一種加熱爐溫控器的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

1. 前言

在金屬熱處理工藝中，需要使用溫控開(kāi)關(guān)，來(lái)控制加熱的溫度，一般采用溫控開(kāi)關(guān)對(duì)烘箱的溫度進(jìn)行控制，各種溫控開(kāi)關(guān)的工作機(jī)理雖然各不相同，但都能在設(shè)定的溫度點(diǎn)斷開(kāi)或接通電源。隨著對(duì)材料要求的不斷提高，熱處理過(guò)程中對(duì)溫度的控制范圍和頻率響應(yīng)也提出了更高的要求。本系統(tǒng)使用了頻響較高的溫度傳感器，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)瞬態(tài)記錄系統(tǒng)，滿足了使用要求，試驗(yàn)中獲取了較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

2. 原理及系統(tǒng)組成

根據(jù)要求，該計(jì)算機(jī)控制的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)必須能做到：

(1) 一次可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)樣品；
(2) 測(cè)試并保存每個(gè)溫控開(kāi)關(guān)樣品的斷開(kāi)點(diǎn)及恢復(fù)點(diǎn)溫度；
(3) 打印出每一溫控開(kāi)關(guān)樣品的斷開(kāi)點(diǎn)及恢復(fù)點(diǎn)溫度值；
(4) 自動(dòng)控制烘箱的加熱速度。

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理、采集、系統(tǒng)軟件和計(jì)算機(jī)等組成，見(jiàn)圖1。

2.1 工作原理

加熱爐工作時(shí)，傳感器周圍溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器電阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生電信號(hào)。電信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理器調(diào)整后，由采集器將信號(hào)采集，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于傳感器環(huán)境溫度的變化對(duì)應(yīng)著阻值的變化，通過(guò)一定的算法、計(jì)算處理，即可測(cè)出瞬態(tài)溫度。信號(hào)變送器設(shè)有調(diào)零電位器，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)零，可以防止數(shù)據(jù)采集時(shí)系統(tǒng)誤觸發(fā)。

2.2 系統(tǒng)各組成部分說(shuō)明

2.2.1 溫度傳感器

溫度傳感器是以白金為材料。通過(guò)特殊的工藝方法加工而成，響應(yīng)時(shí)間約幾個(gè)毫秒。溫度傳感器工作時(shí)，所需的恒流源由信號(hào)調(diào)理器供給。在一定溫度時(shí)，傳感器兩端為一個(gè)恒定阻值，由于通過(guò)溫度傳感器的電流恒定不變，傳感器輸出為一個(gè)穩(wěn)定的電壓值。當(dāng)溫度在瞬間發(fā)生變化時(shí)，用純金屬加工的溫度傳感器，電阻阻值在瞬間內(nèi)也發(fā)生變化，利用電阻的變化，即可測(cè)出溫度的變化值。

2.2.2 信號(hào)調(diào)理器

信號(hào)調(diào)理器由穩(wěn)壓源、恒流源、放大電路、調(diào)零電路等組成。

信號(hào)調(diào)理器工作時(shí)，先將輸入的電源電壓穩(wěn)壓后，供給恒流源電路。恒流源電路產(chǎn)生不大于10mA恒定的直流電流后供給溫度傳感器。當(dāng)傳感器有電信號(hào)輸出時(shí)，信號(hào)調(diào)理器將傳感器輸出的電信號(hào)，調(diào)整到測(cè)試系統(tǒng)記錄的電壓范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)化成電壓隨溫度的變化，再經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。因每次需要測(cè)量每個(gè)溫控器樣品，而烘箱內(nèi)的溫度分布不均勻，所以設(shè)計(jì)時(shí)將烘箱內(nèi)的被測(cè)樣品按區(qū)劃分。在每個(gè)區(qū)用一個(gè)傳感器測(cè)量該區(qū)的溫度，盡可能地減小由于烘箱內(nèi)溫度分布不均勻而造成的測(cè)量誤差。

信號(hào)調(diào)理器選用PC-6502熱電阻接口板。測(cè)量范圍為-50℃～+1750℃，有八路輸入通道，精度為0.1％，測(cè)量方式為恒流激勵(lì)三線式。

2.2.3 A／D轉(zhuǎn)換器

信號(hào)調(diào)理器轉(zhuǎn)換輸出的隨溫度變化的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)由計(jì)算機(jī)采集及處理。為了保證測(cè)量精度，系統(tǒng)中采用了自行研制的12位A／D轉(zhuǎn)換接口板，以AD574為轉(zhuǎn)換器核心，用LF398作為采樣／保持器。

AD574是快速12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，是由美國(guó)Analog Device公司生產(chǎn)的，它只需外接少量元器件就可獨(dú)立完成A／D轉(zhuǎn)換功能，其控制信號(hào)CE、CS、R／C、12／8、A0等信號(hào)的組合功能如表1。

2.2.4 溫控開(kāi)關(guān)狀態(tài)接口電路

溫控開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)可通過(guò)一組I／O口輸入計(jì)算機(jī)，本系統(tǒng)中采用了可編程的并行I／O接口芯片8255，該芯片具有三個(gè)并行I／O口，可以通過(guò)軟件對(duì)其編程，使A口、B口、C口全部工作在輸入方式，則一片8255可檢測(cè)24只溫控開(kāi)關(guān)，采用八片8255，一次測(cè)試可同時(shí)檢測(cè)多只樣品。每次測(cè)試其通斷狀態(tài)時(shí)，同時(shí)測(cè)試該溫控開(kāi)關(guān)所在區(qū)域的溫度值。

2.2.5 烘箱加熱速度控制

烘箱加熱速度的快慢直接影響到樣品測(cè)試速度及準(zhǔn)確性，一般在同一批次中，溫控開(kāi)關(guān)的通斷點(diǎn)溫度都比較接近。而樣品放人烘箱后，溫度從室溫開(kāi)始，一直到接近樣品斷開(kāi)點(diǎn)溫度時(shí)的加溫過(guò)程中，不會(huì)有溫控開(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以在這一段加熱時(shí)間內(nèi)，可以讓所有電熱絲全部工作，以提高加熱速度，減少測(cè)試時(shí)間，在快接近斷點(diǎn)溫度前及在斷點(diǎn)溫度附近則為了升溫均勻及測(cè)試準(zhǔn)確，采用逐根斷開(kāi)電爐絲的辦法來(lái)減慢加熱速度，待全部檢測(cè)完畢后，所有電爐絲亦已全部斷開(kāi)，則可進(jìn)入自然冷卻階段，開(kāi)始測(cè)試樣品的接通點(diǎn)溫度值。

2.2.6 采集電路

采集電路用于記錄傳感器輸出的電信號(hào)。系統(tǒng)工作時(shí)，模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將信號(hào)調(diào)理器送來(lái)的連續(xù)的多路模擬信號(hào)變?yōu)橐幌盗械拇忻}沖信號(hào)，經(jīng)緩沖放大，送入A／D轉(zhuǎn)換電路。A／D轉(zhuǎn)換器將緩沖放大器送來(lái)的脈沖信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并存入緩沖存貯器中，采集結(jié)束后將信號(hào)由緩沖存貯器調(diào)入計(jì)算機(jī)中，最終將數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)內(nèi)。

3. 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的測(cè)試是通過(guò)測(cè)試軟件控制的，軟件的開(kāi)發(fā)必須做到：

(1) 檢測(cè)并記錄多個(gè)溫控開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)點(diǎn)溫度及恢復(fù)點(diǎn)溫度；
(2) 按區(qū)劃分測(cè)量出八點(diǎn)均勻分布點(diǎn)的溫度，并對(duì)相關(guān)點(diǎn)作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償；
(3) 根據(jù)每批產(chǎn)品的溫度特性，設(shè)定溫度測(cè)定范圍以便對(duì)烘箱的加熱速度進(jìn)行合理控制；
(4) 保存測(cè)試參數(shù)，并隨時(shí)打印出參數(shù)表。

3.1 軟件模塊的設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)包括五個(gè)獨(dú)立的功能模塊。分別為：

(1) 調(diào)文件，可以調(diào)入以前任一時(shí)刻的測(cè)試數(shù)據(jù)。
(2) 存文件，將正在測(cè)試的數(shù)據(jù)存盤備份。
(3) 打印，將測(cè)試的數(shù)據(jù)打印出來(lái)，作為產(chǎn)品參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 溫度設(shè)置，主要用來(lái)設(shè)置被測(cè)溫度范圍，由此溫度范圍為依據(jù)，來(lái)控制烘箱的加熱速度。

測(cè)試，該模塊主要完成功能為：

(1) 初始化，包括將用于控溫開(kāi)關(guān)狀態(tài)接口的8255編程設(shè)置為輸入方式，溫控開(kāi)關(guān)全部接通使三根電爐絲同時(shí)加熱等。
(2) 讀人I／O狀態(tài)，判斷各溫控開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)。
(3) 分區(qū)讀入各溫度測(cè)試點(diǎn)的溫度值，將此時(shí)的溫度值賦給有通斷變化的溫控開(kāi)關(guān)樣品，并在監(jiān)視器上相應(yīng)的位置顯示該溫度值。
(4) 根據(jù)選定點(diǎn)的溫度值，與設(shè)定的最低溫度、最高溫度之間的關(guān)系來(lái)控制烘箱加熱電爐絲的通斷，以控制加熱速度。

3.2 提高測(cè)量精度的措施

為了保證溫度測(cè)量的精度，除了在硬件上采取必要的措施如采用12位A／D轉(zhuǎn)換外，軟件上也要采取相應(yīng)的措施，本系統(tǒng)中采用了多點(diǎn)平均算法。由于A／D采樣用的是AD574芯片，其轉(zhuǎn)化速率典型值為25μs，而溫度不可能有突變，所以我們對(duì)每一溫度點(diǎn)采樣100個(gè)點(diǎn)，然后排序，去掉最大的和最小的各10點(diǎn)，用剩余的80點(diǎn)進(jìn)行平均，這樣可使測(cè)試過(guò)程中的誤差大為減小。

4. 測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)對(duì)多次加熱爐溫控進(jìn)行了測(cè)試，獲取了較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。已使其測(cè)試精度、速度都超過(guò)了原定的設(shè)計(jì)要求，溫度測(cè)量精度≤0.5%，大大提高了工作效率，產(chǎn)品的質(zhì)量得到了更進(jìn)一步的保證。