螺壓工藝藥料溫度測試系統(tǒng)

林 強，裴東興，張 瑜，于文松

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051;2.國營第二四七廠，山西 太原 030051)

0 引 言

研究螺壓工藝中藥料熔融狀態(tài)的溫度變化規(guī)律，對于生產(chǎn)效率和安全有重要的意義。螺壓過程是利用螺桿輸送，并在輸送過程中實現(xiàn)藥料的塑化。根據(jù)藥料的變化特征可將螺桿分為喂料段、過渡段和均化段[1]。

特別是均化段的溫度要嚴(yán)格控制，溫度過高會使藥料發(fā)生燃燒甚至爆炸，溫度過低會使藥料線性流動性變差，無法塑化成型導(dǎo)致產(chǎn)量降低。整個過程中藥料處于熔融態(tài)，直接測試容易損壞傳感器。

目前國內(nèi)測試溫度多用熱電阻作為測溫元件，在表面直接測試不能接觸到熔融態(tài)的物料，具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、較易制作、測溫范圍較寬等優(yōu)點，但其測得的溫度記錄曲線波動頻繁，成不規(guī)則鋸齒狀，斷線頻繁，溫度補償偏差大。在此類傳感器測溫技術(shù)上又發(fā)展有外推法測溫，在被測對象測溫部位開一個盲孔，將傳感器安裝在距被測點內(nèi)壁一定距離處，測取該處溫度，但該方法仍然存在溫度場畸變所導(dǎo)致的誤差。還有使用非接觸式測溫法，但紅外熱成像在復(fù)雜機械內(nèi)部溫度測量的領(lǐng)域仍為研究階段，理論上可以測得成型過程物料溫度場完成變化圖，但其測試受測量距離、環(huán)境水氣、煙塵等外界因素影響較為嚴(yán)重，仍有許多難題需要克服。

針對以上問題，本文在機體內(nèi)壁安裝傳感器，采用接觸式測溫技術(shù)，傳感器直接接觸到熔融態(tài)藥料，可以更加精確地測試出藥料溫度。同時采用集成溫度傳感器補償法可以使系統(tǒng)體積更小、可靠性更高。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計

1.1 被測信號分析

在正常情況下，據(jù)資料記載機體溫度為60～80 ℃，螺桿溫度 65～85 ℃，前錐、后錐溫度 65～85 ℃，成型體 65～85 ℃，針及針架 60～80 ℃，溫度變化緩慢需要長時間精確測試。螺桿的轉(zhuǎn)速調(diào)整至4 r/min時，機頭壓力約為18 MPa，機體內(nèi)藥料處于熔融態(tài)，屬于惡劣環(huán)境。研究表明，在諸多的工藝溫度中，影響螺壓機產(chǎn)量的主要因素是機體溫度。機體溫度的適當(dāng)降低，實際上增加了藥料與機體的摩擦系數(shù)，有利于提高產(chǎn)量，故本系統(tǒng)選擇在機體處進行溫度測試。

測試難度主要有以下2個因素：

1）藥料由固體顆粒逐漸塑化成熔融態(tài)，流動性增加。熔融藥料擠壓時間較長，同時還可能伴隨以藥料組分的揮發(fā)和熱分解，如果不控制好溫度，可能導(dǎo)致燃燒或爆炸。

2）螺壓機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機體比較厚，處于高壓環(huán)境，傳感器難以接觸內(nèi)部并且易受到剪切力的損壞。

針對以上問題，為了使測試結(jié)果更加精準(zhǔn)，專門設(shè)計了一套供測試使用的螺壓機機體，機體的前錐體與卡環(huán)之間有打好的孔可以安裝傳感器，并研制了接觸式測溫系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)具有測試時間長、存儲容量大、精確度高等優(yōu)點，滿足對高溫下熔融態(tài)藥料溫度的直接測定。

1.2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該測試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。本文熱電偶選用了鎳鉻-鎳硅熱電偶，響應(yīng)速度快，測量范圍–50～200 ℃，允許誤差±0.4 ℃，實現(xiàn)被測信號的采集[3-4]。熱電偶輸出的電壓值通過放大濾波和冷結(jié)補償，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)槎M制數(shù)字量，存儲到內(nèi)部Flash內(nèi)。

Flash容量為1 Gb，單通道測試時間長達(dá)64 h，多點測試多通道采集也完全滿足測試要求。為了實現(xiàn)長時間的測試，系統(tǒng)功耗必須嚴(yán)格控制。整個電路的電源工作狀態(tài)都由電源管理模塊控制，當(dāng)測試系統(tǒng)開機后只有電源管理電路工作，系統(tǒng)功耗極低。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后及時關(guān)閉信號調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以使系統(tǒng)功耗降低90%[5-6]。熱電偶在高壓剪切力下極易損壞無法使用，故對其使用環(huán)氧膠灌封在頂端形成一個水平面，再安裝螺紋直接連接到機體，敏感頭可以直接接觸到被測物體表面，并可有效防止傳感器損壞。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

為了使系統(tǒng)的體積小、可靠性高，選用集成溫度傳感器補償法。AD8497專為測量和放大K型熱電偶信號而優(yōu)化，輸出是一個與熱電偶測量結(jié)溫（TMJ）成正比的電壓,由傳遞函數(shù)導(dǎo)出輸出電壓為

其中UREF為用戶輸入電壓。

熱電偶信號非常小，必須經(jīng)過相當(dāng)大的增益放大后才能被大部分ADC適當(dāng)采樣。AD8497內(nèi)置一個固定增益的儀表放大器，能夠針對K型熱電偶產(chǎn)生5 mV/℃的輸出電壓。測量范圍–25～295 ℃，環(huán)境溫度范圍–25～100 ℃[7]。

系統(tǒng)控制電路采用CPLD與單片機組成雙控制器，負(fù)責(zé)對電源管理的通斷電操作、系統(tǒng)工作模式的觸發(fā)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)讀寫與擦除以及與上位機通信的控制?？梢詫崿F(xiàn)閃存的快速讀寫，進而實現(xiàn)較高的采樣頻率。覆蓋之前對Flash擦除操作時，采集的數(shù)據(jù)可以存儲到單片機內(nèi)部的Flash單元，降低了系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)長時間采集并記錄數(shù)據(jù)，電路還采用多通道設(shè)計可實現(xiàn)多點同時測試互不干擾。

1.3 測試系統(tǒng)狀態(tài)圖

對于復(fù)雜的系統(tǒng)，為了使設(shè)計過程簡單化，本文建立“狀態(tài)圖”的設(shè)計概念[8]。根據(jù)狀態(tài)設(shè)計方法把測試過程分解為不同的工作狀態(tài)，可以對整個系統(tǒng)的工作過程和功能實現(xiàn)過程更加直觀地分析，檢驗測試系統(tǒng)是否完全滿足技術(shù)要求及狀態(tài)的轉(zhuǎn)換能否實現(xiàn)、是否滿足實用性與低成本的要求等。本測試系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2 測試系統(tǒng)的標(biāo)定

熱電偶利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電動勢的變化[9]。不同熱電偶輸出的電動勢與溫度之間的關(guān)系也有差別，這就需要在測試之前對測試系統(tǒng)進行標(biāo)定。

1）標(biāo)定方法

用傳感器在模擬環(huán)境下測試一系列的溫度，將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計和熱電偶傳感器同時放入恒溫槽中，等恒溫槽中的水銀溫度計示數(shù)穩(wěn)定后，用放大鏡讀取溫度計數(shù)值并記錄，再從上位機得到一系列A/D輸出的數(shù)字量，最后用最小二乘法擬合出傳感器的靈敏度[10]。

2）標(biāo)定數(shù)據(jù)

本文利用最小二乘法對測試系統(tǒng)進行標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)

將表中數(shù)據(jù)經(jīng)過最小二乘法直線得到擬合方程為：y=0.087 24x–189.76，靈敏度為 0.087 24 bit/℃，截距為–189.76，擬合絕對系數(shù)R2=0.998 9。系統(tǒng)擬合直線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)擬合直線圖

由圖可知，標(biāo)定后的曲線能比較明顯地反映出熱電偶有良好的線性度，得出的標(biāo)定數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表相差不大，從這兩點上看使用熱電偶測試性能是可靠的。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 測點的選擇

采用接觸式測溫方案，熱電偶安裝在盛裝藥料的螺壓機機體內(nèi)壁光滑的孔內(nèi)，使傳感器直接接觸到熔融態(tài)的藥料。安裝時傳感器頂部螺紋處應(yīng)有銅制墊圈保護，并保持傳感器頂部與機體內(nèi)壁水平防止傳感器被剪切應(yīng)力損壞。電路系統(tǒng)采用微體積設(shè)計和抗干擾設(shè)計，設(shè)計調(diào)理電路消除干擾信號，同時對系統(tǒng)外部保護殼體進行幾何設(shè)計，對硬件電路中的數(shù)字電路部分與模擬部分進行隔離，減少系統(tǒng)本身干擾信號產(chǎn)生的可能性。

3.2 數(shù)據(jù)分析

安裝好機體與測試系統(tǒng)，對螺壓過程中熔融態(tài)物料溫度進行實測，測試數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到溫度與時間變化圖，如圖4所示。

圖4 機體溫度變化曲線

以上數(shù)據(jù)測得的是螺壓機對雙基藥擠壓成型時溫度隨時間變化的過程，測試時間為1 h，采樣頻率為1.2 kHz。系統(tǒng)存儲容量大、記錄時間長，信號調(diào)理電路對信號進行了有效濾波使得噪聲降低。由圖可知，溫度記錄曲線波動小、無斷線，采用集成溫度補償法不但減小了系統(tǒng)體積還使測試更加精準(zhǔn)。從上述結(jié)果可以看出，螺壓機前期溫度一直在上升，在25 min以后溫度逐漸趨于穩(wěn)定并維持在72 ℃左右。由于雙基藥料具有燃燒爆炸的性質(zhì)，所以要防止局部溫度過高引起藥料分解，防止撞擊、摩擦以避免引起火花而發(fā)生燃燒爆炸事故[11]。此次測試螺桿轉(zhuǎn)速為12～15 r/min，溫度正常，對調(diào)整到合適的轉(zhuǎn)速，使藥料間留有合適的間隙有一定意義。

4 結(jié)束語

通過對螺旋壓伸成型工藝中熔融態(tài)藥料溫度的測試，驗證了該系統(tǒng)和傳感器對熔融態(tài)物質(zhì)溫度測試研究的科學(xué)性，同時對傳感器進行了標(biāo)定，準(zhǔn)確計算出了藥料的溫度。測試結(jié)果表明在誤差允許的范圍內(nèi)，該測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，論證了該系統(tǒng)對熔融態(tài)物質(zhì)溫度直接測試的可行性。針對擠壓過程中藥料著火率較高，對調(diào)節(jié)加料速度和螺桿轉(zhuǎn)速從而降低著火率有指導(dǎo)意義，并且此系統(tǒng)成本低廉操作簡便，對生產(chǎn)安全和螺壓機工藝結(jié)構(gòu)的改進有一定的參考價值。