蒸化機(jī)內(nèi)溫度測量系統(tǒng)的研制

楊承帥，李 佳，孟 凱.，陳慶官

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

蒸化機(jī)內(nèi)溫度測量系統(tǒng)的研制

楊承帥1，李 佳2，孟 凱1.2，陳慶官1

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

介紹了一套自行研制的能耐蒸化機(jī)內(nèi)化學(xué)蒸汽腐蝕的多通道溫度測量系統(tǒng)，其主要由經(jīng)316不銹鋼封裝的K型熱電偶、多通道溫度采集模塊，以及基于LabVIEW編寫的溫度采集程序組成。經(jīng)過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未封裝的熱電偶受酸堿性蒸汽的影響較大，經(jīng)70 h酸性蒸汽堿性蒸汽熏蒸后，未封裝熱電偶測溫誤差達(dá)1.7 ℃，而封裝后的熱電偶經(jīng)過同樣條件的蒸汽熏蒸后，測溫誤差僅為0.4 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可應(yīng)用于蒸化機(jī)內(nèi)高溫高濕化學(xué)蒸汽的多點(diǎn)溫度測量。

蒸化機(jī)；溫度測量；LabVIEW

蒸化是印花后處理的重要環(huán)節(jié)，其作用是使色漿中的染料經(jīng)汽蒸向纖維內(nèi)部轉(zhuǎn)移并固著，它的效果直接影響到織物印花后的色澤鮮艷度和花型輪廓的清晰度。溫度是影響蒸化效果的主要因素之一，它隨著纖維、染料的不同有一定的變化。因此，準(zhǔn)確測量并控制蒸化機(jī)內(nèi)的溫度，是保證印花質(zhì)量的必要條件。

有些早期的蒸化機(jī)不具備溫度測量和調(diào)節(jié)裝置，只能生產(chǎn)一些低檔產(chǎn)品[1]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的蒸化機(jī)雖然都具有溫度測量和調(diào)節(jié)裝置[2]，但這些集成于蒸化機(jī)上的溫度測量裝置只能對蒸汽溫度進(jìn)行定點(diǎn)測量，不能測量蒸化機(jī)內(nèi)的溫度分布。因此，基于蒸化機(jī)內(nèi)的溫度分布來進(jìn)行溫度等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)顯然更加合理。孫佳佳等[3]曾用10塊軟尾式溫度計(jì)對意大利阿里奧里180蒸化機(jī)內(nèi)的10個不同點(diǎn)進(jìn)行了溫度測量和分析，在溫度控制方面獲得了具有指導(dǎo)意義的結(jié)果，但限于當(dāng)時條件，應(yīng)用溫度計(jì)作為測量工具還不能得到蒸箱內(nèi)各點(diǎn)溫度的連續(xù)變化情況，測量數(shù)據(jù)也無法進(jìn)行存儲、后處理等自動化操作。鑒于此，本研究擬在考慮蒸化機(jī)內(nèi)化學(xué)蒸汽對傳感器具有腐蝕性問題的基礎(chǔ)上，研制一套多通道溫度連續(xù)測量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)蒸化機(jī)內(nèi)多點(diǎn)溫度的連續(xù)測量，為蒸化工藝中溫度參數(shù)的控制提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件介紹

1.1 測溫元件

本測量系統(tǒng)選擇K型熱電偶作為測溫元件。熱電偶是一種常用的溫度傳感器，可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成電信號，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用和保養(yǎng)方便、準(zhǔn)確度高、測溫范圍廣、種類多、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。然而，熱電偶耐化學(xué)腐蝕性差，如果直接用其測量蒸化機(jī)內(nèi)具有化學(xué)腐蝕性的高溫高濕氣體，一段時間后可能會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，甚至是熱電偶的損壞。因此，研制本測量系統(tǒng)時要對熱電偶進(jìn)行耐腐蝕的封裝處理，使其在測量時與化學(xué)腐蝕環(huán)境隔離。

圖1是熱電偶封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖，其封裝過程如下：

1)把K型熱電偶和KX型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線連接在一起，放入316不銹鋼保護(hù)管(18Cr12NiMo)內(nèi)，熱電偶與保護(hù)管底端留有適當(dāng)空隙來填充導(dǎo)熱硅脂，以使熱電偶各處受熱均勻。保護(hù)管應(yīng)滿足耐高溫和耐化學(xué)腐蝕的條件，并且應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性。316不銹鋼保護(hù)管長100 mm，外徑12 mm，壁厚1.5 mm，最高使用溫度為930 ℃，主要性能特點(diǎn)是耐熱、耐腐蝕性優(yōu)良[5]。

2)向保護(hù)管內(nèi)加入一定量的導(dǎo)熱硅脂，至完全浸過熱電偶。其主要作用是填充熱電偶與保護(hù)管底部及周圍的空隙，使熱電偶能靈敏地感觸外界環(huán)境溫度。導(dǎo)熱硅脂選用的是廣東匯瑞膠業(yè)有限公司生產(chǎn)的HR327型導(dǎo)熱硅脂，其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、電絕緣性、耐高溫性，高溫200 ℃條件下不固化、不流淌。

3)將保護(hù)管內(nèi)剩余部分用KD-504A膠黏劑填充，并在保護(hù)管上端接出聚四氟乙烯管。KD-504A膠黏劑主要作用：一是密封保護(hù)管的上端口，二是固定熱電偶和聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管主要用來保護(hù)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，它可以長期在260 ℃下使用，短期可耐溫300 ℃，耐腐蝕，對絕大多數(shù)化學(xué)藥品和溶劑表現(xiàn)出惰性，幾乎不受任何化學(xué)試劑的腐蝕，能耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，能耐強(qiáng)氧化劑的腐蝕[6]。

封裝后，在室溫下放置24 h，待膠黏劑完全固化后即可進(jìn)行試驗(yàn)測試。

圖1 熱電偶封裝結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the packaged thermocouple

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)采用美國國家儀器公司(National Instruments, NI)的NI cDAQ9172采集卡插槽和NI 9211四通道熱電偶輸入模塊進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，并遵循以下工作原理。

1.2.1 NI cDAQ9172插槽工作原理

NI cDAQ9172是NI的C系列采集卡插槽，可直接與電腦USB接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可同時擴(kuò)展8個NI 9211模塊，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度同時監(jiān)測和采集，具有即插即用、使用方便、易于擴(kuò)展、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2是NI cDAQ9172的工作原理圖，它由C系列I/O模塊、cDAQ模塊和USB-STC2模塊三部分組成，NI 9211采集卡通過C系列I/O模塊與NI cDAQ9172插槽進(jìn)行連接，cDAQ模塊負(fù)責(zé)管理I/O模塊和USB-STC2模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞，USB-STC2模塊通過USB2.0將數(shù)據(jù)傳送至電腦。

圖2 NI cDAQ9172工作原理Fig.2 Working principle of NI cDAQ9172

1.2.2 NI 9211采集卡工作原理

NI 9211端子連接見圖3，其帶有10↑端子可拆卸式螺栓端子連接器，可連接4個溫度模擬輸出通道。當(dāng)NI 9211連接熱電偶輸入信號時，熱電偶的正極連接TC+端子，熱電偶的負(fù)極連接TC-端子，如果使用屏蔽式電纜，需將屏蔽層一端連至COM端子。

圖3 NI9211端子說明Fig.3 Terminal description of NI 9211

圖4為NI 9211某通道的電路示意圖。TC+、TC-至COM端子間均有10電阻產(chǎn)生的輸入阻抗，在熱電偶測量過程中受到低壓信號和噪聲產(chǎn)生的干擾，將通過該電路對其進(jìn)行處理和濾波。NI 9211的各通道共地，每個通道帶有一個開路熱電偶檢測(OTD)電路，由TC+和TC-端子間的電流源組成，通道連接開路熱電偶時，電流源將把端子間電壓強(qiáng)制為滿量程電壓值。測量時，每個通道經(jīng)差分電路濾波和信號放大后，由一個24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對其采樣。

圖4 NI 9211某通道的輸入電路Fig.4 A channel of NI 9211 input circuit

NI 9211中的24位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由積分器、比較器和1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)組成，它們排列在一個負(fù)反饋循環(huán)中。輸入信號與DAC輸出信號相減后送給積分器，積分器的輸出是一個斜坡信號，該信號的斜率與積分器的輸入信號幅度成正比，積分器輸出與比較器參考信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生0或1，它表示積分的斜坡輸出相對于比較器參考的方向，占據(jù)一個字節(jié)的位地址。經(jīng)過多次循環(huán)后，所輸出的位流代表輸入信號的量化數(shù)值，由數(shù)字抽取濾波器對其進(jìn)行平均后，輸出期望采樣速率下的n位采樣。與其他轉(zhuǎn)換器技術(shù)不同，delta-sigma ADC是自由運(yùn)行的，也就是說在觸發(fā)器條件滿足之前，ADC的輸入信號也持續(xù)被采樣。Delta-Sigma ADC將采樣、抽取濾波及量化噪聲整形3項(xiàng)技術(shù)結(jié)合在一起使用，極大地提高了測試性能、分辨率和抗混疊濾波性能。

圖5 Delta-Sigma ADC體系結(jié)構(gòu)Fig.5 Architecture of Delta-Sigma ADC

2 系統(tǒng)軟件介紹

系統(tǒng)軟件部分采用NI公司研發(fā)的圖形化編程語言LabVIEW編寫。主要實(shí)現(xiàn)采集過程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及采集數(shù)據(jù)的顯示、保存等功能。

圖6是二通道溫度測量系統(tǒng)的程序界面。運(yùn)行該程序即開始進(jìn)行溫度測量，溫度值有溫度計(jì)和圖像2種顯示方法。溫度計(jì)顯示可以直觀地看出實(shí)時溫度和各通道溫度之間的差異，而圖像顯示能夠觀測出整個測量過程中的溫度變化趨勢。要終止程序運(yùn)行單擊停止按鈕，如果需要保存數(shù)據(jù)，單擊保存按鈕，輸入保存文件的名稱并確定后，指示燈亮，數(shù)據(jù)開始保存。該程序可根據(jù)需要擴(kuò)展至2個以上更多通道的測量。

圖6 多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)前面板示意Fig.6 Front panel schematic diagram of the multi-point temperature measurement system

圖7是溫度測量系統(tǒng)的程序框圖。該程序框圖除了實(shí)現(xiàn)圖5所示界面的各項(xiàng)功能外，還負(fù)責(zé)對采溫元件類型、采集通道個數(shù)、采樣頻率、采樣方式及自動歸零模式等進(jìn)行控制。本程序中測溫元件選擇K型熱電偶，通道個數(shù)選擇2，采樣頻率為3，采樣方式選擇多通道連續(xù)單采樣，程序每次運(yùn)行時會自動開啟歸零模式。

圖7 多點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)程序框示意Fig.7 Block diagram of the multi-point temperature measurement system

3 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 準(zhǔn)確性對比試驗(yàn)

室溫條件下，將未封裝和用316不銹鋼封裝的熱電偶一起放入90 ℃的水浴鍋內(nèi)，并同步啟動測溫程序，待達(dá)到充分穩(wěn)定狀態(tài)后，2個熱電偶的測溫結(jié)果如圖8所示，其中曲線A代表未封裝熱電偶的測量結(jié)果，曲線B代表用316不銹鋼封裝后的熱電偶的測量結(jié)果。

圖8 溫度測量曲線Fig.8 Temperature measurement curve

從圖8可看出,未封裝的熱電偶在放入水浴鍋的瞬間即升溫到85 ℃左右，對溫度感知非常靈敏，在經(jīng)過近1 000 s的波動期后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而用316不銹鋼封裝的熱電偶，則以曲線B的形式緩慢升溫，直到1 000 s附近穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，這是由封裝引起的。提取2個熱電偶達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的具體數(shù)值發(fā)現(xiàn)，未封裝的熱電偶在90.5 ℃左右，而封裝后的熱電偶在90.3 ℃左右，兩者僅相差0.2 ℃。由此可見，從最終結(jié)果的測溫準(zhǔn)確性來看，封裝給熱電偶帶來的影響并不大。

3.2 耐酸堿對比試驗(yàn)

將未封裝的熱電偶和用316不銹鋼封裝的熱電偶同時放入盛有pH1的酸性溶液的錐形瓶中，然后把錐形瓶的瓶口用橡皮泥密封，再把錐形瓶放入水浴鍋內(nèi)加熱，水浴鍋溫度為90 ℃，每天加熱10 h。下次試驗(yàn)前，測試錐形瓶中溶液的pH值并調(diào)試使其保持為1。試驗(yàn)一個星期后，再將錐形瓶內(nèi)的酸性溶液換成pH14的堿性溶液，重復(fù)上述步驟繼續(xù)試驗(yàn)一個星期。

上述過程結(jié)束后，將2個熱電偶取出再次放入90 ℃的水浴鍋中進(jìn)行溫度測試。待達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，提取具體溫度數(shù)據(jù)(表1)發(fā)現(xiàn)，未封裝熱電偶測量的溫度值在88.8 ℃左右，與未經(jīng)酸堿蒸汽熏蒸時的測量值相差1.7 ℃，與設(shè)定溫度值90 ℃相差1.3 ℃。可見經(jīng)過70 h酸性蒸汽和70 h堿性蒸汽熏蒸后，未封裝熱電偶的測量準(zhǔn)確性有明顯下降。而經(jīng)過封裝后的熱電偶的溫度值在89.9 ℃左右，與未經(jīng)蒸汽熏蒸時的測量值90.3 ℃，僅相差0.4 ℃，與設(shè)定溫度值90 ℃僅相差0.1 ℃左右。這說明封裝能夠有效阻隔酸堿蒸汽對熱電偶的腐蝕，保證熱電偶的測溫準(zhǔn)確性。

表1 酸堿處理后熱電偶測溫值Tab.1 Temperature value of thermocouple after the treatment of acid and alkali

4 結(jié) 語

以經(jīng)316不銹鋼封裝的熱電偶為測溫元件，以NI 9211四通道熱電偶輸入模塊為溫度采集模塊，并基于LabVIEW軟件編寫程序，研制了一套多通道溫度測量系統(tǒng)。通過與未封裝的熱電偶進(jìn)行測溫對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，封裝后的K型熱電偶對溫度的感知靈敏性下降，響應(yīng)時間延遲，但測量準(zhǔn)確性不受長時間酸堿蒸汽熏蒸的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效解決蒸化機(jī)內(nèi)高溫化學(xué)蒸汽對熱電偶的腐蝕問題，并能實(shí)現(xiàn)蒸化機(jī)內(nèi)多點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確測量。

[1] 孫文鐸.印花蒸化工藝及設(shè)備[J].印染，2005，31(5)：32-38.

[2] 閆軍.MH698型長環(huán)蒸化機(jī)[J].印染，2009，35(13)：39-40，47.

[3] 孫佳佳，李翔.蒸化機(jī)溫度場的測試與分析[J].河北紡織，1992(2)：39-43.

[4] 潘圣銘，茆冠華.溫度計(jì)量[M].北京：中國計(jì)量出版社，1991：149-150.

[5] 張錦霞.熱電偶使用維修與檢定技術(shù)問答[M].北京：中國計(jì)量出版社，2000：43-44.

[6] 周彬.聚四氟乙烯在儀器儀表上的應(yīng)用[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2002，9(1)：12-14.

Development of temperature measurement system in rapid steamer

YANG Cheng-shuai1, LI Jia1, MENG Kai1,2, CHEN Qing-guan1
(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

In this paper, a temperature measurement system was developed, it's advantages was lie in the multi point measurement and the corrosion resistance to the chemical vapor in rapid steamer. It consists of K type thermocouples which were packaged by stainless steel, multi-channel temperature acquisition module and temperature acquisition program written by LabVIEW. Vapor temperature was measured by unpackaged thermocouple and packaged thermocouple respectively. The results showed that the measurement accuracy of unpackaged thermocouple was affected significantly by the chemical vapor. Measurement error of 1.7 degree centigrade occurred after 70 hours' application in acid vapor and 70 hours' application in alkaline vapor.However, the measurement error is only 0.4 degree centigrade when using the packaged thermocouple. The result showed that the developed system was suitable for the temperature measurement of chemical vapor in rapid steamer.

Rapid steamer; Temperature measurement; LabVIEW

TS194.36

B

1001-7003(2012)03-0024-04

2011-10-31

楊承帥(1986－ )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化紡織技術(shù)。通訊作者：孟凱，講師，mk2009@suda.edu.cn。