楊亞斐,張 鵬,鄭念慶,杜 挺

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司,陜西 西安 710021)

冶金、熱處理行業(yè)中,溫度是非常關(guān)鍵的參數(shù),電爐溫度的準(zhǔn)確性直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。目前對于電爐溫度的監(jiān)控手段主要是均溫性測試,國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)有:GBT9452—2012(國內(nèi)民用標(biāo)準(zhǔn))、HB5425—2012(國內(nèi)航空標(biāo)準(zhǔn))、AMS2750F[1](美國宇航標(biāo)準(zhǔn))。均溫性測試大多在空載狀態(tài)下進(jìn)行,無法模擬真實工況反映出保溫過程、連續(xù)出爐過程爐內(nèi)的實時溫度;實際加熱生產(chǎn)中,不同的裝爐重量,不同的裝爐擺放位置也會形成不同的溫場,對產(chǎn)品加熱過程造成不同程度的影響。對于生產(chǎn)過程中實時溫度的采集,采用人工測量費時費力,采用有線傳輸成本較高,出問題難排查,因此設(shè)計一套穩(wěn)定、低成本、易操作的負(fù)載溫度采集系統(tǒng),具有十分重要的意義。本文基于熱電偶測溫原理, ESP8266串口通信原理,搭建出了一套溫度采集系統(tǒng)[2],實現(xiàn)了加熱過程中負(fù)載溫度的實時采集。

1 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖1 所示[3]。系統(tǒng)由溫度傳感器,信號轉(zhuǎn)換模塊,數(shù)據(jù)接收模塊三個部分組成,模塊之間通過串口連接,溫度傳感器采用S(PtRh-Pt)[4]分度熱電偶,可以長期在0～1 200 ℃溫度穩(wěn)定使用,信號轉(zhuǎn)換模塊選用了帶RS485通信功能的XMT70X數(shù)字儀表和基于ESP8266芯片的D1 MINI PRO WIFI開發(fā)板[5]。串口模塊均采用5V電源供電。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 熱電偶測溫原理

熱電偶是加熱設(shè)備中使用最廣泛的溫度傳感器之一,熱電偶的工作原理基于塞貝克效應(yīng),由兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體組成,兩端分別連接在一起形成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度差異時,就會形成塞貝克電勢,二次儀表通過測量熱電勢得到溫度值[6],如圖2所示。

圖2 熱電偶測溫原理圖

A導(dǎo)體溫差電勢:

B導(dǎo)體溫差電勢:

T端接觸電勢:

T0端接觸電勢:

熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢差:

EAB(T,T0)=[eAB(T)+eB(T,T0)]-[eAB(T0)+eA(T,T0)]

熱電偶回路中總電勢與溫度T成非線性函數(shù)關(guān)系:

EAB(T,T0)=f(T)-C=?(T)

由以上函數(shù)看出熱電偶回路中的總電勢與A、B材料的中間溫度無關(guān),只與T、T0兩端溫度有關(guān),在使用中,T、T0兩端,測量端在高溫環(huán)境下,接線端在室溫環(huán)境下,室溫環(huán)境下溫度波動較小,所以可以理解為,熱電偶回路中的總電勢與熱電偶測量端的溫度呈非線性正相關(guān)函數(shù)關(guān)系[7-8]。

1.3 ESP8266串口電路

熱電偶采集到的熱學(xué)信號通過補(bǔ)償導(dǎo)線傳遞至采集儀表,采集儀表通過RS485轉(zhuǎn)TTL模塊將溫度信號轉(zhuǎn)化為芯片可識別的電平信號,并傳遞至ESP8266芯片, ESP8266芯片將采集到的電平信號轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)信號并傳輸至內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器。ESP8266芯片需要提前通過Arduino軟件編程,定義針腳,配置WIFI,定義數(shù)據(jù)收發(fā)方式,并將程序燒錄至ESP8266芯片,串口連接圖如圖3所示,模塊組件如圖4所示。

圖3 串口連接圖

圖4 模塊組件

1.4 串口代碼

SoftwareSerial mySerial(12, 14); // RX, TX

union data{ float f; byte d[4];};

data u;

byte sd[8]= {0x01, 0x03, 0x01, 0x60, 0x00, 0x02, 0xc5, 0xe9};//前綴“0x”表示16進(jìn)制

void sendmsg() {

for (int i = 0; i <8; i++)

mySerial.write(sd[i]);

voidgetmsg() {

int n = 0;

while (mySerial.available() >0) { //獲取串口上可讀取的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)

n++;

char c = mySerial.read(); //讀取傳入的串口的數(shù)據(jù)

if (n == 4) u.d[3]= c;

else if (n == 5) u.d[2]= c;

else if (n == 6) u.d[1]= c;

else if (n == 7) u.d[0]= c;

else if (n == 9) {

Serial.println(u.f);

break;

}

delay(1);

}

}

1.5 溫度采集系統(tǒng)應(yīng)用界面

應(yīng)用界面開發(fā)基于SQLserver數(shù)據(jù)庫原理,使用帆軟(FineReport)開發(fā)工具對數(shù)據(jù)集進(jìn)行抓取、定義、公式運算[9],實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的圖表化展示,采集系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 采集系統(tǒng)界面

2 數(shù)據(jù)采集可靠性驗證

軟硬件功能實現(xiàn)后,為了驗證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,進(jìn)行了負(fù)載比對實驗。緊貼物料表面布置一支高精度鎧裝測試傳感器[10],如圖6所示,傳感器采集數(shù)值為754 ℃,約定該溫度為物料表面真實溫度。采集系統(tǒng)傳感器溫度為760 ℃,對采集系統(tǒng)增加-6 ℃修正,使采集系統(tǒng)溫度等于測試傳感器溫度。由于采集系統(tǒng)傳感器為S分度,可以在700～1 200 ℃環(huán)境下長期穩(wěn)定使用。只要定期進(jìn)行比對試驗,調(diào)整采集系統(tǒng)修正,就可以保障采集系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 對比試驗示意圖

3 結(jié) 語

本文基于熱電偶、ESP8266芯片,完成了系統(tǒng)硬件與串口模塊的連接,配置了系統(tǒng)軟件參數(shù),設(shè)計出了一套溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),介紹了溫度采集系統(tǒng)的整體硬件框架,熱電偶測溫原理,串口電路信號轉(zhuǎn)化傳遞原理,ESP8266芯片核心代碼,實現(xiàn)了加熱作業(yè)中負(fù)載溫度的實時采集,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。