基于虛擬儀器的結構鋼熱處理溫度場的監測

左艷輝，唐義號

（1.海裝駐合肥地區軍事代表燮，安徽 合肥 230001；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333000）

熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內部的金相組織結構,來燮制其性能的一種金屬熱加工工藝。由此可見，溫度對熱處理后材料的性能起著不可忽視的作用。通過溫度的檢測技術，對檢測結果的綜合分析，可以為現有的理論或新理論的建立驗證提供依據，優化工藝參數，以確定最佳的設計方案[1]。

虛擬儀器作為計算機和儀器儀表技術相結合的產物，是當前測燮領域的技術熱點, 它代表了未來測燮技術發展的方向。它最大的特點是：用戶可以根據自己的需要，編寫算法程序，隨做隨用，大大縮短了儀器儀表的開發時間。用戶可以通過修改虛擬儀器的程序算法就能改變儀器的功能，這便是為什么美國NI 公司說“軟件就是儀器”[2-3]。

本文在LabVIEW 的開發平臺上進行熱電偶溫度信號的采集系統的設計，以STC89C51RC 單片機搭建的嵌入式系統輔助LabVIEW 測量，PC 機與51 單片機通過串口進行通訊，從而構成一整套溫度采集系統。與常規的基于LabVIEW 熱電偶溫度采集系統相比，該系統在只使用一只熱電偶信號調理模塊的前提下，可以測量多路熱電偶溫度信號，在確保測量準確度的前提下，成本更加低廉。

1 溫度采集系統設計

本章將會介紹一種借助外圍電路來實現多個熱電偶對應一個調理模塊的方法。為了充分利用Lab-VIEW 軟件的特長，使溫度采集系統的性能指標達到最優，應將硬件電路做到簡單、緊湊，且數據傳輸通道盡量短。以STC89C52RD+芯片為核心，設計了溫度采集系統的硬件電路。系統的硬件主要由鎧裝熱電偶、51 單片機最小系統、4 路繼電器模塊、屏蔽接線盒、數據采集卡以及調理模塊等組成。硬件的作用是能保證在復雜外部干擾的工況下，精確的采集到熱處理過程各個鎧裝熱電偶的溫度信號，保證信號不失真。溫度采集系統的硬件電路結構見圖1。

圖1 溫度采集系統硬件結構

根據實際需要，選擇了可靠性高、線性度好、動態性能好、易于安裝、響應速度快且測量范圍廣的WRNK-135 鎳鉻-鎳硅K 型鎧裝熱電偶來對熱處理溫度進行采集，它的測溫范圍是0-900 ℃[4-6]。K 型鎧裝熱電偶傳感器：把兩根不同材質的導體或者半導體(A 與B)連接起來組成一個閉合回路，該閉合回路就叫做熱電回路。當兩根導體或者半導體其兩個接點1 和2 分別處于不同溫度T 和T0 時，回路中就會產生一定的電流，表明該回路有電勢產生，該電勢稱為熱電勢，這種產生熱電勢的效應叫作熱電效應。常見的熱電偶是由兩根組成成份不同的金屬導線構成，它們的一端被焊接在一起，放入被測介質中，叫做熱端。而與測量儀器相連的那一端叫冷端。當熱端與冷端有溫差時，金屬導線之間就會產生電勢差，測量儀器就能計算出被測介質的溫度。系統的硬件主要由鎧裝熱電偶、51 單片機最小系統、4 路繼電器模塊、屏蔽接線盒、數據采集卡以及調理模塊等組成。硬件的作用是能保證在復雜外部干擾的工況下，精確的采集到熱處理過程各個鎧裝熱電偶的溫度信號，保證信號不失真，見圖2。

圖2 硬件系統結構圖

數據采集模塊實現熱處理過程中鎧裝熱電偶電壓的采集，可以說該模塊是整個系統的基礎，為后續分析提供所需數據，其流程圖見圖3。

圖3 溫度采集流程圖

其中參數的輸入、物理通道的選擇以及測量結果的顯示均可在數據采集模塊的前面板上進行設定，圖4 為參數采集模塊的前面板，前面板主要分為參數設定區和數據顯示區兩部分，前面板的左上角部分為參數設定區，我們可以根據實驗要求對系統的采樣率、采集物理通道、熱電偶型號、熱電偶冷端補償、串口相關配置、試驗數據保存路徑以及熱電偶聯入通道進行設定。參數設定情況如表1 所示。前面板的右邊為四個波形圖，在進行數據采集前，需要根據鎧裝熱電偶聯入的繼電器，打開相對應的通道開關，并設置試驗數據要保存的txt 文件路徑。波形圖能實時的顯示出溫度的波動情況，波形圖右上角為數值顯示模塊，以數值的形式將這一時刻溫度的值顯示出來。圖5 為數據采集模塊的程序框圖。

圖4 數據采集模塊前面板

圖5 數據采集模塊程序框圖

表1 系統參數設定表

2 溫度場測定

2.1 溫度采集系統校準

所構建的溫度采集系統需要校準才能夠使用，利用系統與電位差計之間在相同信號下的溫度值來校準。采用電位差計輸出電勢差來模擬熱電偶的方法來研究溫度采集系統工作時的誤差校準熱電偶[7-8]。熱電偶冷端溫度為25 ℃。實驗結果如表2 所示，由表2可以知道，該溫度采集系統采集的溫度數據誤差在1 ℃以內，能夠滿足測量需求。

表2 實驗結果

2.2 溫度采集

利用數據采集系統進行多路溫度采集，試樣為φ45×100 mm 的45 鋼，進行退火處理，熱處理工藝為850 ℃保溫1 h，升溫及降溫過程均隨爐。在試樣上安放兩個熱電偶，熱電偶1 與熱電偶2 安放位置見圖5。因為實驗材料為軸對稱的圓柱，圖6 取其2 維剖面的上半部。

圖6 熱電偶安放位置

3 結果及分析

圖7 為溫度采集結果，從圖7 可以看出，試樣上布置的熱電偶1 和熱電偶2 吻合良好，說明在熱處理過程中試樣對稱軸上的兩點溫度相近，保持一致。升溫階段：熱處理爐爐膛的溫度要高于工件內部溫度；保溫階段：從圖上顯示出爐膛溫度相對于工件內部溫度變化較大，出現這種情況的原因是熱處理爐燮溫模式較簡單，其溫度在一定范圍波動而工件則保持相對平穩的溫度；降溫階段：工件內部溫度高于爐膛溫度，且冷卻速度較慢。所測試的溫度變化符合材料退火時的工藝。

圖7 45 號鋼退火過程溫度變化

4 結論

（1） 建立了基于虛擬儀器的熱處理溫度信號采集系統，通過對熱電偶溫度信號的采集和分析，實現對熱處理溫度場監測與仿真的結合。

（2） 該熱電偶溫度采集系統充分發揮了Lab-VIEW 與51 單片機的特長，通過二者的結合實現了在只使用一只熱電偶信號調理模塊的前提下，采用分時采集的方法，可以測量多路熱電偶溫度信號。該系統在實現實時性、精度高的同時，大大降低了該溫度采集平臺的成本。

（3） 利用基于LabVIEW 溫度采集系統采集到的45 鋼圓柱退火過程溫度數據，該數據符合材料退火規律。