基于熱絲法的保護渣析晶實驗設備的設計*

史 濤，劉 方，任紅格

(華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山063000)

連鑄保護渣是添加在鋼液表面幫助正常澆鑄的粉料，其主要作用有防止鋼液二次氧化、絕熱保溫、吸收非金屬夾雜物、改善結晶器傳熱以及潤滑鑄坯的作用，保護渣的選擇對實際生產的順利進行、鑄坯表面質量以及皮下質量將產生巨大的影響，其在連鑄過程中的作用是至關重要的。 連鑄保護渣的融化溫度和融化速度必須可控，熔渣層的厚度、渣膜的形成與融化溫度和速度息息相關。

保護渣的融化速度太慢或者融化溫度過高，會減小熔渣層的厚度，這樣就難以形成均勻的渣膜，從而導致了保護渣對鑄坯的傳熱不良情況。 如果融化速度太快或者融化溫度太低，就會出現熔渣層厚度變大，粉渣層及燒結層厚度減小，影響了保護渣的絕熱保溫性能，造成鋼液容易被氧化，出現鑄坯表面產生橫向裂紋等缺陷[1]。

保護渣的析晶過程研究是至關重要的。 傳統的方法如顯微鏡半球法，驟冷淬火法等[2]，這些方法所用的實驗設備成本都是十分高的。 而目前現有的一些設備存在控溫效果差、升溫和降溫速度慢以及溫度控制系統存在超前和滯后的問題。 本文采用的基于熱絲法的自研改進設備擁有廉價、體積小、操作簡單、升溫和降溫速度快、恒溫誤差小、實時性強等優點。 目前已有的一些設備更是存在溫度控制不精確，設定溫度達不到，電路設計復雜，實驗過程耗費時間等各種問題。 本設備針對以上問題做出了大量的改進，設計的電路解決了以上的問題。 本設備最大的優勢在于可以觀測不同速率下保護渣融化和結晶的全部過程，并且實驗室做出了大量的實驗，設備穩定性高，整體性能表現優秀。

1 系統的結構

該系統由熱電偶、熱電偶信號采集和加熱轉化電路、信號放大電路、AD 采集電路、底層控制電路、顯微鏡和攝像機等組成。 系統總結構如圖1 所示。

圖1 系統結構總圖

整個系統外接一根220 V AC 的電源線到開關電源上，然后開關電源輸出的電壓經過穩壓電路，將轉換后的電壓分別給儀表放大器的正電源供電、放大器的負電源供電以及主控芯片和串口的供電。 此結構中有一個熱電偶信號采集和加熱轉換電路，通過此轉換電路可以使熱電偶既是加熱元件又是測量元件[4]。系統以5 ms 為1 個工作周期，其中4 ms 為熱電偶加熱周期，1 ms 為熱電偶信號采集周期，通過圖1 的控制電路輸出PWM 信號來切換轉換電路。 當轉換電路為加熱電路時，此時把熱電偶當作加熱元件，MOS管處于導通狀態，熱電偶的負極相當于與電源負極連接在一起，熱電偶的正極與電源的正極連接在一起。當轉換電路為信號采集電路時，系統采集此刻熱電偶的熱電勢信號，然后通過信號放大電路和AD 采集電路，最后將熱電勢信號輸入到控制電路中，由主控芯片的ADC 將熱電勢信號轉換成數字信號以用來處理。 主控芯片通過相應的算法處理，將熱電勢信號轉換成實際的溫度值，再計算出實際溫度值與設定的溫度值的偏差，通過PID 調節的方式，最后輸出PWM信號[5]，以控制熱電偶的加熱。 整個系統的實際工作環境示意圖如圖2 所示，可以看到該系統工作所需的環境極為簡便，成本較低。

計算機使用自主研發的上位機軟件，該軟件使用VB 語言編程，上位機界面如圖3 所示。

圖2 系統工作示意圖

圖3 系統上位機軟件

在該軟件上面可以看到熱電偶加熱時間、加熱速度、加熱溫度、設定溫度和加熱曲線等[6]，還可以設置熱電偶設定溫度、升溫和降溫速率以及恒溫的時間。 在上位機設置好參數之后，參數以串口通信的方式傳遞到下位機，即可開始進行實驗。

2 系統的硬件電路設計

2.1 熱電偶的轉換電路設計

系統通過熱電偶信號采集和加熱轉換電路，來使得讓熱電偶既可以當測量元件又可以當作加熱元件。 該電路由三個電阻、一個MOS 管、一個三極管、熱電偶、一個輸出+5 V、40 A 的開關電源、主控芯片的一路PWM 輸出以及穩壓電路輸出的+3.3 V 和+12 V 所構成，熱電偶轉換電路示意如圖4 所示。

圖4 熱電偶轉換電路示意圖

此電路中R7為基極電阻，R5為上拉電阻，R6為集電極分壓電阻。 當主控芯片輸入PWM 控制信號為低電平時，此時三極管Q2的基極是0 V，三極管處于截止狀態，Q2的集電極是12 V，MOS 管Q1的G 端也是12 V，MOS 管導通，熱電偶的正極為+5 V，負極相當于與GND 短接在一起，是0 V，此時電路屬于熱電偶加熱階段。 熱電偶加熱的等效示意如圖5 所示。

圖5 熱電偶加熱等效示意圖

當熱電偶處于信號采集狀態時，此時主控芯片輸入高電平，三極管Q2的基極產生電流，從而Q2處于導通狀態，由于電阻R6的分壓作用下，此時相當于Q2的集電極與GND 端短接在一起，Q2的集電極電壓[7]為0 V。 此時MOS 管Q1的G 端也是0 V，MOS 管處于截止狀態，熱電偶的正負極都產生+5 V的共模電壓，此時電路屬于熱電偶信號采集階段。熱電偶信號采集等效示意如圖6 所示。

圖6 熱電偶信號采集階段等效示意圖

2.2 熱電偶的信號放大電路設計

信號放大電路的信號放大器采用的是ADI 公司的AD8221 儀表放大器芯片，此芯片價格低廉，性能優秀，低失調電壓、低增益漂移、高增益精度以及高共模抑制比。 此放大器僅通過一個外部電阻即可設置增益，增益范圍為1 至1 000，其增益與電阻直接的公式如圖7 所示，其中G 為增益，RG 為增益電阻。

當熱電偶轉換電路為信號采集電路時，此時熱電偶的正負極都有一個+5 V 的共模電壓，滿足了放大器對輸入偏置電壓的設置。 在此信號放大電路中，采用了差分放大電路，其有很好的電氣對稱性，對共模信號和噪聲有很強的抑制作用，信號放大器所放大的信號為輸入端正極的電壓減去負極的電壓[8]。 信號放大電路的示意圖如圖8 所示。

圖8 信號放大電路示意圖

R1和R4為輸入限流電阻，防止輸入電流過大，從而損壞儀表放大器芯片。 R1，R4和C3組成了RC低通濾波電路，可以有效地濾除高頻噪聲。 R3為增益電阻，電容C1的作用是為了去除電源的高頻噪聲，使得放大器正極電壓更加穩定[9]。 基準電壓引腳REF 直接接到GND，放大后的信號最終從7 腳輸出。

2.3 AD 采集電路設計

經過放大后的熱電勢信號經過ADC 采集電路最終由主控芯片自帶的ADC 采集得到，AD 采集電路示意圖如圖9 所示。

圖9 AD 采集電路示意圖

AD 采集電路中，電阻R2有三個作用，一是當作限流電阻，防止輸出電流過大燒壞主控芯片；二是與二極管VD1 和VD2 組成鉗位電路，防止放大器的輸出電壓過大而超過ADC 采集電壓的上限，從而損壞主控芯片；三是與電容C2組成RC 低通濾波電路，濾除高頻干擾，使得AD 輸出電壓更加的穩定[10]。 當熱電偶轉換電路屬于加熱電路時，信號放大器的正極輸入為+5 V，負極輸入為0 V，這時候的差分輸入電壓不是熱電偶的熱電勢信號，屬于異常信號，AD 采集電路的放大信號輸入大于5 V，此時VD1 截止，VD2 導通，經過R2電阻的分壓，以及利用二極管VD2 的特性，將最終的AD 輸出電壓鉗制在3.5 V 左右。 當放大電路的差分輸入電壓為負電壓時，若經過放大后的輸出電壓小于-0.2 V，則VD1導通，VD2 截止，經過R2電阻的分壓后，將最終的AD 輸出電壓鉗制在-0.2 V 左右。 通過此電路，可以使得AD 輸出電壓鉗制在-0.2 V 至3.5 V 之間，有效避免了輸出電壓過高或過低而損壞主控芯片[11]。 整個硬件電路設計總圖如圖10 所示。

圖10 硬件電路設計總圖

3 系統的軟件設計

本文實驗用的是B 型熱電偶，B 型熱電偶最高短期工作溫度可達1 800 ℃，這就意味著有1 800 個熱電動勢與其相對應，如果要將溫度與電動勢一一對應，勢必在算法編程上面增加很大的工作量，同時熱電偶的溫度與熱電勢之間的關系是非線性的，并且溫度與熱電勢之間的關系是采用分度表體現的，它無法準確地用數學式來表達，也很難擬合出一個很好的函數表達式[12]。 為了解決這個問題，同時保證結果的準確性，本文采用了線性插值的方法，其在200 ℃以上輸出精度達到了正負1 度。 我們將熱電偶溫度與熱電勢的離散點圖繪制出來，并且將離散點連接起來，假設其是圖11 中φ(x)的函數關系，其中橫坐標是溫度，縱坐標是熱電動勢。

我們定義x0≤t1≤t2≤t3≤…≤tn≤x1，其中t1，t2，t3，…，tn稱為插值節點，n ≤1 800。 且已知道φ(t1)，φ(t2)，φ(t3)，…，φ(tn)的值，這樣我們就可以近似地把一條曲線看成n+1 條直線段了[13]。 把任意兩相鄰的點連接起來，得到一條直線方程f(t)，如圖12 所示， f(t)可以近似地代替原函數φ(x)。

我們已經知道了坐標A(t0， f(t0))和坐標C(t1， f(t1))，假設B(t， f(t))是經過直線上的一點，而兩點式的直線方程如下:

圖11 溫度與熱電勢的函數關系

圖12 相鄰兩點之間的直線方程

上式經過變換之后可得:

式中:Temp為實際從熱電勢轉換得到的溫度值，T(i)是熱電偶溫度的數組集，V(i)是熱電偶熱電動勢的數組集，VHot是實際采集到的熱電勢信號[14]。

在實際編程中，計算程序框圖如圖13 所示。

圖13 熱電偶-溫度轉換計算框圖

4 實驗結果與分析

為了驗證設備的有效性，本文選取型號為SIN-703 的手持式信號發生器當做信號源來驗證測量溫度的準確性，以及進行真實實驗對設備升溫和降溫的功能性進行驗證。

圖14 氯化鈣融化圖

圖15 硫酸鉀融化圖

圖16 氟化鈣融化圖

圖17 氯化鈣升降溫曲線圖

圖18 硫酸鉀升降溫曲線圖

圖19 氟化鈣升降溫曲線圖

表1 實驗測定結果

為了驗證溫度測量的準確性，我們首先使用了信號發生器進行檢驗，在該設備上選擇B 型熱電偶信號，然后輸出不同的“溫度值”即可以輸出對應的熱電勢信號。 我們從信號發生器上200 ℃開始每隔20 ℃輸出一個熱電勢信號，直到1 540 ℃為止，一共輸出68 個不同溫度值對應的熱電勢信號。 然后該信號經過圖13 的計算流程后，會將其轉換成實際的溫度值，我們記錄最終轉換的溫度輸出值，然后與相應的輸入溫度值做比較，計算溫度的誤差。 熱電偶各溫度測量誤差如圖20 所示，從中我們可以看到溫度測量的最大誤差在8 ℃之內，大多數的溫度測量誤差在6 ℃之內。

圖20 熱電偶溫度測量誤差圖

接下來我們進行真實的實驗來驗證，分別以不同的升溫和降溫速率對每類樣品進行3 次實驗，圖14～圖16 展示的是三種樣品在實驗中的融化狀態。實驗所測得的數據如表1 所示，從表中我們可以看到樣品的平均熔點溫度與標準熔點溫度誤差在10℃之內。 圖17～圖19 中，虛線是樣品的實際溫度，實線是樣品的設定溫度，在對樣品進行實驗的時候，樣品的實際溫度與設定溫度之間幾乎不存在超前與滯后的情況，各種速率下的樣品升溫和降溫皆滿足實驗的要求。

5 結論

本文針對傳統研究保護渣析晶過程的設備的價格昂貴和現有一些設備溫度控制效果差的不足，提出了一種利用熱絲法設計的廉價高效的改良設備。 該設備利用三極管和MOS 管以及電阻設計了轉換電路，因為轉換周期很短的原因，可以看作熱電偶信號采集和加熱的工作是在同步進行。 為了保證溫度測量的準確性以及控溫效果的穩定性，在硬件電路上加入了濾波，在算法上采用了軟件濾波，最后通過信號發生器以及真實的實驗驗證了該設備的有效性。