蒸化機內溫度測量系統的研制

楊承帥，李 佳，孟 凱.，陳慶官

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215021；2.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

蒸化機內溫度測量系統的研制

楊承帥1，李 佳2，孟 凱1.2，陳慶官1

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215021；2.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123)

介紹了一套自行研制的能耐蒸化機內化學蒸汽腐蝕的多通道溫度測量系統，其主要由經316不銹鋼封裝的K型熱電偶、多通道溫度采集模塊，以及基于LabVIEW編寫的溫度采集程序組成。經過對比試驗發現，未封裝的熱電偶受酸堿性蒸汽的影響較大，經70 h酸性蒸汽堿性蒸汽熏蒸后，未封裝熱電偶測溫誤差達1.7 ℃，而封裝后的熱電偶經過同樣條件的蒸汽熏蒸后，測溫誤差僅為0.4 ℃。試驗結果表明，該系統可應用于蒸化機內高溫高濕化學蒸汽的多點溫度測量。

蒸化機；溫度測量；LabVIEW

蒸化是印花后處理的重要環節，其作用是使色漿中的染料經汽蒸向纖維內部轉移并固著，它的效果直接影響到織物印花后的色澤鮮艷度和花型輪廓的清晰度。溫度是影響蒸化效果的主要因素之一，它隨著纖維、染料的不同有一定的變化。因此，準確測量并控制蒸化機內的溫度，是保證印花質量的必要條件。

有些早期的蒸化機不具備溫度測量和調節裝置，只能生產一些低檔產品[1]。目前國內外生產的蒸化機雖然都具有溫度測量和調節裝置[2]，但這些集成于蒸化機上的溫度測量裝置只能對蒸汽溫度進行定點測量，不能測量蒸化機內的溫度分布。因此，基于蒸化機內的溫度分布來進行溫度等工藝參數的調節顯然更加合理。孫佳佳等[3]曾用10塊軟尾式溫度計對意大利阿里奧里180蒸化機內的10個不同點進行了溫度測量和分析，在溫度控制方面獲得了具有指導意義的結果，但限于當時條件，應用溫度計作為測量工具還不能得到蒸箱內各點溫度的連續變化情況，測量數據也無法進行存儲、后處理等自動化操作。鑒于此，本研究擬在考慮蒸化機內化學蒸汽對傳感器具有腐蝕性問題的基礎上，研制一套多通道溫度連續測量系統，以實現蒸化機內多點溫度的連續測量，為蒸化工藝中溫度參數的控制提供準確、可靠的數據基礎。

1 系統硬件介紹

1.1 測溫元件

本測量系統選擇K型熱電偶作為測溫元件。熱電偶是一種常用的溫度傳感器，可將溫度信號直接轉換成電信號，具有結構簡單、使用和保養方便、準確度高、測溫范圍廣、種類多、價格低廉等諸多優點[4]。然而，熱電偶耐化學腐蝕性差，如果直接用其測量蒸化機內具有化學腐蝕性的高溫高濕氣體，一段時間后可能會導致測量結果出現較大偏差，甚至是熱電偶的損壞。因此，研制本測量系統時要對熱電偶進行耐腐蝕的封裝處理，使其在測量時與化學腐蝕環境隔離。

圖1是熱電偶封裝后的結構示意圖，其封裝過程如下：

1)把K型熱電偶和KX型熱電偶補償導線連接在一起，放入316不銹鋼保護管(18Cr12NiMo)內，熱電偶與保護管底端留有適當空隙來填充導熱硅脂，以使熱電偶各處受熱均勻。保護管應滿足耐高溫和耐化學腐蝕的條件，并且應具有良好的導熱性。316不銹鋼保護管長100 mm，外徑12 mm，壁厚1.5 mm，最高使用溫度為930 ℃，主要性能特點是耐熱、耐腐蝕性優良[5]。

2)向保護管內加入一定量的導熱硅脂，至完全浸過熱電偶。其主要作用是填充熱電偶與保護管底部及周圍的空隙，使熱電偶能靈敏地感觸外界環境溫度。導熱硅脂選用的是廣東匯瑞膠業有限公司生產的HR327型導熱硅脂，其具有優異的導熱性、穩定性、電絕緣性、耐高溫性，高溫200 ℃條件下不固化、不流淌。

3)將保護管內剩余部分用KD-504A膠黏劑填充，并在保護管上端接出聚四氟乙烯管。KD-504A膠黏劑主要作用：一是密封保護管的上端口，二是固定熱電偶和聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管主要用來保護熱電偶的補償導線，它可以長期在260 ℃下使用，短期可耐溫300 ℃，耐腐蝕，對絕大多數化學藥品和溶劑表現出惰性，幾乎不受任何化學試劑的腐蝕，能耐強酸強堿，能耐強氧化劑的腐蝕[6]。

封裝后，在室溫下放置24 h，待膠黏劑完全固化后即可進行試驗測試。

圖1 熱電偶封裝結構示意Fig.1 Schematic diagram of the packaged thermocouple

1.2 數據采集模塊

本系統采用美國國家儀器公司(National Instruments, NI)的NI cDAQ9172采集卡插槽和NI 9211四通道熱電偶輸入模塊進行溫度數據采集，并遵循以下工作原理。

1.2.1 NI cDAQ9172插槽工作原理

NI cDAQ9172是NI的C系列采集卡插槽，可直接與電腦USB接口連接，進行數據傳送，可同時擴展8個NI 9211模塊，實現多點溫度同時監測和采集，具有即插即用、使用方便、易于擴展、抗干擾能力強等優點。

圖2是NI cDAQ9172的工作原理圖，它由C系列I/O模塊、cDAQ模塊和USB-STC2模塊三部分組成，NI 9211采集卡通過C系列I/O模塊與NI cDAQ9172插槽進行連接，cDAQ模塊負責管理I/O模塊和USB-STC2模塊之間的數據傳遞，USB-STC2模塊通過USB2.0將數據傳送至電腦。

圖2 NI cDAQ9172工作原理Fig.2 Working principle of NI cDAQ9172

1.2.2 NI 9211采集卡工作原理

NI 9211端子連接見圖3，其帶有10↑端子可拆卸式螺栓端子連接器，可連接4個溫度模擬輸出通道。當NI 9211連接熱電偶輸入信號時，熱電偶的正極連接TC+端子，熱電偶的負極連接TC-端子，如果使用屏蔽式電纜，需將屏蔽層一端連至COM端子。

圖3 NI9211端子說明Fig.3 Terminal description of NI 9211

圖4為NI 9211某通道的電路示意圖。TC+、TC-至COM端子間均有10電阻產生的輸入阻抗，在熱電偶測量過程中受到低壓信號和噪聲產生的干擾，將通過該電路對其進行處理和濾波。NI 9211的各通道共地，每個通道帶有一個開路熱電偶檢測(OTD)電路，由TC+和TC-端子間的電流源組成，通道連接開路熱電偶時，電流源將把端子間電壓強制為滿量程電壓值。測量時，每個通道經差分電路濾波和信號放大后，由一個24位的模數轉換器(ADC)對其采樣。

圖4 NI 9211某通道的輸入電路Fig.4 A channel of NI 9211 input circuit

NI 9211中的24位delta-sigma模數轉換器(ADC)的體系結構如圖5所示，它由積分器、比較器和1位數模轉換器(DAC)組成，它們排列在一個負反饋循環中。輸入信號與DAC輸出信號相減后送給積分器，積分器的輸出是一個斜坡信號，該信號的斜率與積分器的輸入信號幅度成正比，積分器輸出與比較器參考信號進行比較，產生0或1，它表示積分的斜坡輸出相對于比較器參考的方向，占據一個字節的位地址。經過多次循環后，所輸出的位流代表輸入信號的量化數值，由數字抽取濾波器對其進行平均后，輸出期望采樣速率下的n位采樣。與其他轉換器技術不同，delta-sigma ADC是自由運行的，也就是說在觸發器條件滿足之前，ADC的輸入信號也持續被采樣。Delta-Sigma ADC將采樣、抽取濾波及量化噪聲整形3項技術結合在一起使用，極大地提高了測試性能、分辨率和抗混疊濾波性能。

圖5 Delta-Sigma ADC體系結構Fig.5 Architecture of Delta-Sigma ADC

2 系統軟件介紹

系統軟件部分采用NI公司研發的圖形化編程語言LabVIEW編寫。主要實現采集過程中相關參數的設置及采集數據的顯示、保存等功能。

圖6是二通道溫度測量系統的程序界面。運行該程序即開始進行溫度測量，溫度值有溫度計和圖像2種顯示方法。溫度計顯示可以直觀地看出實時溫度和各通道溫度之間的差異，而圖像顯示能夠觀測出整個測量過程中的溫度變化趨勢。要終止程序運行單擊停止按鈕，如果需要保存數據，單擊保存按鈕，輸入保存文件的名稱并確定后，指示燈亮，數據開始保存。該程序可根據需要擴展至2個以上更多通道的測量。

圖6 多點溫度測量系統前面板示意Fig.6 Front panel schematic diagram of the multi-point temperature measurement system

圖7是溫度測量系統的程序框圖。該程序框圖除了實現圖5所示界面的各項功能外，還負責對采溫元件類型、采集通道個數、采樣頻率、采樣方式及自動歸零模式等進行控制。本程序中測溫元件選擇K型熱電偶，通道個數選擇2，采樣頻率為3，采樣方式選擇多通道連續單采樣，程序每次運行時會自動開啟歸零模式。

圖7 多點溫度測量系統程序框示意Fig.7 Block diagram of the multi-point temperature measurement system

3 試驗過程與結果分析

3.1 準確性對比試驗

室溫條件下，將未封裝和用316不銹鋼封裝的熱電偶一起放入90 ℃的水浴鍋內，并同步啟動測溫程序，待達到充分穩定狀態后，2個熱電偶的測溫結果如圖8所示，其中曲線A代表未封裝熱電偶的測量結果，曲線B代表用316不銹鋼封裝后的熱電偶的測量結果。

圖8 溫度測量曲線Fig.8 Temperature measurement curve

從圖8可看出,未封裝的熱電偶在放入水浴鍋的瞬間即升溫到85 ℃左右，對溫度感知非常靈敏，在經過近1 000 s的波動期后達到穩定狀態。而用316不銹鋼封裝的熱電偶，則以曲線B的形式緩慢升溫，直到1 000 s附近穩定狀態。顯然，這是由封裝引起的。提取2個熱電偶達到穩定狀態后的具體數值發現，未封裝的熱電偶在90.5 ℃左右，而封裝后的熱電偶在90.3 ℃左右，兩者僅相差0.2 ℃。由此可見，從最終結果的測溫準確性來看，封裝給熱電偶帶來的影響并不大。

3.2 耐酸堿對比試驗

將未封裝的熱電偶和用316不銹鋼封裝的熱電偶同時放入盛有pH1的酸性溶液的錐形瓶中，然后把錐形瓶的瓶口用橡皮泥密封，再把錐形瓶放入水浴鍋內加熱，水浴鍋溫度為90 ℃，每天加熱10 h。下次試驗前，測試錐形瓶中溶液的pH值并調試使其保持為1。試驗一個星期后，再將錐形瓶內的酸性溶液換成pH14的堿性溶液，重復上述步驟繼續試驗一個星期。

上述過程結束后，將2個熱電偶取出再次放入90 ℃的水浴鍋中進行溫度測試。待達到穩定狀態后，提取具體溫度數據(表1)發現，未封裝熱電偶測量的溫度值在88.8 ℃左右，與未經酸堿蒸汽熏蒸時的測量值相差1.7 ℃，與設定溫度值90 ℃相差1.3 ℃?？梢娊涍^70 h酸性蒸汽和70 h堿性蒸汽熏蒸后，未封裝熱電偶的測量準確性有明顯下降。而經過封裝后的熱電偶的溫度值在89.9 ℃左右，與未經蒸汽熏蒸時的測量值90.3 ℃，僅相差0.4 ℃，與設定溫度值90 ℃僅相差0.1 ℃左右。這說明封裝能夠有效阻隔酸堿蒸汽對熱電偶的腐蝕，保證熱電偶的測溫準確性。

表1 酸堿處理后熱電偶測溫值Tab.1 Temperature value of thermocouple after the treatment of acid and alkali

4 結 語

以經316不銹鋼封裝的熱電偶為測溫元件，以NI 9211四通道熱電偶輸入模塊為溫度采集模塊，并基于LabVIEW軟件編寫程序，研制了一套多通道溫度測量系統。通過與未封裝的熱電偶進行測溫對比試驗發現，封裝后的K型熱電偶對溫度的感知靈敏性下降，響應時間延遲，但測量準確性不受長時間酸堿蒸汽熏蒸的影響。試驗結果表明該系統能有效解決蒸化機內高溫化學蒸汽對熱電偶的腐蝕問題，并能實現蒸化機內多點溫度的準確測量。

[1] 孫文鐸.印花蒸化工藝及設備[J].印染，2005，31(5)：32-38.

[2] 閆軍.MH698型長環蒸化機[J].印染，2009，35(13)：39-40，47.

[3] 孫佳佳，李翔.蒸化機溫度場的測試與分析[J].河北紡織，1992(2)：39-43.

[4] 潘圣銘，茆冠華.溫度計量[M].北京：中國計量出版社，1991：149-150.

[5] 張錦霞.熱電偶使用維修與檢定技術問答[M].北京：中國計量出版社，2000：43-44.

[6] 周彬.聚四氟乙烯在儀器儀表上的應用[J].化工生產與技術，2002，9(1)：12-14.

Development of temperature measurement system in rapid steamer

YANG Cheng-shuai1, LI Jia1, MENG Kai1,2, CHEN Qing-guan1
(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

In this paper, a temperature measurement system was developed, it's advantages was lie in the multi point measurement and the corrosion resistance to the chemical vapor in rapid steamer. It consists of K type thermocouples which were packaged by stainless steel, multi-channel temperature acquisition module and temperature acquisition program written by LabVIEW. Vapor temperature was measured by unpackaged thermocouple and packaged thermocouple respectively. The results showed that the measurement accuracy of unpackaged thermocouple was affected significantly by the chemical vapor. Measurement error of 1.7 degree centigrade occurred after 70 hours' application in acid vapor and 70 hours' application in alkaline vapor.However, the measurement error is only 0.4 degree centigrade when using the packaged thermocouple. The result showed that the developed system was suitable for the temperature measurement of chemical vapor in rapid steamer.

Rapid steamer; Temperature measurement; LabVIEW

TS194.36

B

1001-7003(2012)03-0024-04

2011-10-31

楊承帥(1986－ )，男，碩士研究生，研究方向為數字化紡織技術。通訊作者：孟凱，講師，mk2009@suda.edu.cn。