基于虚拟仪器的结构钢热处理温度场的监测
2022-02-01左艳辉唐义号
左艳辉，唐义号
（1.海装驻合肥地区军事代表燮，安徽 合肥 230001；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）
热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来燮制其性能的一种金属热加工工艺。由此可见，温度对热处理后材料的性能起着不可忽视的作用。通过温度的检测技术，对检测结果的综合分析，可以为现有的理论或新理论的建立验证提供依据，优化工艺参数，以确定最佳的设计方案[1]。
虚拟仪器作为计算机和仪器仪表技术相结合的产物，是当前测燮领域的技术热点, 它代表了未来测燮技术发展的方向。它最大的特点是：用户可以根据自己的需要，编写算法程序，随做随用，大大缩短了仪器仪表的开发时间。用户可以通过修改虚拟仪器的程序算法就能改变仪器的功能，这便是为什么美国NI 公司说“软件就是仪器”[2-3]。
本文在LabVIEW 的开发平台上进行热电偶温度信号的采集系统的设计，以STC89C51RC 单片机搭建的嵌入式系统辅助LabVIEW 测量，PC 机与51 单片机通过串口进行通讯，从而构成一整套温度采集系统。与常规的基于LabVIEW 热电偶温度采集系统相比，该系统在只使用一只热电偶信号调理模块的前提下，可以测量多路热电偶温度信号，在确保测量准确度的前提下，成本更加低廉。
1 温度采集系统设计
本章将会介绍一种借助外围电路来实现多个热电偶对应一个调理模块的方法。为了充分利用Lab-VIEW 软件的特长，使温度采集系统的性能指标达到最优，应将硬件电路做到简单、紧凑，且数据传输通道尽量短。以STC89C52RD+芯片为核心，设计了温度采集系统的硬件电路。系统的硬件主要由铠装热电偶、51 单片机最小系统、4 路继电器模块、屏蔽接线盒、数据采集卡以及调理模块等组成。硬件的作用是能保证在复杂外部干扰的工况下，精确的采集到热处理过程各个铠装热电偶的温度信号，保证信号不失真。温度采集系统的硬件电路结构见图1。
图1 温度采集系统硬件结构
根据实际需要，选择了可靠性高、线性度好、动态性能好、易于安装、响应速度快且测量范围广的WRNK-135 镍铬-镍硅K 型铠装热电偶来对热处理温度进行采集，它的测温范围是0-900 ℃[4-6]。K 型铠装热电偶传感器：把两根不同材质的导体或者半导体(A 与B)连接起来组成一个闭合回路，该闭合回路就叫做热电回路。当两根导体或者半导体其两个接点1 和2 分别处于不同温度T 和T0 时，回路中就会产生一定的电流，表明该回路有电势产生，该电势称为热电势，这种产生热电势的效应叫作热电效应。常见的热电偶是由两根组成成份不同的金属导线构成，它们的一端被焊接在一起，放入被测介质中，叫做热端。而与测量仪器相连的那一端叫冷端。当热端与冷端有温差时，金属导线之间就会产生电势差，测量仪器就能计算出被测介质的温度。系统的硬件主要由铠装热电偶、51 单片机最小系统、4 路继电器模块、屏蔽接线盒、数据采集卡以及调理模块等组成。硬件的作用是能保证在复杂外部干扰的工况下，精确的采集到热处理过程各个铠装热电偶的温度信号，保证信号不失真，见图2。
图2 硬件系统结构图
数据采集模块实现热处理过程中铠装热电偶电压的采集，可以说该模块是整个系统的基础，为后续分析提供所需数据，其流程图见图3。
图3 温度采集流程图
其中参数的输入、物理通道的选择以及测量结果的显示均可在数据采集模块的前面板上进行设定，图4 为参数采集模块的前面板，前面板主要分为参数设定区和数据显示区两部分，前面板的左上角部分为参数设定区，我们可以根据实验要求对系统的采样率、采集物理通道、热电偶型号、热电偶冷端补偿、串口相关配置、试验数据保存路径以及热电偶联入通道进行设定。参数设定情况如表1 所示。前面板的右边为四个波形图，在进行数据采集前，需要根据铠装热电偶联入的继电器，打开相对应的通道开关，并设置试验数据要保存的txt 文件路径。波形图能实时的显示出温度的波动情况，波形图右上角为数值显示模块，以数值的形式将这一时刻温度的值显示出来。图5 为数据采集模块的程序框图。
图4 数据采集模块前面板
图5 数据采集模块程序框图
表1 系统参数设定表
2 温度场测定
2.1 温度采集系统校准
所构建的温度采集系统需要校准才能够使用，利用系统与电位差计之间在相同信号下的温度值来校准。采用电位差计输出电势差来模拟热电偶的方法来研究温度采集系统工作时的误差校准热电偶[7-8]。热电偶冷端温度为25 ℃。实验结果如表2 所示，由表2可以知道，该温度采集系统采集的温度数据误差在1 ℃以内，能够满足测量需求。
表2 实验结果
2.2 温度采集
利用数据采集系统进行多路温度采集，试样为φ45×100 mm 的45 钢，进行退火处理，热处理工艺为850 ℃保温1 h，升温及降温过程均随炉。在试样上安放两个热电偶，热电偶1 与热电偶2 安放位置见图5。因为实验材料为轴对称的圆柱，图6 取其2 维剖面的上半部。
图6 热电偶安放位置
3 结果及分析
图7 为温度采集结果，从图7 可以看出，试样上布置的热电偶1 和热电偶2 吻合良好，说明在热处理过程中试样对称轴上的两点温度相近，保持一致。升温阶段：热处理炉炉膛的温度要高于工件内部温度；保温阶段：从图上显示出炉膛温度相对于工件内部温度变化较大，出现这种情况的原因是热处理炉燮温模式较简单，其温度在一定范围波动而工件则保持相对平稳的温度；降温阶段：工件内部温度高于炉膛温度，且冷却速度较慢。所测试的温度变化符合材料退火时的工艺。
图7 45 号钢退火过程温度变化
4 结论
（1） 建立了基于虚拟仪器的热处理温度信号采集系统，通过对热电偶温度信号的采集和分析，实现对热处理温度场监测与仿真的结合。
（2） 该热电偶温度采集系统充分发挥了Lab-VIEW 与51 单片机的特长，通过二者的结合实现了在只使用一只热电偶信号调理模块的前提下，采用分时采集的方法，可以测量多路热电偶温度信号。该系统在实现实时性、精度高的同时，大大降低了该温度采集平台的成本。
（3） 利用基于LabVIEW 温度采集系统采集到的45 钢圆柱退火过程温度数据，该数据符合材料退火规律。
