Surface Tension On Melt Pool Dynamics During Laser Pulse Interaction.Journal of Physics D:Applied Physics.2006，39（3）:590-59.

Data Acquisition and Processing of an Integrated Testing System for Molten Alloy Thermophysical Parameters

LAI QingYun，MA XuLiang，WANG LiHua，LI DaYong
（School of Material Science and Eng ineering Ha′erb in University of Science and Technology,Ha′erb in 150080，Heilong jing China）

By using PC-6319D op tical isolation module，data acquisition and p rocessing unit of an integ ration system for measuring thermal param eters has been construc ted w ith the correspond ing p rog ram s designed by ourselves under the environment of Delphi 7.0，which by the com bination of the unit and the multi-position testing mechanism and new type of sensors have realized rap id integ rated m easurement of thermophysical parameters of the molten alloys such as surface tension，density，conduc tivity and viscosity.The basic p rincip les of m easuring the thermophysical parameters，the hardware constitution of data acquisition and p rocessing unit，and the method of software design have been desc ribed respectively.

Molten alloy；Thermophysical parameters；Data acquisition and p rocessing

TG235;

A；

1006－9658（2011）02－3

國家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器專項(xiàng)（50827403）

2010－10－09

2010－146

賴慶云（1979-），女，碩士研究生