基于熱絲法的保護(hù)渣析晶實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)*

史 濤，劉 方，任紅格

(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山063000)

連鑄保護(hù)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(hù)渣的選擇對實(shí)際生產(chǎn)的順利進(jìn)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(guān)重要的。 連鑄保護(hù)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(guān)。

保護(hù)渣的融化速度太慢或者融化溫度過高，會(huì)減小熔渣層的厚度，這樣就難以形成均勻的渣膜，從而導(dǎo)致了保護(hù)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(huì)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(hù)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(hù)渣的析晶過程研究是至關(guān)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(shí)驗(yàn)設(shè)備成本都是十分高的。 而目前現(xiàn)有的一些設(shè)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(jìn)設(shè)備擁有廉價(jià)、體積小、操作簡單、升溫和降溫速度快、恒溫誤差小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 目前已有的一些設(shè)備更是存在溫度控制不精確，設(shè)定溫度達(dá)不到，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過程耗費(fèi)時(shí)間等各種問題。 本設(shè)備針對以上問題做出了大量的改進(jìn)，設(shè)計(jì)的電路解決了以上的問題。 本設(shè)備最大的優(yōu)勢在于可以觀測不同速率下保護(hù)渣融化和結(jié)晶的全部過程，并且實(shí)驗(yàn)室做出了大量的實(shí)驗(yàn)，設(shè)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(jī)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(gè)系統(tǒng)外接一根220 V AC 的電源線到開關(guān)電源上，然后開關(guān)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(fù)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(gè)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(gè)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(dāng)轉(zhuǎn)換電路為加熱電路時(shí)，此時(shí)把熱電偶當(dāng)作加熱元件，MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，熱電偶的負(fù)極相當(dāng)于與電源負(fù)極連接在一起，熱電偶的正極與電源的正極連接在一起。當(dāng)轉(zhuǎn)換電路為信號采集電路時(shí)，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(yīng)的算法處理，將熱電勢信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值，再計(jì)算出實(shí)際溫度值與設(shè)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)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(jì)算機(jī)使用自主研發(fā)的上位機(jī)軟件，該軟件使用VB 語言編程，上位機(jī)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(jī)軟件

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

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 熱電偶的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

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(dāng)測量元件又可以當(dāng)作加熱元件。 該電路由三個(gè)電阻、一個(gè)MOS 管、一個(gè)三極管、熱電偶、一個(gè)輸出+5 V、40 A 的開關(guān)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(dāng)主控芯片輸入PWM 控制信號為低電平時(shí)，此時(shí)三極管Q2的基極是0 V，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，Q2的集電極是12 V，MOS 管Q1的G 端也是12 V，MOS 管導(dǎo)通，熱電偶的正極為+5 V，負(fù)極相當(dāng)于與GND 短接在一起，是0 V，此時(shí)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(dāng)熱電偶處于信號采集狀態(tài)時(shí)，此時(shí)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(dǎo)通狀態(tài)，由于電阻R6的分壓作用下，此時(shí)相當(dāng)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(shí)MOS 管Q1的G 端也是0 V，MOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)，熱電偶的正負(fù)極都產(chǎn)生+5 V的共模電壓，此時(shí)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(shè)計(jì)

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(jià)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(gè)外部電阻即可設(shè)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(dāng)熱電偶轉(zhuǎn)換電路為信號采集電路時(shí)，此時(shí)熱電偶的正負(fù)極都有一個(gè)+5 V 的共模電壓，滿足了放大器對輸入偏置電壓的設(shè)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(qiáng)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(fù)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(zhǔn)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(shè)計(jì)

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(gè)作用，一是當(dāng)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(dāng)熱電偶轉(zhuǎn)換電路屬于加熱電路時(shí)，信號放大器的正極輸入為+5 V，負(fù)極輸入為0 V，這時(shí)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(shí)VD1 截止，VD2 導(dǎo)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(dāng)放大電路的差分輸入電壓為負(fù)電壓時(shí)，若經(jīng)過放大后的輸出電壓小于-0.2 V，則VD1導(dǎo)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(gè)硬件電路設(shè)計(jì)總圖如圖10 所示。

圖10 硬件電路設(shè)計(jì)總圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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

我們定義x0≤t1≤t2≤t3≤…≤tn≤x1，其中t1，t2，t3，…，tn稱為插值節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(biāo)A(t0， f(t0))和坐標(biāo)C(t1， f(t1))，假設(shè)B(t， f(t))是經(jīng)過直線上的一點(diǎn)，而兩點(diǎn)式的直線方程如下:

圖11 溫度與熱電勢的函數(shù)關(guān)系

圖12 相鄰兩點(diǎn)之間的直線方程

上式經(jīng)過變換之后可得:

式中:Temp為實(shí)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(dòng)勢的數(shù)組集，VHot是實(shí)際采集到的熱電勢信號[14]。

在實(shí)際編程中，計(jì)算程序框圖如圖13 所示。

圖13 熱電偶-溫度轉(zhuǎn)換計(jì)算框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證設(shè)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(dāng)做信號源來驗(yàn)證測量溫度的準(zhǔn)確性，以及進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)對設(shè)備升溫和降溫的功能性進(jìn)行驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測定結(jié)果

為了驗(yàn)證溫度測量的準(zhǔn)確性，我們首先使用了信號發(fā)生器進(jìn)行檢驗(yàn)，在該設(shè)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(yīng)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(gè)熱電勢信號，直到1 540 ℃為止，一共輸出68 個(gè)不同溫度值對應(yīng)的熱電勢信號。 然后該信號經(jīng)過圖13 的計(jì)算流程后，會(huì)將其轉(zhuǎn)換成實(shí)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(yīng)的輸入溫度值做比較，計(jì)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(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，分別以不同的升溫和降溫速率對每類樣品進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)，圖14～圖16 展示的是三種樣品在實(shí)驗(yàn)中的融化狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)溫度與標(biāo)準(zhǔn)熔點(diǎn)溫度誤差在10℃之內(nèi)。 圖17～圖19 中，虛線是樣品的實(shí)際溫度，實(shí)線是樣品的設(shè)定溫度，在對樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，樣品的實(shí)際溫度與設(shè)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(shí)驗(yàn)的要求。

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)研究保護(hù)渣析晶過程的設(shè)備的價(jià)格昂貴和現(xiàn)有一些設(shè)備溫度控制效果差的不足，提出了一種利用熱絲法設(shè)計(jì)的廉價(jià)高效的改良設(shè)備。 該設(shè)備利用三極管和MOS 管以及電阻設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)檗D(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(jìn)行。 為了保證溫度測量的準(zhǔn)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(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)備的有效性。