一個高溫持久/蠕變測控溫及試驗管理系統

馮 全,趙 迪,黃新躍,張志華,王 亮,張燕明

(北京航空材料研究院,北京100095)

一個高溫持久/蠕變測控溫及試驗管理系統

馮 全,趙 迪,黃新躍,張志華,王 亮,張燕明

(北京航空材料研究院,北京100095)

介紹了采用測控分開形式對近百臺五六十年代制造的高溫持久/蠕變試驗機進行測控溫系統改造的工作。改造后的控溫系統創造了不同熱電偶數量(測控溫共偶,1～3支)都可實現對試樣溫度和梯度的穩定控制,系統具有較強抗外界干擾能力,而且控溫過程中對電網無干擾。測量系統測量誤差≤±0.1%FS。測控溫系統采取單爐閉環控制、30臺集中巡回檢測的方法,并針對多臺試驗機且不同時啟停的特點合理編程,建立了一個有特色的具備人/機共同管理功能的自動化試驗管理系統。該系統在十余年的連續運行中,穩定可靠,經濟效益顯著,是一個適用的高溫持久/蠕變測控溫及試驗過程管理系統。

持久/蠕變;測控分開;閉環控制

高溫持久/蠕變性能是評價發動機材料的重要指標,幾乎所有的發動機材料都需要進行持久/蠕變性能試驗,北京航空材料研究院早在20世紀50年代成立之時,就建立了高溫持久/蠕變試驗室,開始從事此項性能試驗工作。55年來,通過試驗提供了大量的金屬材料在高溫狀態下的使用壽命和為開展材料研究、結構設計的測試數據。20世紀末,航空事業加快發展,持久/蠕變試驗任務量急劇增長,該試驗室近百臺產于五六十年代、多國、多型號的機械式試驗機(見圖1),雖然主機部分尚好仍然可用,但高溫系統只在70年代進行了改造,又因老化且功能落后到了再次升級改造之時。

1 高溫持久/蠕變試驗簡介和高溫系統需求

高溫持久/蠕變試驗機用做金屬與合金高溫拉伸持久強度極限和高溫拉伸蠕變等項試驗,試驗機由機架、加荷系統、高溫系統組成,高溫系統由加熱爐、溫度控制和溫度測量系統組成。

圖1 近百臺高溫持久/蠕變試驗機Fig.1 Hundred rupture/creep testing machines

試驗時試驗員根據爐溫、負荷選擇適當的試驗機,將試樣安裝在爐內中心軸加力拉桿上;按照試樣規格在試樣上綁不同數量的測溫熱電偶,多數試樣計算長度為50mm,要綁二支熱電偶;缺口試樣為25mm,綁一支熱電偶在缺口上;標準試樣為100mm(很少),要綁三支熱電偶。準備工作完成就開始試驗,溫度控制系統按照試驗要求控制加熱爐電源的通斷,實現升溫、保溫。溫度測量系統在試驗中為了保證試樣計算長度內溫度波動(實測溫度與試驗溫度之差)和溫度梯度(在任意瞬間試樣所有被測點實測溫度的最高與最低值之差)符合要求,整個試驗過程都要按照試驗方法[1,2]規定的時間間隔進行測溫。

從做試驗的角度出發十分需要一個自動化程度高的測控溫系統,但什么樣的系統適合它們呢?也是在20世紀末,曾嘗試過用一臺計算機對三臺試驗機進行全自動化的管理[3],系統正常時充分解放人力,但是加力平衡系統的指針有微動的現象,經分析是控溫系統有微量的震蕩,用控制理論解釋其原因是由于控制過程中的“快”與“準”不能共同兼得所致;另外還有更重要的問題,由于硬件系統有許多接點、模塊、接插件還有計算機,長時運行難免要出現不同程度的問題,最終引起測控結果的不準確,但早期很難發現,等到發現很可能已經釀成試驗事故。因此在大規模的試驗系統中提出如下的系統需求:

(1)系統可靠性:通常高溫系統的測控溫系統分為測控一體/測控分開,測控一體是控溫系統對溫度進行采樣、模/數轉換,轉換值用于控溫,同時又被測溫系統用于顯示和記錄,如果因系統任意環節出錯而造成得到的模/數轉換值異常,測、控溫的結果都將是錯誤的,但不易察覺,前面所述的計算機系統就屬此系統;測控分開則是測控溫系統各自對溫度進行采樣、模/數轉換,轉換值分別用于控溫和顯示、記錄,當兩個系統的顯示值出現異常時,必有一方出了故障,可以人工排查,利用這種自監督能力,就能避免系統故障的發生,因此要選擇測控分開系統。

(2)直接控溫:目前流行的加熱爐多為三段加熱體組成,控溫時用三支置于爐壁的控溫熱電偶對試樣溫度進行間接控溫,由于測/控溫位置有一定距離,需要等到爐體整個空間溫度場達到平衡,試樣溫度才能穩定,控溫時難于給出準確的控制量,試樣溫度無法快速調節。依據控制理論,要獲得最好的控制結果,就要對變量進行直接控制[4]的原則,把溫度控制點移至試樣上。

(3)防超調抗干擾:大規模試驗室近百臺平均功率4kW以上的加熱爐要提供試驗需求的溫度,電源會頻繁地被接通/斷開,控溫系統要選擇具備防超調的數字溫度控制裝置和抗外界干擾能力強又對電網無干擾的硬件產品。

(4)測溫系統:由于高溫材料耐溫提高幾十攝氏度都將對發動機性能指標提高一大步,因此,首先要建立高準確度的測量系統,保證能提供準確的測量數據。為保持與試驗方法中獨立測溫儀表的誤差精度相同,要求系統測量誤差≤±0.1%FS。

(5)試驗過程自動化管理:測溫系統加入計算機,在滿足試驗方法要求的前提下編出適合多臺試驗機不同時啟停的測溫及試驗過程管理程序,讓計算機自動管理試驗過程。

2 測/控溫系統改造方案分析

針對系統需求,對改造方案加以分析。

要建立一個可靠、準確的測控分開自監督系統,可以有很多方法實現,考慮到我院持久/蠕變試驗機的數量大、型號多,加熱爐的不一致:爐膛直徑大小不同,加熱爐絲有兩段和三段的;做900℃以下試驗的中溫爐由220V直接給爐絲供電;做1200℃以下試驗的高溫爐,通過變壓器將市電轉換成最大25V/100A再給爐絲供電。要對這些各不相同的對象實現個性化的溫度控制和測量,最好的辦法就是單爐閉環控制、多爐集中巡回檢測,它的優點是可以實時的根據各加熱爐的特性給出最適合自身的控制規律,在閉環控制中實現精確控制,保證溫度穩定;而集中巡回檢測由于資源共用,可以選擇高精度測量裝置和計算機,同時通過提高熱電偶冷端補償的精度,再以適當犧牲時間換取精度的辦法提高系統精度,為達到系統測量誤差≤±0.1%FS提供必要條件。

系統設計中應當選用優秀品牌的通用儀表和器件,它可以保證設計的成熟和系統的可靠[5],為系統推廣和在用系統的維修提供強大的硬件支持,也可以解決系統產品老化后升級的問題。

要想對試樣溫度直接控制,首先要對加熱爐體進行改造減小熱慣性,再將控溫熱電偶移至測溫點,但是受試樣的尺寸所限測控熱電偶只能共用,并且如前所述熱電偶的數量是不固定的,因此,必須研制出采取溫度閉環控制,梯度部分自動調節加手動調節的硬件產品來實現對試樣溫度和梯度的穩定控制,同時產品中應滿足對電網無干擾、抗外界干擾能力的問題。

為了使得測溫和試驗管理系統適用,要改變流行的那種依次采樣的測量方式,針對試驗機規模大、試驗不同時啟停、試驗持續時間長的特殊需求,設計出適用的自動巡回采集系統。該系統為了便于對試驗過程的集中觀察,設計的人機主界面數據顯示內容應包含:設定溫度、試樣各偶的溫度、加荷時間、累計時間;各種超差報警應齊全并以聲和屏幕提示的方式給出。還有,除了完整的按照試驗要求自動記錄上述顯示內容、報警記錄、過程狀態提示,還要具備系統的可維護性,要有人工隨機抽查/保存測溫數據的功能。

3 系統設計

遵從方案分析中所定原則,設計了單爐閉環控制、30臺集中巡回檢測的系統,其中單爐閉環控制有兩種形式:第一種是在首期改造經費十分有限又要盡可能多的改造舊系統的情況下,選擇了對二段爐絲的控溫系統進行改造,它采用取試樣上1支熱電偶信號、利用一塊智能表的單閉環控制回路對那個控溫點控溫,對沒有閉環控制的那組爐絲,采用手動調梯度分配爐絲功率,保持爐內溫度場恒定,實現對試樣溫度的直接控制。于2000年驗收通過。第二種是支持試樣上綁3,2,1支熱電偶,利用兩塊控溫表組成兩個閉環控制回路控溫,對三段/二段爐絲的控溫系統進行了改造,由于有兩個閉環控制回路,對兩段爐絲的加熱爐可以實現對試樣上的控溫點自動控制溫度和自動調節梯度;對于三段爐絲的加熱爐,沒有閉環控制的第三組爐絲,也采用上述手動調梯度的方法,實現對試樣溫度直接控制。

集中巡回檢測系統的設計原理相同,只是選用的硬件和軟件編程平臺有差別,就不展開表述,下面以單智能表控溫的測控溫系統加以介紹,原理圖如圖2所示。

圖2 測控溫系統原理示意圖Fig.2 Principle block-diagram of the temperature measuring and controlling system

3.1 系統組成

單爐溫度控制系統:主要由1塊山武公司SDC31型3.5位數字顯示,示值誤差0.2%FS的數字調節儀作為控溫表(它能提供標準PID、能進行過程診斷和超調抑制等先進的神經/模糊控制,具有熱電偶短路、斷路報警等功能)、一支熱電偶、兩個電位器、一塊多通道觸發板、兩個過零型固態繼電器等組成;

巡回檢測系統:主要由 1臺計算機、1塊KEITHL EY公司6.5位數字多用表,1個多路轉換開關裝置、60支(每爐2支或1支)熱電偶輸入信號、測冷端溫度用的熱電阻,以及自編寫的試驗過程管理程序組成。

3.2 工作原理

控溫系統:試驗中,在爐內試樣上通常綁2支熱電偶的情況下,將1支測控溫共用的熱電偶熱電勢信號實時傳送至控溫表,控溫表對其進行模/數轉換并顯示,模/數轉換值與設定值進行比較,按照事先經人工智能神經元網絡自整定系統,對控制系統進行最佳控制參數計算得出控制量,通過數/模轉換變成標準電量輸出,該路輸出信號給兩個電位器,人工根據測溫數據進行調節(既手動調梯度,梯度調節只有在試樣溫度梯度不滿足試驗要求時才調整,否則一直維持不變),變為一定功率比的兩組信號傳遞給多路觸發板,觸發板再以周波過零調功觸發方式輸出,驅動兩個固態繼電器,對爐體的二段爐絲電源進行控制,完成一個閉環控制過程;如果試樣只綁1支熱電偶,電位器維持以往綁2支熱電偶時的功率比,只對1支熱電偶溫度進行控制。

巡回檢測系統:計算機按周期巡回對熱電阻(室溫)和各試樣上綁的全部熱電偶的溫度,逐點經過一定的延時進行采樣,自多路轉換開關裝置的輸出端送至6.5位數字多用表,經高精度的A/D轉換并以通訊方式把兩個數字量送給計算機,計算機利用熱電勢補正法⑹和誤差修正得到實際試樣溫度,并將冷端溫度和各試樣溫度集中顯示在計算機主界面上,這些數據按試驗方法的要求進行保存;試樣溫度要與設定值比較,比較后如果超差,計算機將會報出“溫度超差”或“梯度超差”的提示,此時由人工對控溫表的設定值加以修改或對兩個電位器進行調節。

4 改造結果

經過此次改造,近百臺的老試驗機性能大大提升,十余年來,該測/控溫系統運行可靠,雖然兩個系統都有問題出現,但故障顯示及時且排查故障方法簡便,很快可以解決,不足以對長時試驗的結果造成不良影響,充分顯示出了測控溫分開系統的適用性;特別要加以介紹的是:

(1)控溫系統在爐體改造為熱慣性小的前提下,全部采用對試樣溫度直接控制,控制方式與流行的間接控溫相比:節約成本(無需一定要3支偶、3塊控溫表;3,2,1支熱電偶均可,最多兩塊控溫表),快速調節試樣溫度,保證試驗過程升溫迅速、溫度更穩定,代價是要人工手動調梯度。通用性好:對不同尺寸試樣上綁不同數量的熱電偶,最終都能使試樣溫度獲得良好的直接控制;準:閉環控溫可以得到精確控制;快:與間接控溫相比,試樣溫度到達試驗設定值的控溫時間,平均縮短了一半,提高了設備資源利用率、節能。

(2)閉環控制系統中加入的觸發板,采用周波過零調功觸發方式輸出,對電網無干擾;抗外界干擾能力強;還具有線性功率補償能力:當外電壓波動±10%,輸出功率波動<3%,能進一步提高控制精度,試驗中直觀上看,試樣溫度保溫后,控溫表的測量值和設定值保持一致,優于其他類型高溫爐控溫表上測量值多變的形式。

(3)十余年來,通過對試驗過程中每月進行的溫度示值月抽查和每年一次的系統溫度校準可知,該系統的系統誤差和年穩定性都保持在±0.1%FS,以同一臺試驗機近年內的溫度測量和校準數據(S型熱電偶)的匯總為據,見表1和表2。

表1 試驗過程中的溫度測量數據Table 1 The temperature measuring data during test process

表2 溫度測量系統校準數據Table 2 The calibration data of temperature measuring system

(4)本次改造由于計算機巡回采集系統硬件和試驗過程管理程序設計合理,使得測溫和試驗過程管理自動化融為一體,替換了原本單一的手動測溫系統,該巡回采集系統在滿足試驗方法要求的同時,可以對30個試驗過程按照改造方案分析中的需求進行管理,試驗中在原始試驗數據輸入后,一經升溫,計算機就忠實的對該試驗過程進行測溫、比較、超差報警,過程提示,直至試驗結束。全過程管理方式靈活,便于操作,保留了全自動計算機閉環控制系統中的全部報警功能[5],具有自動測溫、顯示簡潔、存儲過程數據完整、報警實時的特點,大大降低了試驗員的勞動強度,提高了試驗溫度的準確性;所設計的人工隨機抽查/保存測溫數據功能,在故障排查、驗證溫度示值準確性和每年一次的溫度系統校準中起到重要作用;在試驗中如果出現意外情況,系統還允許暫停/重新啟動試驗,事件在試驗記錄中保存而試驗數據連續記錄,這些使得自動化管理系統由計算機“一言堂”變為人機共同管理的格局,保證試驗過程數據更完整、有效,為試驗結果的分析提供更有力的依據。由此得到試驗員和試驗委托方的認可和贊賞。

5 結束語

本文所述的高溫持久/蠕變測控溫及試驗管理系統,它選擇了具有監督機制的測控溫系統分開方式(不包含熱電偶),搭建出一個長時可靠、穩定、準確、快捷、適用的持久/蠕變測控溫及試驗過程管理系統。使得各高溫爐內試樣溫度調節迅速、控溫準確;溫度測量數據準確、各試驗機溫度數據和試驗過程的記錄完整,從而為測定金屬試樣不高于1200℃的恒定溫度和恒定拉伸負荷作用下的高溫拉伸持久強度和蠕變性能,為材料研究、結構設計提供了更可靠的測試數據,且數據可追溯性也大大提高。近年來,該試驗室在新增大量高溫持久/蠕變試驗機時,本系統又推廣應用到了那些試驗機的高溫系統中,它不失為長年連續試驗且試驗種類復雜而繁多的大規模試驗室的一種可推廣方案。

[1] HB5151—96,金屬高溫拉伸蠕變試驗方法[S].

[2] HB5150—96,金屬高溫拉伸持久試驗方法[S].

[3] 馮全,黃新躍,譚衛東.蠕變/持久試驗機的全數字式計算機閉環控制試驗系統[J].材料工程,2003,(8):36-38.

[4] 緒方勝彥.現代控制工程[M].北京:科學出版社,1978.4.

[5] 汪笑梅,樂吉剛,包宜佳.集散型控制系統在大型汽輪發電機轉子試驗監控中的應用[J].測控技術,2000,19:39-40.

[6] 袁希光.傳感器技術手冊[M].北京:國防工業出版社,1986.801.

A Temperature Measuring/Controlling and Experimental Management System for Stress-rupture/Creep Test Machines

FENG Quan,ZHAO Di,HUANG Xin-yue,ZHAN G Zhi-hua,WANG Liang,ZHANG Yan-ming
(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

This paper describes a temperature measuring and controlling system for hundred old creep testing machines,which have been used around 50 years.The unique design strategy of the developed system is to use independent control and measurement equipments.Under the controlling of the developed system the temperature gradient on specimen is stable even if the specimen length varies,in which case the thermocouple number is different.An effective filtering policy is used so that the temperature measuring and controlling system is not sensitive to the power surges.And the controlling system itself does not make current surges to the power system.The accuracy of the measuring system is less than±0.1%full scale.The measuring system monitors the temperatures in groups of 30 creep test machines.A computer management software is programmed to scan and record the temperatures of each test machines.The friendly interface of the software allows easy operation and creep testing automation.The temperature measuring and controlling system has been running for about 10 years reliably.A great amount of testing works have been carried out by these testing machines equipped with the developed temperature measuring/controlling system.

rupture/creep;measuring/controlling separately;loop-locked control

TP273;TG113.25

A

1001-4381(2011)07-0070-05

2011-02-15;

2011-05-30

馮全(1956-),女,工程師,從事計算機在試驗設備中的應用開發維護,聯系地址:北京81信箱23分箱(100095),E-mail:quan.feng@biam.ac.cn