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1. 前言 在金屬熱處理工藝中，需要使用溫控開關，來控制加熱的溫度，一般采用溫控開關對烘箱的溫度進行控制，各種溫控開關的工作機理雖然各不相同，但都能在設定的溫度點斷開或接通電源。隨著對材料要求的不斷提高，熱處理過程中對溫度的控制范圍和頻率響應也提出了更高的要求。本系統使用了頻響較高的溫度傳感器，設計了計算機瞬態記錄系統，滿足了使用要求，試驗中獲取了較穩定的數據。 2. 原理及系統組成 根據要求，該計算機控制的多點測試系統必須能做到： (1) 一次可以同時測試多個樣品； (2) 測試并保存每個溫控開關樣品的斷開點及恢復點溫度； (3) 打印出每一溫控開關樣品的斷開點及恢復點溫度值； (4) 自動控制烘箱的加熱速度。 計算機測試系統主要由傳感器、信號調理、采集、系統軟件和計算機等組成，見圖1。 2.1 工作原理 加熱爐工作時，傳感器周圍溫度發生變化，導致傳感器電阻值發生變化，產生電信號。電信號通過信號調理器調整后，由采集器將信號采集，然后送入計算機進行處理。由于傳感器環境溫度的變化對應著阻值的變化，通過一定的算法、計算處理，即可測出瞬態溫度。信號變送器設有調零電位器，通過系統調零，可以防止數據采集時系統誤觸發。 2.2 系統各組成部分說明 2.2.1 溫度傳感器 溫度傳感器是以白金為材料。通過特殊的工藝方法加工而成，響應時間約幾個毫秒。溫度傳感器工作時，所需的恒流源由信號調理器供給。在一定溫度時，傳感器兩端為一個恒定阻值，由于通過溫度傳感器的電流恒定不變，傳感器輸出為一個穩定的電壓值。當溫度在瞬間發生變化時，用純金屬加工的溫度傳感器，電阻阻值在瞬間內也發生變化，利用電阻的變化，即可測出溫度的變化值。 2.2.2 信號調理器 信號調理器由穩壓源、恒流源、放大電路、調零電路等組成。 信號調理器工作時，先將輸入的電源電壓穩壓后，供給恒流源電路。恒流源電路產生不大于10mA恒定的直流電流后供給溫度傳感器。當傳感器有電信號輸出時，信號調理器將傳感器輸出的電信號，調整到測試系統記錄的電壓范圍內。轉化成電壓隨溫度的變化，再經過A／D轉換器將模擬信號轉換成數字量，由計算機進行數據采集及處理。因每次需要測量每個溫控器樣品，而烘箱內的溫度分布不均勻，所以設計時將烘箱內的被測樣品按區劃分。在每個區用一個傳感器測量該區的溫度，盡可能地減小由于烘箱內溫度分布不均勻而造成的測量誤差。 信號調理器選用PC-6502熱電阻接口板。測量范圍為-50℃～+1750℃，有八路輸入通道，精度為0.1％，測量方式為恒流激勵三線式。 2.2.3 A／D轉換器 信號調理器轉換輸出的隨溫度變化的電壓信號，經過A／D轉換器轉換成數字信號由計算機采集及處理。為了保證測量精度，系統中采用了自行研制的12位A／D轉換接口板，以AD574為轉換器核心，用LF398作為采樣／保持器。 AD574是快速12位逐次逼近式A／D轉換器，是由美國Analog Device公司生產的，它只需外接少量元器件就可獨立完成A／D轉換功能，其控制信號CE、CS、R／C、12／8、A0等信號的組合功能如表1。 2.2.4 溫控開關狀態接口電路 溫控開關的通斷狀態可通過一組I／O口輸入計算機，本系統中采用了可編程的并行I／O接口芯片8255，該芯片具有三個并行I／O口，可以通過軟件對其編程，使A口、B口、C口全部工作在輸入方式，則一片8255可檢測24只溫控開關，采用八片8255，一次測試可同時檢測多只樣品。每次測試其通斷狀態時，同時測試該溫控開關所在區域的溫度值。 2.2.5 烘箱加熱速度控制 烘箱加熱速度的快慢直接影響到樣品測試速度及準確性，一般在同一批次中，溫控開關的通斷點溫度都比較接近。而樣品放人烘箱后，溫度從室溫開始，一直到接近樣品斷開點溫度時的加溫過程中，不會有溫控開關動作，所以在這一段加熱時間內，可以讓所有電熱絲全部工作，以提高加熱速度，減少測試時間，在快接近斷點溫度前及在斷點溫度附近則為了升溫均勻及測試準確，采用逐根斷開電爐絲的辦法來減慢加熱速度，待全部檢測完畢后，所有電爐絲亦已全部斷開，則可進入自然冷卻階段，開始測試樣品的接通點溫度值。 2.2.6 采集電路 采集電路用于記錄傳感器輸出的電信號。系統工作時，模擬轉換開關將信號調理器送來的連續的多路模擬信號變為一系列的串行脈沖信號，經緩沖放大，送入A／D轉換電路。A／D轉換器將緩沖放大器送來的脈沖信號變為數字信號，并存入緩沖存貯器中，采集結束后將信號由緩沖存貯器調入計算機中，最終將數據存入計算機內。 3. 軟件設計 系統的測試是通過測試軟件控制的，軟件的開發必須做到： (1) 檢測并記錄多個溫控開關的斷開點溫度及恢復點溫度； (2) 按區劃分測量出八點均勻分布點的溫度，并對相關點作適當的補償； (3) 根據每批產品的溫度特性，設定溫度測定范圍以便對烘箱的加熱速度進行合理控制； (4) 保存測試參數，并隨時打印出參數表。 3.1 軟件模塊的設計 軟件的設計包括五個獨立的功能模塊。分別為： (1) 調文件，可以調入以前任一時刻的測試數據。 (2) 存文件，將正在測試的數據存盤備份。 (3) 打印，將測試的數據打印出來，作為產品參數標準。 溫度設置，主要用來設置被測溫度范圍，由此溫度范圍為依據，來控制烘箱的加熱速度。 測試，該模塊主要完成功能為： (1) 初始化，包括將用于控溫開關狀態接口的8255編程設置為輸入方式，溫控開關全部接通使三根電爐絲同時加熱等。 (2) 讀人I／O狀態，判斷各溫控開關的通斷狀態。 (3) 分區讀入各溫度測試點的溫度值，將此時的溫度值賦給有通斷變化的溫控開關樣品，并在監視器上相應的位置顯示該溫度值。 (4) 根據選定點的溫度值，與設定的最低溫度、最高溫度之間的關系來控制烘箱加熱電爐絲的通斷，以控制加熱速度。 3.2 提高測量精度的措施 為了保證溫度測量的精度，除了在硬件上采取必要的措施如采用12位A／D轉換外，軟件上也要采取相應的措施，本系統中采用了多點平均算法。由于A／D采樣用的是AD574芯片，其轉化速率典型值為25μs，而溫度不可能有突變，所以我們對每一溫度點采樣100個點，然后排序，去掉最大的和最小的各10點，用剩余的80點進行平均，這樣可使測試過程中的誤差大為減小。 4. 測試結果 該系統對多次加熱爐溫控進行了測試，獲取了較穩定的數據。已使其測試精度、速度都超過了原定的設計要求，溫度測量精度≤0.5%，大大提高了工作效率，產品的質量得到了更進一步的保證。 |
