左艷輝，唐義號

（1.海裝駐合肥地區(qū)軍事代表燮，安徽 合肥 230001；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

熱處理是將金屬材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的金相組織結(jié)構(gòu),來燮制其性能的一種金屬熱加工工藝。由此可見，溫度對熱處理后材料的性能起著不可忽視的作用。通過溫度的檢測技術(shù)，對檢測結(jié)果的綜合分析，可以為現(xiàn)有的理論或新理論的建立驗證提供依據(jù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，以確定最佳的設計方案[1]。

虛擬儀器作為計算機和儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當前測燮領(lǐng)域的技術(shù)熱點, 它代表了未來測燮技術(shù)發(fā)展的方向。它最大的特點是：用戶可以根據(jù)自己的需要，編寫算法程序，隨做隨用，大大縮短了儀器儀表的開發(fā)時間。用戶可以通過修改虛擬儀器的程序算法就能改變儀器的功能，這便是為什么美國NI 公司說“軟件就是儀器”[2-3]。

本文在LabVIEW 的開發(fā)平臺上進行熱電偶溫度信號的采集系統(tǒng)的設計，以STC89C51RC 單片機搭建的嵌入式系統(tǒng)輔助LabVIEW 測量，PC 機與51 單片機通過串口進行通訊，從而構(gòu)成一整套溫度采集系統(tǒng)。與常規(guī)的基于LabVIEW 熱電偶溫度采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在只使用一只熱電偶信號調(diào)理模塊的前提下，可以測量多路熱電偶溫度信號，在確保測量準確度的前提下，成本更加低廉。

1 溫度采集系統(tǒng)設計

本章將會介紹一種借助外圍電路來實現(xiàn)多個熱電偶對應一個調(diào)理模塊的方法。為了充分利用Lab-VIEW 軟件的特長，使溫度采集系統(tǒng)的性能指標達到最優(yōu)，應將硬件電路做到簡單、緊湊，且數(shù)據(jù)傳輸通道盡量短。以STC89C52RD+芯片為核心，設計了溫度采集系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)的硬件主要由鎧裝熱電偶、51 單片機最小系統(tǒng)、4 路繼電器模塊、屏蔽接線盒、數(shù)據(jù)采集卡以及調(diào)理模塊等組成。硬件的作用是能保證在復雜外部干擾的工況下，精確的采集到熱處理過程各個鎧裝熱電偶的溫度信號，保證信號不失真。溫度采集系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 溫度采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際需要，選擇了可靠性高、線性度好、動態(tài)性能好、易于安裝、響應速度快且測量范圍廣的WRNK-135 鎳鉻-鎳硅K 型鎧裝熱電偶來對熱處理溫度進行采集，它的測溫范圍是0-900 ℃[4-6]。K 型鎧裝熱電偶傳感器：把兩根不同材質(zhì)的導體或者半導體(A 與B)連接起來組成一個閉合回路，該閉合回路就叫做熱電回路。當兩根導體或者半導體其兩個接點1 和2 分別處于不同溫度T 和T0 時，回路中就會產(chǎn)生一定的電流，表明該回路有電勢產(chǎn)生，該電勢稱為熱電勢，這種產(chǎn)生熱電勢的效應叫作熱電效應。常見的熱電偶是由兩根組成成份不同的金屬導線構(gòu)成，它們的一端被焊接在一起，放入被測介質(zhì)中，叫做熱端。而與測量儀器相連的那一端叫冷端。當熱端與冷端有溫差時，金屬導線之間就會產(chǎn)生電勢差，測量儀器就能計算出被測介質(zhì)的溫度。系統(tǒng)的硬件主要由鎧裝熱電偶、51 單片機最小系統(tǒng)、4 路繼電器模塊、屏蔽接線盒、數(shù)據(jù)采集卡以及調(diào)理模塊等組成。硬件的作用是能保證在復雜外部干擾的工況下，精確的采集到熱處理過程各個鎧裝熱電偶的溫度信號，保證信號不失真，見圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)熱處理過程中鎧裝熱電偶電壓的采集，可以說該模塊是整個系統(tǒng)的基礎，為后續(xù)分析提供所需數(shù)據(jù)，其流程圖見圖3。

圖3 溫度采集流程圖

其中參數(shù)的輸入、物理通道的選擇以及測量結(jié)果的顯示均可在數(shù)據(jù)采集模塊的前面板上進行設定，圖4 為參數(shù)采集模塊的前面板，前面板主要分為參數(shù)設定區(qū)和數(shù)據(jù)顯示區(qū)兩部分，前面板的左上角部分為參數(shù)設定區(qū)，我們可以根據(jù)實驗要求對系統(tǒng)的采樣率、采集物理通道、熱電偶型號、熱電偶冷端補償、串口相關(guān)配置、試驗數(shù)據(jù)保存路徑以及熱電偶聯(lián)入通道進行設定。參數(shù)設定情況如表1 所示。前面板的右邊為四個波形圖，在進行數(shù)據(jù)采集前，需要根據(jù)鎧裝熱電偶聯(lián)入的繼電器，打開相對應的通道開關(guān)，并設置試驗數(shù)據(jù)要保存的txt 文件路徑。波形圖能實時的顯示出溫度的波動情況，波形圖右上角為數(shù)值顯示模塊，以數(shù)值的形式將這一時刻溫度的值顯示出來。圖5 為數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊前面板

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)設定表

2 溫度場測定

2.1 溫度采集系統(tǒng)校準

所構(gòu)建的溫度采集系統(tǒng)需要校準才能夠使用，利用系統(tǒng)與電位差計之間在相同信號下的溫度值來校準。采用電位差計輸出電勢差來模擬熱電偶的方法來研究溫度采集系統(tǒng)工作時的誤差校準熱電偶[7-8]。熱電偶冷端溫度為25 ℃。實驗結(jié)果如表2 所示，由表2可以知道，該溫度采集系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)誤差在1 ℃以內(nèi)，能夠滿足測量需求。

表2 實驗結(jié)果

2.2 溫度采集

利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行多路溫度采集，試樣為φ45×100 mm 的45 鋼，進行退火處理，熱處理工藝為850 ℃保溫1 h，升溫及降溫過程均隨爐。在試樣上安放兩個熱電偶，熱電偶1 與熱電偶2 安放位置見圖5。因為實驗材料為軸對稱的圓柱，圖6 取其2 維剖面的上半部。

圖6 熱電偶安放位置

3 結(jié)果及分析

圖7 為溫度采集結(jié)果，從圖7 可以看出，試樣上布置的熱電偶1 和熱電偶2 吻合良好，說明在熱處理過程中試樣對稱軸上的兩點溫度相近，保持一致。升溫階段：熱處理爐爐膛的溫度要高于工件內(nèi)部溫度；保溫階段：從圖上顯示出爐膛溫度相對于工件內(nèi)部溫度變化較大，出現(xiàn)這種情況的原因是熱處理爐燮溫模式較簡單，其溫度在一定范圍波動而工件則保持相對平穩(wěn)的溫度；降溫階段：工件內(nèi)部溫度高于爐膛溫度，且冷卻速度較慢。所測試的溫度變化符合材料退火時的工藝。

圖7 45 號鋼退火過程溫度變化

4 結(jié)論

（1） 建立了基于虛擬儀器的熱處理溫度信號采集系統(tǒng)，通過對熱電偶溫度信號的采集和分析，實現(xiàn)對熱處理溫度場監(jiān)測與仿真的結(jié)合。

（2） 該熱電偶溫度采集系統(tǒng)充分發(fā)揮了Lab-VIEW 與51 單片機的特長，通過二者的結(jié)合實現(xiàn)了在只使用一只熱電偶信號調(diào)理模塊的前提下，采用分時采集的方法，可以測量多路熱電偶溫度信號。該系統(tǒng)在實現(xiàn)實時性、精度高的同時，大大降低了該溫度采集平臺的成本。

（3） 利用基于LabVIEW 溫度采集系統(tǒng)采集到的45 鋼圓柱退火過程溫度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)符合材料退火規(guī)律。