鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀的製作方法

2023-10-09 14:09:49

專利名稱：鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及鐵合金微碳鉻鐵中矽含量的測試儀器技術領域。
背景技術：
微碳鉻鐵中矽含量的測量一般採用化學法，即選取一塊冷卻後的微碳鉻鐵試樣，將其粉 碎成粉沫狀，加入一定量的化學試劑，進行化學反應，再由測定儀對矽元素進行計量。化驗 室常規測定一般需2小時才能測出試樣中含矽含量的數據，對正在冶煉中微碳鉻鐵的產品的 質量的不能起到及時快速判斷，不利於及時採用技術措施來提高產品的質量及合格率。

實用新型內容
本實用新型的目的就是為了克服化驗室常規微碳鉻鐵中含矽量測定時間長，無法及時指 導現場冶煉生產的缺點，提供一種微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，該儀器不僅能測出被測試 樣中的含矽量，同時能在幾分鐘的時間內獲取含矽的數據。
為達上述目的，本實用新型所採用的具體技術方案如下-
鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，包括測矽傳感器、溫度控制器、V/F轉換器、熱電 勢放大器及單片機和顯示器，其中測矽傳感器通過電路連接有溫度控制器使其恆溫，測矽傳 感器還通過電路依次與熱電勢放大器、V/F轉換器、單片機及顯示器連接。
上述的鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，較佳的方案是所說的測矽傳感器，其包 括黃銅製作的圓錐形，圓錐形內設置的電熱管及與圓錐形接觸的鉑熱電阻。其中鉑電阻通過 V/F校正器後與溫度控制器連接，電熱管通過電路與溫度控制器連接。測矽傳感器通過溫度控 制器，使其恆溫在280。C ±2°C 。
測矽傳感器還把測矽傳感器與壓緊裝置之間的試樣中的矽含量的數據經熱電勢放大器、 V/F轉換器、單片機在顯示器顯示出來。
熱電勢放大器優選美國A/D公司生產2B31型信號調理器，熱電勢放大器的輸出電壓經過 V/F轉換器轉換成脈衝量，送入單片機中。
本實用新型的有益效果本實用新型的微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀能現場快速測定合金 鐵中的矽含量，且不需要對微碳鉻鐵進行特別處理；也不需要使用其它的試劑，簡單方便。 另外，微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀本身的結構設計巧妙、簡單，最後的電腦能顯示最終測試結果。

圖1為本實用新型微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀結構原理示意圖
圖2為V/F轉換器電路
圖3為鉑熱電阻非線性測量線路
圖4為鉑熱電阻校正線路
圖5為控制電路
圖6為控制波形圖
附圖標記說明1-黃銅製成的圓錐形 2-鉑熱電阻 3-電熱管
具體實施方式實施例1
如圖1所示，本實用新型所述的微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，包括測矽傳感器、溫度 控制器、VZF轉換器、熱電勢放大器及由單片機和顯示器，其中測矽傳感器通過電路連接有溫 度控制器使其恆溫，測矽傳感器還通過電路依次與熱電勢放大器、V/F轉換器、單片機及顯示 器連接。測矽傳感器把測矽傳感器與壓緊裝置之間的試樣中的矽含量的數據經熱電勢放大器、 V/F轉換器、單片機在顯示器上顯示出來。
一、具體儀器組成
1、 傳感器
由黃銅材質製成圓錐形狀，其尺寸為小80X110 (H)，與之接觸的有一個檢測溫度的鉑電 阻，圓錐形內設有電熱管加熱，要求恆溫在28(rC±2°C;所以應考慮其有十分良好的保溫性 能；
2、 溫度控制器
該控制器的核心是單片機。鉑電阻檢測傳感器的溫度，經過非線性校正後由單片機採集 該溫度，控制電熱管來對傳感器加熱，並使傳感器恆溫在28(TC 。加熱控制矽採用"調功"方 式，使其有很高的控制精度。
根據熱電原理，要求一種導體性質及溫度不變及有一定恆溫特性，所以傳感器作為一種 導體，要求其溫度控制必須符合熱電原理。
3、 熱電勢放大器
4被測的微炭鉻鐵的樣塊須先在常溫水中冷卻後，敲開斷面，將其放置在傳感器與壓緊裝 置之間並緊密接觸。根據熱電原理，傳感器與試樣接觸後，會產生熱電勢。由於微炭絡中的 其他成分Cr， C， Fe等基本不變，也就是Fe， Cr， C基本不與黃銅探頭起反應，而微炭鉻中 的Si與黃銅探頭起了熱電效應，產生了 0 1mV之間的熱電勢。該微弱電勢，必須經過信號放 大，才能被單片微機接收，由於放大的是微伏信號，所以要考慮微弱信號檢測及噪音的抑制 等問題。
放大器選用美國A/D公司生產2B31型信號調理器。它由一個高性能的儀器放大器、 一個 具塞爾三極點低通過濾器和一個可調激勵電源三個主要部分構成。此放大器具有體積小、價 格低、漂移小(0.5uV/°C)、噪聲低(In Vp-P)、共模抑制比高(最低為140dB)、線性優良(最 大為0.0025%)、 130V^的輸入保護能力及低通濾波的截止頻率(2HZ—5KHZ)、放大倍數(l一 2000倍)、輸出失調電平和電橋激勵源(電壓方式4V—15V)， 100mA，電流方式(100yA— 10mA)都是可調等許多優良性能。放大器的輸出電壓經過V/F轉換成脈衝量，送入單片機中。
4、 V/F轉換電路
V/F轉換器作用是將放大器輸出信號經轉換成脈衝量(即數字量)，其實質是A/D轉換器。 其轉換電路如圖2所示。
上述電路的輸出頻率f。與輸入電壓仏的關係為
二 iW J。 2.09KC,
Rs用來調節增益大小以獲得所需的轉換精度，脈衝信號通過MCS-51單片機的引腳T1讀入 內存，根據脈衝數便測得傳感器的溫度了。
5、 數據處理
首先按確定的樣本進行標定。樣本當然越多越好。但是由於樣本數據的離散性。可能要 佔據很大的內存空間。我們可以採用數值方法進行分段擬合成直線方程，也就形成了測矽的 數學模型，也可以用最小二乘解求曲線方程。
當進行爐前快速測試時，根據讀入的數字量就可以尋找相應的區間，通過計算找出對應 的Siy。量。
6、 壓緊裝置
由黃銅材質和彈簧組成的機構。 二.溫度控制1、 鉑電阻的非線性校正。
傳感器的溫度是通過鉑電阻來測量。
鉑熱電阻是一種廣泛應用的溫度傳感器，測量的範圍0 50(TC，溫度與電阻間存在非線性 關係，通常將鉑電阻接入不平衡電橋進行溫度測量，以獲得電壓信號。
如圖3。此電路的輸出Us與溫度t間的關係是非線性的，非線性誤差的大小與電路參數
有關，均為百分之幾至百分之十幾，因此要得到線性的溫度一電壓轉換關係，必須進行非線 性校正。
圖4所示為校正線路，電路中的R4是用以引入適量的正反饋，從而抵消在測量上限 段的較嚴重的非線性誤差。電路中設置的零點與滿度調節可實現1—5V DC標準電壓信號 輸出。此電路輸出電壓U。與溫度t的關係式如下
"o =/^(1 +夂2"卜《2(/ +尺 +L )
其中t的高次項與其一次、二次項相比非常之小，可忽略不計而不會對精度產生影響，
Id、 K2 、 K3是與電路有關的常數，顯然，若使"+ ^^:0便可消除造成非線性的二次 項，從而實現非線性校正。K3與正反饋電阻R4及電路其它元件參數有關，可按滿足
/ +《3 2=0來選取R4的值。按此原理得到R4計算式為
i 0， + "2)(,-1)
A=-T^^5^
i o-(/ + "2) + ^
電路元件參數若為R^R^lkQ, R3=100Q，R6/R5=R8/R7=4則可得R^2. 1KQ，在實際製作 中，需保證元件參數的精確，可設置R4為精密電位器，結合零點與滿度調節使電路輸出擬合 理想的線性溫度電壓特性曲線，以保證轉換精度。
2、 校正線路的輸出
校正線路的輸出經V/F送入溫控單片機。V/F轉換方法同前，不再重複。
3、 可控矽調功控制
傳感器的溫度控制採用雙向可控矽交流"調功"方式控制加熱電熱管發熱量，即上述採集 溫度值與傳感器預置溫度28(TC相差大時，控制可控矽導通、升溫，通過PID調節，使準確達 到預定的溫度。所謂調功，即在每一個控制周期時間內，改變加在電熱管上交流電壓半波的 個數來調節電熱絲的發熱量。
設電熱絲在額定交流電壓下的發熱功率為^ ，交流電的頻率為/，則每秒鐘交流半周波的
6個數為2/，在額定電壓下，每一個半周波在電熱絲上所消耗的電功率為^/2/ ，當在每一控 制周期T內交流半周波的總個數為N，而實際導通的個數為n，不導通的個數為(W-")，則在 一個控制周期T內電熱絲消耗的電能量為『r = "'^m/ ,對K個控制周期而言，電熱 絲所消耗的電能為『=^^ = "^7^/2/ ，設K個控制周期的時間，則 f^-AP"/2/ ，由此可見，改變每個控制周期內通過加熱電熱管交流半周波的個數，就能 改變電熱絲所消耗的電能，也就改變了加熱電熱絲的發熱量。
數字實現SCR的過零控制需要解決的兩個問題 一是要能實現工頻電壓的正負過零檢測， 並在過零時產生脈衝信號；二是過零脈衝信號必須受單片機輸出信息的控制。從而控制SCR 過零觸發脈衝的個數。
(1) 硬體電路設計
① 工頻電壓的正負過零檢測，且在過零時產生50HZ和100HZ的脈衝序列。其中50HZ脈 衝作為工頻電壓過零的同步信號，而100HZ脈衝是提供SCR過零觸發的脈衝。
② 由單片機發出的控制電平，去控制SCR的過零觸發的脈衝數。
控制電路如圖5，波形圖如圖6。它由緩衝放大器U,，電壓比較器lk、 U2B、 單穩電路 與門控電路組成，其工作原理說明如下
將幅值為40V的工頻電壓的Usr施加到緩衝放大器U,的輸入端，經緩衝後，將其負半周 電壓削波(這裡為了與電壓比較器相匹配所需的)送至電壓比較器U2A、 U2B、 U2C ，
U2A是由電壓比較器組成的一個史密特觸發器，通過U2A的工頻正弦信號，被整形成矩形方 波U2,1]2再去觸發後一級的單穩，形成一個頻率50HZ，脈寬約7 u s的信號，這個信號連至8031
單片機的^端，作為工頻電壓過零的同步信號，這意味著，只要中斷請求，^信號有 效，即工頻電壓過零時刻到來。
U2B， lk組成工頻電壓的正，負過零檢測電路。U2B， Lk的輸出經微分電路複合後去驅動後 一級的單穩電路。單穩電路輸出一個頻率為100Hz，脈寬為400yS的正脈衝序列。然後通過 門控電路仏去實現SCR的過零觸發。
單片微機設定P1.0位為輸出控制電平信號，加至門控電路1]3，用以控制SCR過零觸發的 觸發脈衝電路。由上可知，硬體電路提供了工頻電壓過零的同步信號SCR的過零觸發脈衝信 號，以及控制電平，但並不能把這些信號有機聯繫起來，這些任務由軟體完成。
(2) 軟體設計
①識別工頻的過零時刻，並在過零時刻開啟和關閉控制門，以保證SCR主迴路產生整數個正弦全波。
②保證門控電路的打開時間正比於單片機輸出控制量。那麼，要完成上述軟體任務。首
先應將單片機輸出控制量在主程序中，換算成SCR主迴路中整數正弦全波個數N。由於信 號反映工頻電壓過零時刻；因此只要在外中斷1的中斷服務程序中執行下述功能，就可以按 照運算結果控制量的要求實現SCR的過零控制。
外中斷的中斷服務程序具體實現的功能是i )中斷時，完成控制門的開啟與關閉。即
單片機8031的P1.0位置"1"或復"O"。 2)利用中斷服務次數，對控制量N進行記數和判斷， 即每中斷一次，對N進行減一計數，如N^0，保持控制電平P1.0為1，繼續打開控制門。如 N，O，則使控制電平P1.0復位為"0"，關閉控制門，使SCR過零觸發脈衝不再通過。而達到 按控制量控制的效果。
權利要求1. 鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，其特徵在於，包括測矽傳感器、溫度控制器、V/F轉換器、熱電勢放大器及單片機和顯示器，其中測矽傳感器通過電路連接有溫度控制器使其恆溫，測矽傳感器還通過電路依次與熱電勢放大器、V/F轉換器、單片機及顯示器連接。
2. 如權利要求1所述的鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，其特徵在於，所說的測矽傳感 器包括黃銅製作的圓錐形，圓錐形內設置的電熱管及與圓錐形接觸的鉑熱電阻。
3. 如權利要求2所述的鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，其特徵在於，所說的鉑熱電阻通過V/F校正器後與溫度控制器連接，電熱管通過電路與溫度控制器連接。
4. 如權利要求1所述的鐵合金微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀，其特徵在於，熱電勢放大器為 2B31型信號調理器。
專利摘要本實用新型涉及鐵合金微碳鉻鐵中矽含量的測試儀器技術領域。本實用新型所述的微碳鉻鐵中矽含量快速測試儀包括測矽傳感器、溫度控制器、V/F轉換器、熱電勢放大器及由單片機和顯示器，其中測矽傳感器通過電路連接有溫度控制器使其恆溫，測矽傳感器還通過電路依次與熱電勢放大器、V/F轉換器、單片機及顯示器連接。本實用新型的測試儀能現場快速測定合金鐵中的矽含量，且不需要對微碳鉻鐵進行特別處理，也不需要使用其它的試劑，簡單方便，電腦能直接顯示最終測試結果。
文檔編號G01N27/14GK201281701SQ20082015345
公開日2009年7月29日 申請日期2008年9月25日 優先權日2008年9月25日
發明者蘇家健 申請人:上海第二工業大學