劉仁銀，潘 煉

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北武漢 430081)

1 概述

在連鑄生產(chǎn)過程中，當鋼包中含氧化物的爐渣流入中間包后，會造成鋼水中鋁、鈦等易氧化合金元素的燒損，并產(chǎn)生氧化鋁夾雜物，影響鋼水的純凈度，最終影響軋鋼的表面質(zhì)量。為了有效控制連鑄過程的鋼包下渣，國外一些公司開發(fā)了鋼包下渣自動檢測裝置。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的下渣檢測裝置中90%以上采用的是電磁感應(yīng)法下渣檢測技術(shù)。測渣傳感器的參數(shù)是否在允許范圍內(nèi)直接關(guān)系到鋼水收得率、鑄坯質(zhì)量及中包水口的通暢。

該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機，利用乘法器法二極管鑒別法，快速判斷傳感器的相位;利用專業(yè)的阻抗測量芯片AD5933，快速精確測出傳感器的注線圈阻抗Rp，二級線圈阻抗Rs，注線圈與二級線圈間的絕緣阻抗Rz及線圈與地阻抗R⊥；系統(tǒng)能夠?qū)y量的參數(shù)存儲在U盤里，對測量的參數(shù)存儲深度大于7 d，且系統(tǒng)可以在10 s后自動進入低功耗模式。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1測渣傳感器的介紹

圖1是測渣傳感器的檢測線圈圖。鋼包在接收位時，將傳感器通過快速接頭和檢測系統(tǒng)相連接。系統(tǒng)提供交變的正弦電壓加到注線圈的兩端后，注線圈中流過同一頻率的交變電流Ip，并產(chǎn)生交變磁場。由于鋼液和鋼渣二者間的電導率差異，通過注線圈的勵磁作用，二級線圈感生獲得不同的電動勢Us．磁場感生電動勢的大小反應(yīng)了鋼液含渣量的大小。計算機將來自傳感器的模擬信號進行處理計算，給出顯示報警信號和控制信號。

圖1 傳感器檢測線圈圖

2．2系統(tǒng)框圖

圖2為系統(tǒng)原理框圖。相位測量是將經(jīng)過調(diào)理的激勵信號給傳感器的注線圈，二級線圈感生的信號經(jīng)調(diào)理后與激勵信號一起送往乘法電路，乘法電路的信號經(jīng)過調(diào)整送到單片機處理。傳感器通過快速接頭連接到系統(tǒng)后，可以通過阻抗測量電路測出阻抗值。通過按鍵可以選擇測量阻抗與相位，顯示屏可以實時顯示結(jié)果，且可以將測量的數(shù)據(jù)存儲到U盤，方便記錄傳感器的參數(shù)變化。

圖2 系統(tǒng)框圖

2．3硬件電路設(shè)計

2．3．1 激勵信號電路

給注線圈的激勵信號的頻率在400 ～800 Hz都可以，頻率較低，這里采用了常用的維恩電橋反饋型振蕩電路。圖3是維恩電橋振蕩電路的基本構(gòu)成，放大電路的反饋回路網(wǎng)絡(luò)采用R和C串并聯(lián)回路，根據(jù)f=1/(2πRC)可以計算出選擇的頻率。電阻R2和R3設(shè)定放大電路的增益。在負反饋側(cè)接入D1和D2的作用是限幅，防止輸出飽和產(chǎn)生振蕩。在OUT_1端輸出的振蕩激勵信號經(jīng)反向放大后，信號給緩沖器BUF634T，以高激勵信號的電流驅(qū)動能力。

圖3 維恩電橋反饋振蕩電路

2．3．2 感應(yīng)信號電路

圖3中的OUT_1的信號經(jīng)過調(diào)理后將交變電流信號送給傳感器的注線圈。二級線圈將感生電壓信號Us送給感應(yīng)信號電路處理。感生的電動勢信號Us放大后信號接到G_IN端，如圖4，經(jīng)過壓控電壓源帶通濾波器和移相電路調(diào)理給乘法器。根據(jù)激勵信號的相位和幅值的大小，調(diào)節(jié)電位器VR1改變信號的幅值，VR2調(diào)整信號的相位，在G_OUT處利用示波器可以檢測到理想的波形。

圖4 壓控電壓源帶通濾波和移相電路

2．3．3 乘法電路

AD534是低漂移的單路放大器，具有較寬的工作頻帶和較小的差錯率，輸入信號為差分(雙端)輸入方式，即只有差分信號才能進入放大器濾除共模信號。圖5為AD534的應(yīng)用電路。輸入G_OUT為調(diào)理后的感應(yīng)信號，J_OUT為調(diào)理后的激勵信號，其傳輸函數(shù)是VO=(X1-X2)(Y1-Y2)/(10 V)+Z2．引腳X2、Y2與Z2全接地，兩路相乘信號改為單端對地輸入，線性控制輸出電壓制。

圖5 乘法電路

系統(tǒng)相位的檢測方法是乘法器二極管鑒別法，乘法器AD534的輸入端G_OUT和J_OUT是頻率相同的正弦函數(shù)，相位相差φ，運算后的結(jié)果經(jīng)過一個積分電路后可以得到一個直流電壓V=kcosφ，電路的輸出和被測信號相位相差的余弦成比例。積分后的電壓信號經(jīng)過二極管后直接給單片機進行A/D處理。由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié)，可以濾掉信號波形中的高次諧波，有效抑制了諧波對測量準確度的影響。

2．3．4 阻抗測量電路

圖6是阻抗測量電路，AD5933可以精確測量廣泛的阻抗值，誤差小于實際阻抗值的0．5%。由于AD5933的阻抗測量范圍是1 kΩ～10 MΩ，而注線圈和二級線圈兩端的阻抗Rp和Rs都在100 Ω以內(nèi)，故在RFB引腳和Vin引腳之間加了一個1 kΩ電阻，將測量的阻抗提高到AD5933的測量范圍以內(nèi)。通過繼電器的切換，測量出各組需要的阻抗。

圖6 阻抗測量電路

2．3．4 文件管理控制電路

目前有兩種方式選擇USB接口和微處理器：一種是采用具備USB通訊功能的微處理器，另一種則是采用普通微處理器加上專用的USB通信芯片。文中采用USB總線通用接口芯片CH375B和MSP430F149單片機實現(xiàn)USB接口設(shè)計。

CH375B在系統(tǒng)的設(shè)計如圖7所示。CH375B芯片的TXD引腳懸空或者沒有通過下拉電阻接地，那么CH375B工作于串口方式。在串口方式下，CH375B與單片機的連接只需TXD引腳、RXD引腳以及INT#引腳，其他引腳可以懸空。CH375B的串行通訊波特率默認是9 600 bit/s，單片機可以通過SET_BAUDRATE命令選擇合適的通訊波特率。ACT#腳引與一個串接了限流電阻的LED連接，指示USB的狀態(tài)。UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。

圖7 文件管理控制電路

3 軟件設(shè)計

由于系統(tǒng)的主要部分是在外圍硬件電路的設(shè)計，因此單片機軟件的設(shè)計要相對簡單。軟件部分的設(shè)計大致可以分為3部分：實時顯示部分，在12864的液晶屏上實時顯示測量到的相位及阻抗值；按鍵的掃描部分，判斷用戶的測量選擇；根據(jù)用戶判斷進行數(shù)據(jù)處理，并檢測U盤是否連接，若連接，將有效數(shù)據(jù)存入U盤。軟件設(shè)計框圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)除了上述設(shè)計以外，機械外殼上選用了防塵及防水的小巧機箱，利于鋼廠的使用;采用了大容量聚合物鋰電池給系統(tǒng)供電，且有電量提示燈。系統(tǒng)在測量后10 s自動進入休眠狀態(tài)，按任意鍵方可喚醒系統(tǒng)，大大提升了續(xù)航能力。最后，相比于國外同類產(chǎn)品，該套系統(tǒng)成本相對較低，目前已在多家鋼廠使用，穩(wěn)定可靠。

圖8 軟件設(shè)計框圖

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作者簡介：劉仁銀(1987-)，在讀碩士，從事工業(yè)電子技術(shù)研究。

E-mail：liurenyin@163．com

潘煉(1964-)，教授，碩士，從事冶金自動化方面研究。

E-mail：plwisco@163．com