合金熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理

賴慶云，馬旭梁，王利華，李大勇（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

合金熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理

賴慶云，馬旭梁，王利華，李大勇（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

本文利用PC—6319D光電隔離模入接口卡，構(gòu)建了合金熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理單元，并在delphi 7.0環(huán)境下編制了相應(yīng)的軟件程序。該數(shù)據(jù)采集與處理單元配合集成測(cè)試系統(tǒng)多工位測(cè)試機(jī)構(gòu)和新型傳感器，實(shí)現(xiàn)了熔體表面張力、密度、電導(dǎo)率和粘度等熱物性參數(shù)的快速集成測(cè)試。本文介紹了熱物性參數(shù)測(cè)試的基本原理、數(shù)據(jù)采集與處理單元硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方法。

合金熔體；熱物性參數(shù)；數(shù)據(jù)采集與處理

合金熔體的表面張力、密度、粘度和電導(dǎo)率等熱物性參數(shù)，對(duì)冶金工藝過(guò)程的控制具有重要作用。表面張力不僅是研究熔體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)參數(shù)[1]，而且在晶體生長(zhǎng)的工藝優(yōu)化、模擬和鑄造合金參數(shù)的預(yù)測(cè)中也有重要作用[2]。密度是冶金工程設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，同時(shí)密度還將影響不同熔體間的分層和分離以及生產(chǎn)中的許多動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。電導(dǎo)率對(duì)電爐煉鋼、氧化鋁電解還原鋁等液態(tài)金屬工藝過(guò)程也十分重要，原因在于金屬熔體的電導(dǎo)率對(duì)于金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)的變化十分敏感。粘度測(cè)量是認(rèn)識(shí)熔體微觀結(jié)構(gòu)的重要手段之一，在定量研究金屬液流性質(zhì)及冶金過(guò)程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)將會(huì)發(fā)揮重要作用。因此，研究合金熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)對(duì)熔體性質(zhì)的深入研究和冶金工藝過(guò)程綜合控制技術(shù)十分必要。本文將介紹一種用于熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理單元的設(shè)計(jì)方法。

1 熱物性參數(shù)測(cè)試原理

熔體表面張力和密度單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)的方法很多，本文所述合金熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)采用表面張力和密度雙參數(shù)同步檢測(cè)方法，其測(cè)量原理是基于氣泡最大壓力法，依據(jù)拉普拉斯方程，采用同一直徑的毛細(xì)管按兩次不同深度（h）插入熔體，測(cè)出對(duì)應(yīng)兩個(gè)深度的壓力值（P），可同步計(jì)算出表面張力σ和密度ρ。

熔體粘度測(cè)試采用本研究室發(fā)明的彈簧振子法，其測(cè)試原理是基于彈簧振子在被測(cè)熔體中做阻尼振動(dòng)時(shí)，各振動(dòng)周期內(nèi)最大速度對(duì)數(shù)衰減率與被測(cè)熔體粘度之間存在相關(guān)關(guān)系，以多周期平均振動(dòng)對(duì)數(shù)衰減率為特征參數(shù)，利用粘度系數(shù)計(jì)算公式可以快速求得被測(cè)熔體粘度。

2 數(shù)據(jù)采集單元硬件構(gòu)成

根據(jù)熱物性參數(shù)檢測(cè)原理，用于合金熔體熱物性參數(shù)集成測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元的硬件組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成框圖

以工控機(jī)IPC為監(jiān)控主機(jī)，選擇中泰公司生產(chǎn)具有12位分辨率和32路模擬量輸入通道的PC-6319D光電隔離模入接口卡，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)變和多通道數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場(chǎng)物理信號(hào)的檢測(cè)及轉(zhuǎn)換采用輸出為4—20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器，通過(guò)端子板ps-003進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換。

在表面張力與密度檢測(cè)中，采用ND-1型壓力變送器，其量程為0-5kPa，精度為0.1%，以此可快速檢測(cè)氣泡內(nèi)壓力變化以及準(zhǔn)確記錄氣泡內(nèi)最大壓力值。選用WDL25型位移傳感器測(cè)試毛細(xì)管插入熔體的深度，其優(yōu)點(diǎn)是線性精度高、動(dòng)態(tài)噪聲小、機(jī)械壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)便。該測(cè)試系統(tǒng)需實(shí)時(shí)檢測(cè)出熔體的溫度，綜合考慮檢測(cè)范圍和精度，選擇鉑銠－鉑熱電偶，并同時(shí)使用AD590進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。在粘度檢測(cè)中，電磁感應(yīng)速度傳感器信號(hào)的采集為計(jì)算機(jī)提供振子各時(shí)刻振動(dòng)速度數(shù)據(jù)。電磁線圈位置傳感器用于確認(rèn)線圈位置是否與振子平衡位置相對(duì)應(yīng)。

3 數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集單元軟件基于delphi7.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)。Delphi以其良好的圖形用戶接口（GUI），面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化的事件與驅(qū)動(dòng)編程模式，使得編程效率提高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用功能大大增強(qiáng)，并能方便地調(diào)用Windows API函數(shù)和使用工控制造商提供的DLL函數(shù)。采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，用多窗體的功能菜單工作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)軟件包括二個(gè)窗體，即參數(shù)檢測(cè)窗體和歷史數(shù)據(jù)窗體。

3.1 系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)信號(hào)采集：對(duì)三個(gè)模塊中的溫度、壓力和位移等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。

（2）動(dòng)態(tài)曲線顯示：動(dòng)態(tài)顯示采集到的電壓值與時(shí)間的關(guān)系，并對(duì)動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行保存。

（3）熔體參數(shù)的測(cè)定：①表面張力和密度測(cè)定：包括壓力傳感器和位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定，毛細(xì)管半徑的標(biāo)定，傳感器量程的選擇，計(jì)算表面張力和密度；②電導(dǎo)率測(cè)定：包括電導(dǎo)池長(zhǎng)度和半徑的標(biāo)定，恒定電流，采集電壓和計(jì)算電導(dǎo)率；③粘度測(cè)定：包括測(cè)定粘度常數(shù)，測(cè)定零點(diǎn)和計(jì)算粘度。

（4）數(shù)據(jù)查詢：對(duì)各參數(shù)檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)組查詢，對(duì)曲線查詢，對(duì)各個(gè)參數(shù)與溫度間的關(guān)系查詢和曲線顯示。

3.2 參數(shù)檢測(cè)窗體

參數(shù)檢測(cè)窗體包括三個(gè)模塊：表面張力與密度檢測(cè)模塊、粘度檢測(cè)模塊、電導(dǎo)率檢測(cè)模塊。每個(gè)參數(shù)檢測(cè)模塊均具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存檔等功能。其運(yùn)行界面如圖2所示。

雖然三個(gè)參數(shù)檢測(cè)模塊因檢測(cè)原理不同，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制動(dòng)作不同，但數(shù)據(jù)采集過(guò)程的流程大致相同，其具體流程見(jiàn)圖3。

準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所需要的參數(shù)值（數(shù)據(jù)采集），并準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型中所需要的數(shù)值（數(shù)據(jù)處理）是數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計(jì)的核心。

（1）數(shù)據(jù)采集：主要完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制，包括初始化數(shù)據(jù)采集卡、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡、讀取數(shù)據(jù)采集結(jié)果、停止數(shù)據(jù)采集。借助delphi7.0強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，方便地調(diào)用中泰公司提供的PC6000nt.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。該鏈接庫(kù)包含了對(duì)PC-6319等多種型號(hào)采集卡進(jìn)行底層I/O操作所使用的函數(shù)。本系統(tǒng)主要使用了其提供的AI6319Single（）函數(shù)。在Timer事件中調(diào)用此函數(shù)，通過(guò)設(shè)置timer.interval值來(lái)設(shè)定采樣周期。

（2）數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)濾波：數(shù)據(jù)采集過(guò)程中由于存在隨機(jī)誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)可靠性差、精度低。除了可以采取硬件方法克服，還可采用軟件算法按統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。本文采用中位值濾波加算術(shù)平均濾波的方法，即對(duì)同一檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行n次采樣，把采樣值按大小排隊(duì)，去掉最高值與最低值，然后對(duì)n-2個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均處理，即：

用delphi實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波程序如下：

Xi：=AI6319Single（792，0，1）；

X1：=MAX（Xi）；

X2：=MIN（Xi）；

Sum=0；

FOR i：=1 to n do

sum:=sum+Xi；

Inc（i）；

Y：=（sum-X1-X2）/n-2；

數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換：由于數(shù)據(jù)采集卡采集到的不是傳感器所測(cè)工程量的直接讀數(shù)，而只是代表該檢測(cè)點(diǎn)的電壓模擬電信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，被測(cè)模擬信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，常需要轉(zhuǎn)換成便于人們觀察的帶有量綱的工程量后經(jīng)運(yùn)算顯示才有意義，這個(gè)過(guò)程即是標(biāo)度變換。把采集到的電壓模擬值經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換公式轉(zhuǎn)換成參數(shù)檢測(cè)所需要的壓力值。其標(biāo)度變換公式如下：

式中：Yx——傳感器所要檢測(cè)工程量的被側(cè)值；

Ymax，Ymin——是所測(cè)工程量的最大、最小量程；

Nx——被測(cè)值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；

Nmin，Nmax——最小值，最大值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

標(biāo)度變換程序框圖如圖4所示。

3.3 歷史數(shù)據(jù)窗體

歷史數(shù)據(jù)窗體用于打開(kāi)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)查詢、瀏覽和顯示等，并可根據(jù)歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以曲線形式顯示各參數(shù)間的關(guān)系。圖5是根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的純鋁電導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)表依次繪制的純鋁電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系曲線。

4 結(jié)論

（1）本數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)充分利用了PC-6319 D的豐富資源，省去了外加放大器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的繁瑣；對(duì)6路模擬信號(hào)采集，采集精度較高，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。

（2）軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)試界面直觀、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，并使系統(tǒng)具有高效的可編程能力和可擴(kuò)展性。

（3）經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)能夠在高溫情況下及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出合金熔體的表面張力、密度、粘度和電導(dǎo)率等熱物性參數(shù)，并能給出各個(gè)參數(shù)與溫度間的相關(guān)曲線關(guān)系；同時(shí)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)存檔功能無(wú)論是對(duì)研究機(jī)構(gòu)還是生產(chǎn)單位都有重要幫助。

[1]P.Janule Victor.The Dynamics of Surface Tension.European Coatings Journal，2005（7-8）：24-27.

[2]V.V.Semak，G.A.Knorovsky，D.O.MacCallum，et al.Effect of Surface Tension On Melt Pool Dynamics During Laser Pulse Interaction.Journal of Physics D:Applied Physics.2006，39（3）:590-59.

Data Acquisition and Processing of an Integrated Testing System for Molten Alloy Thermophysical Parameters

LAI QingYun，MA XuLiang，WANG LiHua，LI DaYong
（School of Material Science and Eng ineering Ha′erb in University of Science and Technology,Ha′erb in 150080，Heilong jing China）

By using PC-6319D op tical isolation module，data acquisition and p rocessing unit of an integ ration system for measuring thermal param eters has been construc ted w ith the correspond ing p rog ram s designed by ourselves under the environment of Delphi 7.0，which by the com bination of the unit and the multi-position testing mechanism and new type of sensors have realized rap id integ rated m easurement of thermophysical parameters of the molten alloys such as surface tension，density，conduc tivity and viscosity.The basic p rincip les of m easuring the thermophysical parameters，the hardware constitution of data acquisition and p rocessing unit，and the method of software design have been desc ribed respectively.

Molten alloy；Thermophysical parameters；Data acquisition and p rocessing

TG235;

A；

1006－9658（2011）02－3

國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器專項(xiàng)（50827403）

2010－10－09

2010－146

賴慶云（1979-），女，碩士研究生