熱電偶在金屬熱處理溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、裝備制造技術(shù)2010年第1期經(jīng)驗(yàn)與創(chuàng)新! "!"! ! ! ! "! "溫度是金屬熱處理生產(chǎn)中非常重要的工藝參數(shù)。只有對(duì)爐溫進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和控制，才能正確執(zhí)行熱處理工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量。控制系統(tǒng)控制效果的好壞，檢測環(huán)節(jié)是關(guān)鍵。控制系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度檢測元件，其將溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。使用熱電偶測溫，關(guān)鍵在于冷端補(bǔ)償方法以及合理的測量電路，以保證其測量的準(zhǔn)確性。1熱處理爐溫控制要求金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般

2、不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過程，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過程，這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一，加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進(jìn)而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和

3、熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外，轉(zhuǎn)變需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí)，還須在此溫度保持一定時(shí)間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí)，加熱速度極快，一般就沒有保溫時(shí)間，而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長。冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進(jìn)行淬硬。金屬整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火共四種基本工藝。

4、需要溫度在較大范圍內(nèi)變化，根據(jù)需要進(jìn)行加熱、恒溫溫度及時(shí)間的控制。以下是熱處理四種基本工藝的要求：退火將鋼工件加熱至臨界點(diǎn)（AC3）以上2040，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500以下，再在空氣中冷卻。正火將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)以上的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間后，在空氣中冷卻。淬火將鋼奧氏體化后，以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)，發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝?；鼗饘⒔?jīng)過淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)以下的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。熱處理爐按照工作溫度可分為：低溫?zé)崽幚頎t（650

5、以下），中溫?zé)崽幚頎t（650950），高溫?zé)崽幚頎t（9501150）。2加熱爐溫度的測量2.1溫度傳感器的選擇溫度傳感器是把非電量溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器，按測溫的方式，可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式溫度傳感器，包括熱電偶、熱電阻、PN 結(jié)溫度傳感器、熱敏晶體管、可控硅和集成溫度傳感器。非接觸式溫度傳感器，包括利用塞貝克效應(yīng)制成的紅外吸收型溫度傳感器和M OSFET 紅外探測器。熱電偶溫度傳感器相對(duì)于熱敏電阻等其他溫度傳感器，具有溫度控制精度高，溫控點(diǎn)調(diào)節(jié)方便，本身結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，適合工業(yè)電熱裝置。由于金屬熱處理需要的溫度為中高溫，不需要特別高的溫度，所以系統(tǒng)采用在中高溫下精度高的溫度傳

6、感器。鎳鉻-鎳鋁熱電偶，在6001000范圍內(nèi)，是精度最高的溫度傳感熱電偶在金屬熱處理溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用黃安春（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116037）摘要：利用AD590冷端溫度傳感器進(jìn)行冷端溫度測量，經(jīng)差動(dòng)比例放大器后，通過A/D 轉(zhuǎn)換器芯片MAX197進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了金屬熱處理過程中的溫度準(zhǔn)確測量。關(guān)鍵詞：熱處理加熱爐；溫度控制；熱電偶；冷端補(bǔ)償中圖分類號(hào)：TG155文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1672-545X （2010）01-0159-03收稿日期：2009-10-19作者簡介：黃安春（1963），男（滿族），遼寧大連人，工程師，碩士學(xué)位，主要從事自動(dòng)控制與檢測研

7、究。159Equipment Manufactring Technology No.1，2010器之一，允許誤差只有±0.75，短期工作最高溫度為120012。該熱電偶使用溫區(qū)寬，上限溫度在廉價(jià)金屬熱電偶中是最高的，熱導(dǎo)率低，且其正常工作溫度范圍大于系統(tǒng)的控溫范圍，即使系統(tǒng)發(fā)生故障，短期超溫運(yùn)行也可正常工作，不至于損壞，故本系統(tǒng)中采用K 型鎳鉻-鎳鋁熱電偶作為溫度傳感器。2.2熱電偶冷端溫度補(bǔ)償由于熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，是由冷熱端的溫度差而產(chǎn)生的，輸出熱電勢是根據(jù)冷端溫度為0時(shí)所得到的，而實(shí)際上熱處理爐的工作環(huán)境溫度是很不穩(wěn)定的，也不可能使冷端溫度一直處于0，因此冷端溫度也不是穩(wěn)定的，

8、產(chǎn)生的熱電勢也是不穩(wěn)定的。所以在變送器的放大電路中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)冷端溫度補(bǔ)償電路。當(dāng)然，也可以用軟件的方法，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。為了簡化程序，在本設(shè)計(jì)中采用IC 溫度傳感器AD590對(duì)冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，能夠達(dá)到同樣的效果。 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，采用集成溫度傳感器AD5903，是由美國Anlog Devices 公司生產(chǎn)的單片集成的二端式溫度敏感電流源，具有溫度響應(yīng)速度快、體積小、壽命長、精度高、線性度好、能進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)；并且有寬的激勵(lì)電壓，在+4+30V 之間任何值電壓下，都產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的(1A 輸出，可以用它產(chǎn)生的溫度敏感電流形成補(bǔ)償電壓，而且接法簡單。利用AD590作為熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

9、的電路原理如圖1所示。AD590作為熱電偶冷端溫度補(bǔ)償測溫元件，安置在冷端附近，使之與冷端處于同一溫度下，其輸出電流隨冷端溫度而改變。以K 型熱電偶為例，以I 表示與（273+0）C °溫度相對(duì)應(yīng)的電流，流過AD590的電流I ：I =（273+0）C °×1(A /C ° （1）式中0為熱電偶冷端溫度。負(fù)載電阻R 1上輸出電壓V 0：V 0=I R 1=（273+0）R 1（2）選擇R 1使V 0在A /D 允許輸入電壓范圍內(nèi)，本系統(tǒng)選R 1=10K 。利用式（1）可方便地求出任意時(shí)刻的冷端溫度0，經(jīng)過處理之后，就可得到該溫度的補(bǔ)償電勢。這種測量方法，

10、不需對(duì)冷端溫度作嚴(yán)格限制，且結(jié)構(gòu)簡單，補(bǔ)償精度高，可在冷端溫度變化不大的情況下予以準(zhǔn)確補(bǔ)償，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和不方便的缺點(diǎn)4。2.3溫度檢測電路與放大電路溫度檢測，是利用熱電偶的熱電效應(yīng)，把溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量。熱電偶是由兩種不同的金屬所組成的閉合回路，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中就要產(chǎn)生熱電勢。從熱電偶輸出的熱電勢信號(hào)，最多不過數(shù)十mV (一般為056mV ，信號(hào)需經(jīng)運(yùn)放放大100倍左右；且其中包含工頻、靜電和磁耦合等共模干擾。對(duì)這種電路放大，就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此宜采用測量放大電路。測量放大器的輸入阻抗高，易與各

11、種信號(hào)源匹配，并且輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，溫漂也較小，因而其穩(wěn)定性好56。如圖2所示，由三運(yùn)放組成測量放大器，熱電偶差動(dòng)輸入端分別接到A1和A2的同相端。輸入阻抗很高，采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測信號(hào)直接加到輸入端，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1，主要完成反相功能。測量放大器的放大倍數(shù)為：A V =V 0/(V 2-V 1 （3）A V =R 1412(1+R 6+R 87（4）在此電路中，只要運(yùn)放A1和A2性能對(duì)稱（主要指輸入阻抗和電壓增益），其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，適宜于測量遠(yuǎn)距

12、離傳輸過來的信號(hào)，因而十分易于與微小輸出的傳感器配合使用。RW 是用來調(diào)整放大倍數(shù)的外接電阻，在此用多圈電位器，參數(shù)應(yīng)滿足AV 大于100。本文電路中A1、A2采用低漂移高精度運(yùn)放OP-07芯片，其輸入失調(diào)電壓溫漂和輸入失調(diào)電流溫漂都很小，廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定積分、精密加法、比校檢波和微弱信號(hào)的精密放大等。OP-07要求雙電源供電，使用溫度范圍070，一般不需調(diào)零。后級(jí)運(yùn)放A3則可用較廉價(jià)的A741芯片，要求雙電源供電，供電范圍為±(318 V ，典型供電為±15V ，一般應(yīng)大于或等于±5V ，其內(nèi)部含有補(bǔ)償電容，不需外接補(bǔ)償電容。為防止熱電偶由于溫度超出范圍，產(chǎn)生過大

13、的電勢對(duì)后級(jí)電路的破壞，在熱電偶接入第一級(jí)運(yùn)放前，要接入一緩沖電路，如圖2所示的輸入端電容C1、C2是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，鉗位二極管D1、D2起保護(hù)作用，避免輸入線路故障時(shí)瞬態(tài)尖峰干擾損壞運(yùn)放和后級(jí)電路。輸入電壓送入采樣保持、A /D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2.4A /D 轉(zhuǎn)換電路由于該爐溫控制系統(tǒng)，主要用于熱處理等行業(yè)，控溫精度要求高，所以本系統(tǒng)采用12位A /D 轉(zhuǎn)換芯片M AX197。MAX197是逐次逼近式的12位A /D 轉(zhuǎn)換芯片，28引腳雙列直插式封裝，片內(nèi)除A /D 轉(zhuǎn)換部分外，還有多路模擬開關(guān)部分。該芯片的特點(diǎn)使其適于作為信號(hào)采集芯片，原因如下78：AD590+

14、5VCH1R1圖1冷端溫度補(bǔ)償電路圖2溫度檢測電路160裝備制造技術(shù)2010年第1期分辨率12位分辨率，誤差±1/2(LSB，精度高；通道8路模擬輸入通道；量程輸入量程可用軟件選定不同范圍：±10V ，±5V ，010V ，05V ；轉(zhuǎn)換時(shí)間為6s ，采樣速率為100kSPS ，對(duì)于測控系統(tǒng)而言，轉(zhuǎn)換時(shí)間足以滿足單片機(jī)控制算法的要求；時(shí)鐘可通過軟件選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘，便于單片機(jī)控制采樣基準(zhǔn)；電壓基準(zhǔn)可用軟件選擇使用內(nèi)部4.096V 電壓基準(zhǔn)或外部電壓基準(zhǔn)；功耗可通過SHDN 引腳和軟件選擇低功耗工作方式，對(duì)于獨(dú)立電源的測控系統(tǒng)而言尤為重要。由于M AX197具有三

15、態(tài)輸出的數(shù)據(jù)總線，故可以與P80C58單片機(jī)總線直接相連。M AX197與P80C58的接口電路如圖3所示。在圖中P80C58單片機(jī)由P 2.7和WR 聯(lián)合控制片選端，用于選擇M AX197芯片。輸出數(shù)據(jù)的高低位控制，通過設(shè)置單片機(jī)P1.7的電平高低，分別讀取12位數(shù)據(jù)的高低位。M AX197的中斷控制，通過設(shè)置單片機(jī)INT1的高低電平觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)讀取。 The Application of Thermo-couple in Temperature ControlsSystem of the Metal Heat TreatmentHUANG An-chun(DalianVocati

16、onal &Technical College ，Dalian Liaoning 116037,ChinaAbstract ：In this paper, AD590cold junction temperature sensor for cold junction temperature measurement, the ratio by the differentialamplifier, the adoption of A /D converter chip-MAX197analog signals to digital signals for the conversion of

17、 metal heat treatment process to accurately measure the temperature.Keywords :heat treatment furnace; temperature control; thermocouple; cold junction compensation3結(jié)束語通過以上的熱電偶冷端補(bǔ)償措施和采用的溫度檢測電路、放大電路的設(shè)計(jì)，以及M AX197A/D轉(zhuǎn)換和P80C58單片機(jī)的采用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的準(zhǔn)確測量，進(jìn)而保證了金屬熱處理中對(duì)溫度控制的效果。參考文獻(xiàn)：1常健生，石要武，常瑞. 檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. 2王俊杰. 檢測技術(shù)與儀表M.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002