周怡君，戴 挺，王明君

(1.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 211189;2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211189)

0 引言

鑄鐵爐前快速熱分析技術(shù)是以鑄鐵組織形成過程的凝固溫度曲線為被測對象，對凝固曲線進行數(shù)學(xué)分析，得到曲線的特征點，并根據(jù)預(yù)先確認(rèn)的數(shù)學(xué)模型計算出鐵水的碳當(dāng)量(CE%)、碳含量(C%)、硅含量(Si%)等指標(biāo)的鑄鐵成分分析技術(shù)［1－3］?？焖贌岱治鰞x的測量精度可以達到 CE＜0.10%、C＜0.05%、Si＜0.10%，是鑄鐵生產(chǎn)過程中爐前使用的簡潔、快速、準(zhǔn)確的分析儀器。

為了加強鐵液質(zhì)量控制，國內(nèi)外在鑄鐵爐前快速檢測方面做了大量的研究。特別是西方工業(yè)發(fā)達國家將計算機技術(shù)應(yīng)用于鐵液質(zhì)量熱分析法檢測，研制出了智能化多功能測試儀。例如天津撒布浪斯探測儀器有限公司和天津匯豐探測裝備有限公司等合資企業(yè)生產(chǎn)的爐前鐵水質(zhì)量管理儀，一般采用8條曲線，實現(xiàn)了對鐵液性能的快速、準(zhǔn)確的測定，很好地保證了鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量。而在國內(nèi)，爐前快速分析儀的研發(fā)相對較少，技術(shù)相對落后。朱彬等采用單片機與PC104相結(jié)合的方式，完成了數(shù)據(jù)的采集以及成分的分析［4－5］;夏志全等提出基于Lab-VIEW的快速熱分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用第三方數(shù)據(jù)采集卡通過串口通信與上位機相連，實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實時采集與顯示［6］。

文中采用單片機作為控制核心，10吋LCD實時顯示采樣曲線以及分析結(jié)果，微型打印機實現(xiàn)結(jié)果的輸出，從而實現(xiàn)便攜式快速熱分析儀的研制。

1 硬件設(shè)計

圖1所示為快速熱分析儀硬件框圖，系統(tǒng)分為4個部分:核心控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、人機交互單元和CAN總線單元。其中，核心控制單元采用MC9S12XS128微控制器為控制核心;數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)溫度信號的調(diào)理放大，并采用14位高精度ADC采樣數(shù)據(jù)，通過SPI總線與MC9S12XS128微控制器相連;人機交互單元包括LCD顯示屏、微型打印機、LED燈以及鍵盤，用于完成參數(shù)設(shè)置、溫度曲線實時顯示、分析結(jié)果與歷史記錄的顯示和打印，同時LED顯示主要用于運行狀態(tài)的顯示以及報警;CAN總線單元與LED點陣屏相連，實現(xiàn)實時溫度與分析結(jié)果的遠(yuǎn)程顯示。

圖1 硬件框圖

1.1 核心控制單元

核心控制單元如圖2所示，主要包括MC9S12XS128微控制器，以及相關(guān)的電源、配置引腳、CRG和BDM等模塊。

圖2 核心控制單元

MC9S12XS128是功能更為強大的16位微控制器［7］，提供了32位MCU的性能并且保留了16位MCU的低價格、低功耗、卓越的EMC和有效編碼長度的優(yōu)勢。主要特點有:增強型HCS12內(nèi)核;128 K FLASH，32K RAM，4K EEPROM;1 路MSCAN;2路UART總線;1路SPI總線等。

MC9S12XS128的電源模塊是一個能提供了2個不同電流的獨立2.5 V電源的雙輸出穩(wěn)壓器。電源模塊輸入電壓范圍是從3.3～5 V(典型值)，共有穩(wěn)壓電源輸入引腳 (VDDR)、模擬電源(VDDA)、電源模塊主要輸出(VDD)、PLL和時鐘電源(VDDPLL);外部電源(VCC)通過電感濾波、穩(wěn)流后產(chǎn)生VDDA以及VDDR;每個電源引腳皆有相應(yīng)的濾波電容。

PE5(MODA)、PE6(MODB)和BKGD(MODC)為配置引腳，當(dāng)MCU復(fù)位時根據(jù)3個腳的電平來決定MCU的工作方式，當(dāng)前配置為正常單片模式。

1.2 數(shù)據(jù)采集單元

快速熱分析儀一般都采用K型熱電偶作為溫度傳感器，放置于專用的樣杯中。K型熱電偶測溫時，必須進行冷端補償、調(diào)零、電壓放大和線性化等一系列工作，否則會產(chǎn)生很大的誤差。系統(tǒng)中，溫度放大調(diào)理電路采用AD595，AD595是為熱電偶測溫設(shè)計的專用芯片，內(nèi)部具有放大、冷端補償以及斷偶報警等功能［8］。如圖3所示為采用AD595的熱偶信號調(diào)理電路，J1是熱電偶的輸入端;通過調(diào)節(jié)電位器使得檢測溫度對應(yīng)電壓端(TEMP)在0～10 V之間，以便于ADC采集;ALM端口為報警輸出端，當(dāng)斷偶時ALM端輸出15 V高電平。

AD7367是14位、高速、低功耗、單/雙極性轉(zhuǎn)換的串行逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換芯片［9］，支持SPI接口，并具有兩個獨立的轉(zhuǎn)換單元。AD7367還能編程選擇3種模擬輸入電壓范圍，分別為:±10 V、±5 V和0～10 V，系統(tǒng)采用0～10 V電壓范圍。如圖4所示為基于AD7367的數(shù)據(jù)采樣電路，AD595輸出的電壓信號通過OP07跟隨后，接入AD7367的VA1;AD7367的數(shù)據(jù)端與MC9S12XS128微控制器的SPI0相連;±12 V電源通過DC－DC轉(zhuǎn)換器WRA1215ZP獲得。

圖3 熱偶信號調(diào)理電路

圖4 數(shù)據(jù)采樣電路

2 軟件設(shè)計

2.1 測試分析流程

測試分析流程采使用定時器事件驅(qū)動狀態(tài)機的方式來實現(xiàn)，狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。由于鐵水冷卻過程中溫度變化緩慢，定時器事件為 0.5 s發(fā)生 1次。系統(tǒng)采用MC9S12XS128微控制器內(nèi)部實時時鐘(RTI)生成500 ms的定時間隔，在RTI定時中斷程序中完成狀態(tài)機的轉(zhuǎn)移。

圖5 測試分析流程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

平時系統(tǒng)處于空閑狀態(tài);當(dāng)傳感器樣杯放置好后進入測試等待狀態(tài)，此時等待澆樣;當(dāng)鐵水澆入樣杯，測試溫度會很快高于1 100℃，進入測試分析狀態(tài)，系統(tǒng)采用邊采樣邊分析的方法，同時溫度曲線實時顯示在LCD屏上;如果在此過程中，能找到TL與TS并完成實時成份分析，則直接進入結(jié)果顯示狀態(tài);如果測試溫度已低于1 050℃仍未完成成份分析，則進入成份分析狀態(tài);此時，采用成份分析程序完成成份分析，然后進入結(jié)果顯示狀態(tài);最后等待更換樣杯，完成整個測試流程。

2.2 測試分析算法

快速熱分析儀測定鐵水化學(xué)成分時采用加碲的樣杯。此時在鐵水冷卻過程中，會出現(xiàn)明顯的初晶溫度(TL)平臺與共晶溫度(TS)平臺。其中，TL平臺位于冷卻曲線的第一平臺處，此平臺極短;TS位于冷卻曲線第二個平臺處，此平臺較長。通過大量的測試和回歸分析，發(fā)現(xiàn)鐵水中C含量與Si含量主要取決于初晶溫度TL與共晶溫度TS.所以，冷卻曲線的去噪聲、擬合、平滑處理，以及特征值的搜索和確定TL以及TS的二次回歸算法的研究最為重要。

系統(tǒng)中，首先通過小波分析去噪方法對溫度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后采用拐點與平臺相結(jié)合的算法確定TL和TS.實際應(yīng)用中，確定TL時采用拐點與平臺相結(jié)合的算法，確定TS時采用平臺算法。

在實際檢測鐵水溫度變化時，獲得的僅是一系列離散點。拐點算法的原理是:離散曲線的任意4個連續(xù)散點，若滿足公式 1(式中 i=1，2，3…)，則(xi+1，yi+1)為曲線的一個拐點。

其流程如圖6所示。

平臺算法的原理是:在測量誤差允許的情況下，液、固相線溫度值對應(yīng)的散點附近的曲線近似作為直線，其流程如圖7所示。

3 結(jié)束語

圖6 拐點算法流程圖

圖7 平臺算法流程圖

如圖8所示為便攜式快速熱分析儀樣機在某鑄造廠做樣時的情況。LCD屏顯示的為當(dāng)前測試的鐵水冷卻曲線，以及C含量、Si含量等。當(dāng)成分分析完成后，微型打印即將測試時間、鐵水成份等信息打印出來。

圖8 便攜式快速熱分析儀樣機

表1所示為在南京某鑄造廠測試的5個試樣的測試結(jié)果與化學(xué)分析結(jié)果比較。樣機測量的C含量相對誤差都在1%以內(nèi)，Si含量相對誤差能達到5%以內(nèi)，完全達到測試要求。

表1 測試結(jié)果

［1］王利華，石德全，李大勇.熱分析技術(shù)在鑄造生產(chǎn)質(zhì)量檢測上的應(yīng)用.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009，38(21):72 －75.

［2］金長久.鐵液質(zhì)量熱分析儀的功能特點及發(fā)展.鑄造技術(shù)，2004，25(10):806－807.

［3］劉長起，王學(xué)華.熱分析儀器使用過程中應(yīng)注意的問題.2009中國鑄造活動周論文集，2009.

［4］朱彬，陳為旭，劉軍民.多功能鑄鐵熔煉爐前綜合分析儀的研制.儀表技術(shù)與傳感器，2008，11:26 －28.

［5］朱彬，累岳俊.手持式智能化鐵水分析儀的研制.儀器儀表學(xué)報，2008，29:481 －483.

［6］夏志全，吳和保，龍玉陽，等.基于LabVIEW 的快速熱分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2011，33(5):94－96.

［7］MC9S12XS128 Data Sheet，［EB/OL］.http://www.freescale.com，2006.

［8］牛軍，常進，張宇.一種基于LON網(wǎng)絡(luò)的智能傳感器節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn).電子測量技術(shù)，2008，31:131 －134.

［9］True Bipolar Input，12 － /14 － Bit，2 － Channel，Simultaneous Sampling SAR ADCs.

［10］AD7366 －5/AD7367 －5 Data Sheet，［EB/OL］.http://www.analog.com，2007.