鋼坯噴嘴性能實驗研究中溫度監測電路的設計

河南工業技師學院 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測電路的設計

河南工業技師學院 吳清榮

鄭州大學丁躍軍姜志明

在連續鑄鋼過程中，二次冷卻對于鋼坯的質量和產量有顯著的影響。深入研究噴嘴的熱態性能，對于研究鋼坯連鑄二冷段噴嘴對鋼坯的冷卻凝固過程、提高鋼坯質量和產量，具有十分重要的現實意義。本文，筆者針對連鑄二次冷卻生產現場，進行實驗裝置的設計，以實現了對連鑄鋼坯二冷段噴嘴性能實驗研究中溫度數據的準確測量。

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生熱電動勢，熱電勢的大小與兩端溫度差有關，這種將熱能轉化為電能的現象稱之為熱電效應。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、實驗系統設計

1.溫度監測裝置的設計。利用非穩態傳熱原理對鋼坯二冷段噴嘴傳熱系數進行測試，測試試樣內部安裝熱電偶，通過熱電偶引線與溫度監測裝置連接，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據存儲、控制、管理及數據顯示。測試連鑄二冷噴嘴的熱態性能，加熱裝置必須能夠將試樣加熱到接近實際生產的溫度。溫度監測裝置如圖1所示。

圖1 溫度監測裝置實驗

2.溫度監測電路的設計。由于熱電偶自身結構的原因，易受外部干擾，影響測量溫度的準確性。為了解決這些問題，在設計測量電路時充分考慮了溫度補償及抗干擾問題，設計了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處理。具體措施如下。

（1）在熱電偶的冷結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）采用對冷結點補償方法來提高測量的準確性。

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

圖2為一路冷結點補償、零點調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，采用由穩壓電源U1和溫度傳感器A1組成的冷結點補償電路。在冷結點補償電路中采用溫度傳感器A1檢測環境溫度。這是因為，對環境溫度0～50℃進行補償時，需要產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，即可達到溫度補償的目的。但是，如果冷結點補償電路所產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生誤差。為了消除誤差，增加了R52，W1和U9組成的零點調整電路。然后再把熱電偶測的信號與經零點調整后的信號通過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點補償、零點調整和信號放大處理。

圖2冷結點補償、零點調整及放大電路

圖3 為對熱電偶輸出的信號進行后續處理電路，由于每個單元電路內部結構都有較多的元件，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U2進行A/D轉換，將模擬信號轉換為數字信號，然后將信號送給單元電路U3，通過U3實現采樣管理。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成，通過U4實現數據的存儲、控制、管理，單元電路U5給U4提供時鐘信號。

圖3 A/D轉換及數據處理電路原理

J1可以進行3個通道的數據顯示，J2是功能控制鍵，可以用來查找或刪除數據、修改時間、數據標定和J3數據傳輸接口。

3.實驗試樣的設計。實驗試樣的鋼種選擇實際鋼廠生產的鋼種。根據噴嘴的噴射半徑約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、實驗結果對比

完成實驗系統的設計后，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，且在不噴水一側繼續加熱，考慮凝固潛熱的影響。試樣為某鋼廠實際生產鋼種。實際生產中，噴水量為13～16 L/min，選擇二冷區的一段為比較對象，噴氣壓力0.2MPa。

通過多次實驗得出，實驗結果和實際生產結果變化趨勢一致，誤差在7%以內，滿足工程生產的需要。同時，實驗結果傳熱系數大于實際生產過程的傳熱系數，這是由于實際生產中鋼坯冷卻過程產生的大量水汽，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、結論

本文，筆者研究的溫度監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點補償及抗干擾處理，同時，還使用了穩定性高、抗干擾性強、功耗低的PIC單片機對所測量的信號進行數據存儲、控制、管理及數據顯示。多次實驗表明，測量電路性能穩定，測量誤差小，重復性好，具有較強的實用性，實現了實驗溫度數據的準確測量。

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