何濤燾，文華北，田　陸

(湖南鐳目科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙　410100)

0　引言

鋼水的溫度和氧含量，對(duì)鋼水的質(zhì)量、成材率和鐵合金的消耗有著關(guān)鍵性的影響，準(zhǔn)確測(cè)定鋼水溫度和氧含量是煉制高品質(zhì)鋼材的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)[1]。測(cè)溫定氧儀可以精確測(cè)定和計(jì)算鋼水的溫度、氧電勢(shì)、氧含量、碳含量和鋁含量，在轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐上得到了廣泛的應(yīng)用[2]?，F(xiàn)有的檢測(cè)儀表以國(guó)外引進(jìn)為主，儀表價(jià)格昂貴而且必須與其配套的探頭一起使用才能保證其對(duì)碳含量和鋁含量的計(jì)算精度。由于各探頭生產(chǎn)商所采用的參比電極不同，其計(jì)算模型也存在差異，這就會(huì)降低儀表的適用性和精準(zhǔn)度[3]。文中設(shè)計(jì)了一種精度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、使用方便的測(cè)溫定氧儀表，它不僅可以精度測(cè)定鋼水的溫度和氧電勢(shì)，而且可以根據(jù)測(cè)溫定氧探頭的類型和校對(duì)參數(shù)調(diào)整氧活度、碳含量和鋁含量計(jì)算模型滿足不同鋼廠的需求。

1　系統(tǒng)測(cè)量原理

探頭插入鋼水中后，溫度與氧電勢(shì)急速升高，在與鋼水達(dá)到溫度和氧電勢(shì)平衡后，這一段曲線所代表的溫度和氧電勢(shì)就是鋼水的實(shí)際溫度和氧電勢(shì)[3]，如圖1所示。將所測(cè)的溫度和氧電勢(shì)值導(dǎo)入儀表內(nèi)嵌的氧活度、碳含量和鋁含量計(jì)算模型便可得到此時(shí)鋼水的氧活度、碳含量和鋁含量。

圖1　儀表典型溫度與氧電勢(shì)測(cè)量曲線

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2　硬失件架構(gòu)圖

STM32系列單片機(jī)基于CORTEX—M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，具有性能高、功耗低、成本低、外設(shè)豐富等優(yōu)點(diǎn)，在智能儀表設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。該儀表硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示，采用主從式電路設(shè)計(jì)，STM32F105VB作為儀表的主控制器，51單片機(jī)作為系統(tǒng)的從控制器。系統(tǒng)采集的溫度和氧電勢(shì)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)差分放大濾波電路，然后經(jīng)電壓跟隨電路進(jìn)入AD芯片，同時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)溫度電勢(shì)的變化。當(dāng)溫度電勢(shì)的變化超出預(yù)定的值，狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路通知STM32驅(qū)動(dòng)AD單元開(kāi)始或停止采集溫度電勢(shì)、氧電勢(shì)和補(bǔ)償溫度電勢(shì)，并將系統(tǒng)狀態(tài)信息傳輸給現(xiàn)場(chǎng)的流程控制指示器。當(dāng)測(cè)量結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)將測(cè)量和計(jì)算獲得的溫度、氧含量、碳含量以及鋁含量傳輸給現(xiàn)場(chǎng)大屏顯示器。儀表配置8英寸液晶作為系統(tǒng)的人機(jī)交匯的顯示單元，同時(shí)具備RS-232、RS-485、USB、以太網(wǎng)以及4～20 mA輸出接口。

2．1．1差分放大電路

差分放大電路用于測(cè)量溫度和氧電勢(shì)信號(hào)，濾除現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾。溫度測(cè)量范圍為1 000～1 750 ℃，氧電勢(shì)測(cè)量范圍為-400～400 mV，電路的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。儀表測(cè)量電路選用精密運(yùn)放OP177作為輸入級(jí)的放大器，其具有低失調(diào)電壓、低噪聲和低溫漂特性。差分放大倍數(shù)必須滿足后續(xù)AD轉(zhuǎn)換精度的要求，若R1=R3，其放大倍數(shù)A=2(R1/R2+1)。

圖3　差分放大電路

2．1．2狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路

狀態(tài)檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)溫度電勢(shì)的變化判斷當(dāng)前測(cè)量狀態(tài)，提示現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行正確操作，如圖4所示。電壓比較器的輸出接入STM32的外部中斷1、2，當(dāng)探頭插入測(cè)槍后，比較器U5A、U5B的輸出將從高電平跳變至低電平，儀表發(fā)出準(zhǔn)備測(cè)量信號(hào)；將測(cè)槍插入到鋼水中，當(dāng)溫度超過(guò)1 000 ℃時(shí)，比較器U5A輸出的電勢(shì)將從低電位跳至高電位，儀表輸出正在測(cè)量信號(hào)；當(dāng)溫度超過(guò)1 700 ℃時(shí)，輸出的溫度電勢(shì)拉高至5 V，比較器U5A輸出將從低電位跳變至高電位，儀表輸出測(cè)量結(jié)束信號(hào)。

圖4　狀態(tài)檢測(cè)電路

圖5　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2．1．3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)選用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7684，模擬輸入范圍從-VREF(VREF為外部的參考電壓)到+VREF，單電壓工作范圍從2．7～5．5 V，輸入內(nèi)含一個(gè)16位高速無(wú)失碼ADC(Analog to Digital Converter)，最高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)100KSPS(Kilo Samples Per Second)一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，兼容串行SPI(Serial Peripheral Interface)接口。模數(shù)轉(zhuǎn)換連接電路如圖5所示，通過(guò)STM32的SPI2接口來(lái)驅(qū)動(dòng)AD7684。

2．1．4鍵盤監(jiān)控電路

鍵盤檢測(cè)電路如圖6所示，采用STC12LE5201單片機(jī)處理，P1實(shí)時(shí)掃描鍵盤，監(jiān)測(cè)有無(wú)按鍵按下，在監(jiān)測(cè)到按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)提示音，在P3．0～P3．3輸出按鍵編碼，同事觸發(fā)STM32的外部中斷0。

圖6　鍵盤監(jiān)控電路

2．2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

需要實(shí)時(shí)采集溫度電勢(shì)和氧電勢(shì)，并將在探頭熔斷時(shí)，計(jì)算測(cè)量溫度、氧含量、碳含量和鋁含量。系統(tǒng)軟件采用多級(jí)菜單方案設(shè)計(jì)，如圖7所示。系統(tǒng)在啟動(dòng)后，先初始化系統(tǒng)，然后從外部FLASH加載變量進(jìn)入主菜單。在主菜單中，提供 “測(cè)量”、“系統(tǒng)”、“查詢”、“設(shè)置”4個(gè)子菜單選選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)主菜單顯示的信息，選擇進(jìn)入下一級(jí)子菜單，各級(jí)子菜單是相互獨(dú)立的，完成設(shè)置后可選擇返回到主菜單。測(cè)量菜單顯示鋼水的溫度、氧電勢(shì)、氧活度、碳含量和鋁含量信息，同時(shí)顯示當(dāng)前的測(cè)量狀態(tài)。系統(tǒng)菜單用于設(shè)置計(jì)算模型參數(shù)。查詢菜單中用戶可以查看歷次測(cè)量記錄和測(cè)量曲線。設(shè)置菜單中用戶可以設(shè)置當(dāng)前探頭的型號(hào)、系統(tǒng)時(shí)間、當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)、用戶權(quán)限管理和等參數(shù)。

圖7　系統(tǒng)主程序流程

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用1臺(tái)高精度的信號(hào)源對(duì)儀表的溫度(以S型熱電偶為例)和氧電勢(shì)測(cè)量精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，表1、表2分別為儀表實(shí)測(cè)的溫度和氧電勢(shì)結(jié)果。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際使用效果，在某鋼廠80噸精煉爐上對(duì)儀表氧含量計(jì)算精度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試中使用公司自主研發(fā)的定氧探頭，并將所測(cè)的氧含量與取樣化驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表1　儀表實(shí)測(cè)溫度結(jié)果

表2　儀表實(shí)測(cè)氧電勢(shì)結(jié)果　mV

經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，本系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差Δt<±1 ℃，氧電勢(shì)誤差Δe<±1 mV，氧含量誤差ΔO<±0．1 ppm．

表3　氧含量計(jì)算值與實(shí)際值

4　結(jié)束語(yǔ)

儀表可以準(zhǔn)確測(cè)定溫度與氧電勢(shì)。儀表與探頭結(jié)合使用證明碳與鋁含量的計(jì)算相對(duì)誤差<±0．8%。對(duì)應(yīng)不同的探頭只需通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和數(shù)據(jù)擬合，就可以得出精確的氧活度、碳含量和鋁含量的計(jì)算模型。儀表經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，性價(jià)比高，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瀏，蘭德年，蕭忠敏．中國(guó)煉鋼技術(shù)的發(fā)展、創(chuàng)新與展望．煉鋼，2007，23(2)：1-6．

[2]鄧茂煥，黃正．定氧技術(shù)的現(xiàn)狀及質(zhì)量評(píng)價(jià)．工業(yè)計(jì)量，2004，14(4)：26-29．

[3]夏金峰，李強(qiáng)，蔣丹宇．鋼液快速定氧傳感器技術(shù)的發(fā)展．現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2009，12(4)：21-25．

[4]孫啟富，孫運(yùn)強(qiáng)，姚愛(ài)琴．基于STM32的通用智能儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用．儀表技術(shù)與傳感器，2010(10)：34-37．

[5]翁嘉民，陳志武．基于STM32F105的動(dòng)態(tài)自動(dòng)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(11)．