專利名稱：鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及鐵合金微碳鉻鐵中硅含量的測(cè)試儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微碳鉻鐵中硅含量的測(cè)量一般采用化學(xué)法，即選取一塊冷卻后的微碳鉻鐵試樣，將其粉 碎成粉沫狀，加入一定量的化學(xué)試劑，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，再由測(cè)定儀對(duì)硅元素進(jìn)行計(jì)量?；?yàn) 室常規(guī)測(cè)定一般需2小時(shí)才能測(cè)出試樣中含硅含量的數(shù)據(jù)，對(duì)正在冶煉中微碳鉻鐵的產(chǎn)品的 質(zhì)量的不能起到及時(shí)快速判斷，不利于及時(shí)采用技術(shù)措施來提高產(chǎn)品的質(zhì)量及合格率。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是為了克服化驗(yàn)室常規(guī)微碳鉻鐵中含硅量測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，無法及時(shí)指 導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)冶煉生產(chǎn)的缺點(diǎn)，提供一種微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，該儀器不僅能測(cè)出被測(cè)試 樣中的含硅量，同時(shí)能在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)獲取含硅的數(shù)據(jù)。
為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型所采用的具體技術(shù)方案如下-
鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，包括測(cè)硅傳感器、溫度控制器、V/F轉(zhuǎn)換器、熱電 勢(shì)放大器及單片機(jī)和顯示器，其中測(cè)硅傳感器通過電路連接有溫度控制器使其恒溫，測(cè)硅傳 感器還通過電路依次與熱電勢(shì)放大器、V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及顯示器連接。
上述的鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，較佳的方案是所說的測(cè)硅傳感器，其包 括黃銅制作的圓錐形，圓錐形內(nèi)設(shè)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校正器后與溫度控制器連接，電熱管通過電路與溫度控制器連接。測(cè)硅傳感器通過溫度控 制器，使其恒溫在280。C ±2°C 。
測(cè)硅傳感器還把測(cè)硅傳感器與壓緊裝置之間的試樣中的硅含量的數(shù)據(jù)經(jīng)熱電勢(shì)放大器、 V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)在顯示器顯示出來。
熱電勢(shì)放大器優(yōu)選美國A/D公司生產(chǎn)2B31型信號(hào)調(diào)理器，熱電勢(shì)放大器的輸出電壓經(jīng)過 V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成脈沖量，送入單片機(jī)中。
本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型的微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀能現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定合金 鐵中的硅含量，且不需要對(duì)微碳鉻鐵進(jìn)行特別處理；也不需要使用其它的試劑，簡(jiǎn)單方便。 另外，微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、簡(jiǎn)單，最后的電腦能顯示最終測(cè)試結(jié)果。

圖1為本實(shí)用新型微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀結(jié)構(gòu)原理示意圖
圖2為V/F轉(zhuǎn)換器電路
圖3為鉑熱電阻非線性測(cè)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(biāo)記說明1-黃銅制成的圓錐形 2-鉑熱電阻 3-電熱管
具體實(shí)施方式實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)用新型所述的微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，包括測(cè)硅傳感器、溫度 控制器、VZF轉(zhuǎn)換器、熱電勢(shì)放大器及由單片機(jī)和顯示器，其中測(cè)硅傳感器通過電路連接有溫 度控制器使其恒溫，測(cè)硅傳感器還通過電路依次與熱電勢(shì)放大器、V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及顯示 器連接。測(cè)硅傳感器把測(cè)硅傳感器與壓緊裝置之間的試樣中的硅含量的數(shù)據(jù)經(jīng)熱電勢(shì)放大器、 V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)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(zhì)制成圓錐形狀，其尺寸為小80X110 (H)，與之接觸的有一個(gè)檢測(cè)溫度的鉑電 阻，圓錐形內(nèi)設(shè)有電熱管加熱，要求恒溫在28(rC±2°C;所以應(yīng)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(jī)。鉑電阻檢測(cè)傳感器的溫度，經(jīng)過非線性校正后由單片機(jī)采集 該溫度，控制電熱管來對(duì)傳感器加熱，并使傳感器恒溫在28(TC 。加熱控制硅采用"調(diào)功"方 式，使其有很高的控制精度。
根據(jù)熱電原理，要求一種導(dǎo)體性質(zhì)及溫度不變及有一定恒溫特性，所以傳感器作為一種 導(dǎo)體，要求其溫度控制必須符合熱電原理。
3、 熱電勢(shì)放大器
4被測(cè)的微炭鉻鐵的樣塊須先在常溫水中冷卻后，敲開斷面，將其放置在傳感器與壓緊裝 置之間并緊密接觸。根據(jù)熱電原理，傳感器與試樣接觸后，會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。由于微炭絡(luò)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(yīng)，而微炭鉻中 的Si與黃銅探頭起了熱電效應(yīng)，產(chǎn)生了 0 1mV之間的熱電勢(shì)。該微弱電勢(shì)，必須經(jīng)過信號(hào)放 大，才能被單片微機(jī)接收，由于放大的是微伏信號(hào)，所以要考慮微弱信號(hào)檢測(cè)及噪音的抑制 等問題。
放大器選用美國A/D公司生產(chǎn)2B31型信號(hào)調(diào)理器。它由一個(gè)高性能的儀器放大器、 一個(gè) 具塞爾三極點(diǎn)低通過濾器和一個(gè)可調(diào)激勵(lì)電源三個(gè)主要部分構(gòu)成。此放大器具有體積小、價(jià) 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(yōu)良(最 大為0.0025%)、 130V^的輸入保護(hù)能力及低通濾波的截止頻率(2HZ—5KHZ)、放大倍數(shù)(l一 2000倍)、輸出失調(diào)電平和電橋激勵(lì)源(電壓方式4V—15V)， 100mA，電流方式(100yA— 10mA)都是可調(diào)等許多優(yōu)良性能。放大器的輸出電壓經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換成脈沖量，送入單片機(jī)中。
4、 V/F轉(zhuǎn)換電路
V/F轉(zhuǎn)換器作用是將放大器輸出信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換成脈沖量(即數(shù)字量)，其實(shí)質(zhì)是A/D轉(zhuǎn)換器。 其轉(zhuǎn)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(guān)系為
二 iW J。 2.09KC,
Rs用來調(diào)節(jié)增益大小以獲得所需的轉(zhuǎn)換精度，脈沖信號(hào)通過MCS-51單片機(jī)的引腳T1讀入 內(nèi)存，根據(jù)脈沖數(shù)便測(cè)得傳感器的溫度了。
5、 數(shù)據(jù)處理
首先按確定的樣本進(jìn)行標(biāo)定。樣本當(dāng)然越多越好。但是由于樣本數(shù)據(jù)的離散性。可能要 占據(jù)很大的內(nèi)存空間。我們可以采用數(shù)值方法進(jìn)行分段擬合成直線方程，也就形成了測(cè)硅的 數(shù)學(xué)模型，也可以用最小二乘解求曲線方程。
當(dāng)進(jìn)行爐前快速測(cè)試時(shí)，根據(jù)讀入的數(shù)字量就可以尋找相應(yīng)的區(qū)間，通過計(jì)算找出對(duì)應(yīng) 的Siy。量。
6、 壓緊裝置
由黃銅材質(zhì)和彈簧組成的機(jī)構(gòu)。 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(cè)量。
鉑熱電阻是一種廣泛應(yīng)用的溫度傳感器，測(cè)量的范圍0 50(TC，溫度與電阻間存在非線性 關(guān)系，通常將鉑電阻接入不平衡電橋進(jìn)行溫度測(cè)量，以獲得電壓信號(hào)。
如圖3。此電路的輸出Us與溫度t間的關(guān)系是非線性的，非線性誤差的大小與電路參數(shù)
有關(guān)，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(zhuǎn)換關(guān)系，必須進(jìn)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(cè)量上限 段的較嚴(yán)重的非線性誤差。電路中設(shè)置的零點(diǎn)與滿度調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)1—5V DC標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào) 輸出。此電路輸出電壓U。與溫度t的關(guān)系式如下
"o =/^(1 +夂2"卜《2(/ +尺 +L )
其中t的高次項(xiàng)與其一次、二次項(xiàng)相比非常之小，可忽略不計(jì)而不會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響，
Id、 K2 、 K3是與電路有關(guān)的常數(shù)，顯然，若使"+ ^^:0便可消除造成非線性的二次 項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)非線性校正。K3與正反饋電阻R4及電路其它元件參數(shù)有關(guān)，可按滿足
/ +《3 2=0來選取R4的值。按此原理得到R4計(jì)算式為
i 0， + "2)(,-1)
A=-T^^5^
i o-(/ + "2) + ^
電路元件參數(shù)若為R^R^lkQ, R3=100Q，R6/R5=R8/R7=4則可得R^2. 1KQ，在實(shí)際制作 中，需保證元件參數(shù)的精確，可設(shè)置R4為精密電位器，結(jié)合零點(diǎn)與滿度調(diào)節(jié)使電路輸出擬合 理想的線性溫度電壓特性曲線，以保證轉(zhuǎn)換精度。
2、 校正線路的輸出
校正線路的輸出經(jīng)V/F送入溫控單片機(jī)。V/F轉(zhuǎn)換方法同前，不再重復(fù)。
3、 可控硅調(diào)功控制
傳感器的溫度控制采用雙向可控硅交流"調(diào)功"方式控制加熱電熱管發(fā)熱量，即上述采集 溫度值與傳感器預(yù)置溫度28(TC相差大時(shí)，控制可控硅導(dǎo)通、升溫，通過PID調(diào)節(jié)，使準(zhǔn)確達(dá) 到預(yù)定的溫度。所謂調(diào)功，即在每一個(gè)控制周期時(shí)間內(nèi)，改變加在電熱管上交流電壓半波的 個(gè)數(shù)來調(diào)節(jié)電熱絲的發(fā)熱量。
設(shè)電熱絲在額定交流電壓下的發(fā)熱功率為^ ，交流電的頻率為/，則每秒鐘交流半周波的
6個(gè)數(shù)為2/，在額定電壓下，每一個(gè)半周波在電熱絲上所消耗的電功率為^/2/ ，當(dāng)在每一控 制周期T內(nèi)交流半周波的總個(gè)數(shù)為N，而實(shí)際導(dǎo)通的個(gè)數(shù)為n，不導(dǎo)通的個(gè)數(shù)為(W-")，則在 一個(gè)控制周期T內(nèi)電熱絲消耗的電能量為『r = "'^m/ ,對(duì)K個(gè)控制周期而言，電熱 絲所消耗的電能為『=^^ = "^7^/2/ ，設(shè)K個(gè)控制周期的時(shí)間，則 f^-AP"/2/ ，由此可見，改變每個(gè)控制周期內(nèi)通過加熱電熱管交流半周波的個(gè)數(shù)，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(fā)熱量。
數(shù)字實(shí)現(xiàn)SCR的過零控制需要解決的兩個(gè)問題 一是要能實(shí)現(xiàn)工頻電壓的正負(fù)過零檢測(cè)， 并在過零時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)；二是過零脈沖信號(hào)必須受單片機(jī)輸出信息的控制。從而控制SCR 過零觸發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)。
(1) 硬件電路設(shè)計(jì)
① 工頻電壓的正負(fù)過零檢測(cè)，且在過零時(shí)產(chǎn)生50HZ和100HZ的脈沖序列。其中50HZ脈 沖作為工頻電壓過零的同步信號(hào)，而100HZ脈沖是提供SCR過零觸發(fā)的脈沖。
② 由單片機(jī)發(fā)出的控制電平，去控制SCR的過零觸發(fā)的脈沖數(shù)。
控制電路如圖5，波形圖如圖6。它由緩沖放大器U,，電壓比較器lk、 U2B、 單穩(wěn)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施加到緩沖放大器U,的輸入端，經(jīng)緩沖后，將其負(fù)半周 電壓削波(這里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(gè)史密特觸發(fā)器，通過U2A的工頻正弦信號(hào)，被整形成矩形方 波U2,1]2再去觸發(fā)后一級(jí)的單穩(wěn)，形成一個(gè)頻率50HZ，脈寬約7 u s的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)連至8031
單片機(jī)的^端，作為工頻電壓過零的同步信號(hào)，這意味著，只要中斷請(qǐng)求，^信號(hào)有 效，即工頻電壓過零時(shí)刻到來。
U2B， lk組成工頻電壓的正，負(fù)過零檢測(cè)電路。U2B， Lk的輸出經(jīng)微分電路復(fù)合后去驅(qū)動(dòng)后 一級(jí)的單穩(wěn)電路。單穩(wěn)電路輸出一個(gè)頻率為100Hz，脈寬為400yS的正脈沖序列。然后通過 門控電路仏去實(shí)現(xiàn)SCR的過零觸發(fā)。
單片微機(jī)設(shè)定P1.0位為輸出控制電平信號(hào)，加至門控電路1]3，用以控制SCR過零觸發(fā)的 觸發(fā)脈沖電路。由上可知，硬件電路提供了工頻電壓過零的同步信號(hào)SCR的過零觸發(fā)脈沖信 號(hào)，以及控制電平，但并不能把這些信號(hào)有機(jī)聯(lián)系起來，這些任務(wù)由軟件完成。
(2) 軟件設(shè)計(jì)
①識(shí)別工頻的過零時(shí)刻，并在過零時(shí)刻開啟和關(guān)閉控制門，以保證SCR主回路產(chǎn)生整數(shù)個(gè)正弦全波。
②保證門控電路的打開時(shí)間正比于單片機(jī)輸出控制量。那么，要完成上述軟件任務(wù)。首
先應(yīng)將單片機(jī)輸出控制量在主程序中，換算成SCR主回路中整數(shù)正弦全波個(gè)數(shù)N。由于信 號(hào)反映工頻電壓過零時(shí)刻；因此只要在外中斷1的中斷服務(wù)程序中執(zhí)行下述功能，就可以按 照運(yùn)算結(jié)果控制量的要求實(shí)現(xiàn)SCR的過零控制。
外中斷的中斷服務(wù)程序具體實(shí)現(xiàn)的功能是i )中斷時(shí)，完成控制門的開啟與關(guān)閉。即
單片機(jī)8031的P1.0位置"1"或復(fù)"O"。 2)利用中斷服務(wù)次數(shù)，對(duì)控制量N進(jìn)行記數(shù)和判斷， 即每中斷一次，對(duì)N進(jìn)行減一計(jì)數(shù)，如N^0，保持控制電平P1.0為1，繼續(xù)打開控制門。如 N，O，則使控制電平P1.0復(fù)位為"0"，關(guān)閉控制門，使SCR過零觸發(fā)脈沖不再通過。而達(dá)到 按控制量控制的效果。
權(quán)利要求1. 鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，其特征在于，包括測(cè)硅傳感器、溫度控制器、V/F轉(zhuǎn)換器、熱電勢(shì)放大器及單片機(jī)和顯示器，其中測(cè)硅傳感器通過電路連接有溫度控制器使其恒溫，測(cè)硅傳感器還通過電路依次與熱電勢(shì)放大器、V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及顯示器連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，其特征在于，所說的測(cè)硅傳感 器包括黃銅制作的圓錐形，圓錐形內(nèi)設(shè)置的電熱管及與圓錐形接觸的鉑熱電阻。
3. 如權(quán)利要求2所述的鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，其特征在于，所說的鉑熱電阻通過V/F校正器后與溫度控制器連接，電熱管通過電路與溫度控制器連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的鐵合金微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀，其特征在于，熱電勢(shì)放大器為 2B31型信號(hào)調(diào)理器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及鐵合金微碳鉻鐵中硅含量的測(cè)試儀器技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型所述的微碳鉻鐵中硅含量快速測(cè)試儀包括測(cè)硅傳感器、溫度控制器、V/F轉(zhuǎn)換器、熱電勢(shì)放大器及由單片機(jī)和顯示器，其中測(cè)硅傳感器通過電路連接有溫度控制器使其恒溫，測(cè)硅傳感器還通過電路依次與熱電勢(shì)放大器、V/F轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及顯示器連接。本實(shí)用新型的測(cè)試儀能現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定合金鐵中的硅含量，且不需要對(duì)微碳鉻鐵進(jìn)行特別處理，也不需要使用其它的試劑，簡(jiǎn)單方便，電腦能直接顯示最終測(cè)試結(jié)果。
文檔編號(hào)G01N27/14GK201281701SQ20082015345
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者蘇家健 申請(qǐng)人:上海第二工業(yè)大學(xué)