（农业电气化与自动化专业论文）烘炉温度追踪仪的研制.pdf

摘要 随着科学技术的不断发展，生产企业不仅需要增加产品的功能来吸引更多的顾客， 同时还需要对产品的外形进行华美的包装以赢得顾客的关注。最常见的就是汽车外壳和 家用电器及一些产品零部件，他们都需要进行烤漆等生产工艺的加工，因此喷漆后的烘 干成为一道必不可少的工序。想要获取最佳的烘干效果，生产者必须对工件形状对烘炉 内温度分布的影响和工件的感温过程及整个烘炉内的温度分布进行研究，最终设计出最 好的烘干方案。本文研制的烘炉温度采集系统能够满足多点实时连续测量的要求，可以 为研究烘炉内部温度分布及工件的感温过程提供了可靠数据。文中详细地介绍了烘炉温 度采集系统的整体设计过程。本系统以a t 8 9 c 5 1 为中央控制器，通过4 通道k - 型热电 偶温度信号采集传感器采集温度信号，由m a x 6 6 7 5 热电偶信号数字转换芯片进行模数 转换，经过单片机处理后将其存储到带掉电保护功能的a t 2 4 c 5 1 2e e p r o m 中。测量结 束时，单片机再将这些测量出来的温度数据从a t 2 4 c 5 1 2 中读出，通过m a x 2 3 2 串行通 信传送给上位机。上位机采用本文所开发的软件接收单片机系统上传的数据，并对其进 行处理。可以绘出四路温度随时间变化的曲线，显示测量出来的所有温度数据，打印数 据和温度变化曲线，保存测量数据和温度变化曲线， 本文研制的烘炉温度追踪仪由于专门研制了高温隔热箱，所以可以使其跟随热加工 工件进入烘干通道，记录工件热处理的全部感温过程。 本文研制的烘炉温度追踪仪已经在汽车制造厂的涂装车间傲过现场实验，效果良 好，可以满足应用的要求 关键词烘干通道；温度追踪检测；m a x 6 6 7 5 ：串行通信 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , p r o d u c t so f t h em o m e n ts h o u l dn o to n l y h a v ee x t e n s i v ef u n c t i o n st oa t t r a c tm o r ec o n s u m e r s ，b u ta l s os h o u l dh a v ep r e t t ya p p e a r a n c e m o s tf a m i l i a rm a n u f a c t u r e sa r ea u t o m o b i l e s ，h o m ew i r i n g s ，o t h e rs m a l lc o m p o n e n t sa n ds o o n t h e ya l lh a v et og ot h r o u g ht h ep a i n t - & y i n gp r o c e s s i o n ，s os p r a y - p a i n ta n dt h e nd r y i n g t u r n si n t oa ne s s e n t i a lp r o c e d u r e i no r d e rt oo b t a i nap r i m ed r y i n gp u r p o s e ，w eh a v et og e t u s e dt ot h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni no v e n , i n f l u e n c et h a ts h a p eo f c o m p o n e n t st ot e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r es e n s i t i v ep r o c e s s , t h e nd e s i g nt h eb e s td r y i n gc h a n n e l t h eo v e n t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e md e s c r i b e di nt h i st e x tc a l lf u l f i l lt h em u l t i - p o i n ta n dr e a l - t i m e r e q u e s t sa n dc a l la l s os u p p l yr e l i a b l ed a t af o rr e s e a r c ho f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni no v e na n d t e m p e r a t u r es e n s i t i v ep r o c e s so fc o m p o n e n t s ，t h e t e x te x p o u n d st h ew h o l ed e s i g no f t h eo v e n t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e mi nd e t a i l s t h i ss y s t e mu s e st h ea t 8 9 c 5 1a si t sc p u ，a n d4 - c h a n n e lk - t h e r m o c o n p l e sa si t st e m p e r a t u r ea c q u i s i t i v es e l i s o lt h ec h i pm a x 6 6 7 5w i l l c o n v e r tt h es i g n a l ，a n dt h es i n g l ec h i pw i l lr e a dt h ev a l u e sa n ds t o r et h e mi na t 2 4 c 5 1 2 e e p r o m ，a f t e rm e a s u r i n g ，t h es i n g l ec h i pr e a d st h o s et e m p e r a t u r ed a t af r o ma t 2 4 c 5 1 2 e e p r o m , a n dp a s s e st h e mt ot h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lc o m m u n i c a t i n gs h i pm a x 2 3 2 t h eh o s tc o m p u t e rm a k e su s eo ft h ep a r t i c u l a rs o f t w a r ed e v e l o p e di nt h i st e x tt oa c c e p ta n d d e a lw i t ht h ed a t aa c q u i r i n gb yt h eo v e nt e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o ns y s t e m t od e a lw i t l lt h ed a t a i n c l u d e sd r a w i n g4t i m e - t e m p e r a t u r ec u r e s ，d i s p l a y i n ga l lt h et e m p e r a t u r ed a t a , p r i n t i n ga n d s t o r i n ga l lt h ed a t aa n d c u r v e so f v a r y i n gt e m p e r a t u r e t h eo v e nt e m p e r a t m et r a c k e rs t u d i e di nt h i sp a p e rh a sas p e c i a ld e s i g n e da d i a b a t i cc a s e , 9 0i tc 鞠g oi n t ot h eh i g h t e r o p e a l l l r ed r y i n gc h a n a e lw i t ht h eh o t - w o r k i n gc o m p o n e n t s , a n d r e c o r dt h ew h o l et e m p e r a t u r es e n s i t i v ep r o c e s s t h eo v e nt e m p e r a t u r et r a c k e rh a sb e e nt e s t e di nr e a ld r y i n gw o r k s h o p , a n di tc a nf u l f i l la l l t h er e q u i r e m e n t s k c y w e r d s d r y i n gc h a n n e l ；t a c k i n gt e m p e r a t u r em e a s u r e ：m a x 6 6 7 5 ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盎a 垦鉴些盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：3 # 确签字日期：砷年彳月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞韭盐些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权壅些盎些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 郡编 导师签名：屏 f 签字日期：硼年月“日签字日期：捌年石月f 日 学位论文作者毕业后去向：蟓族 工作单位： 通讯地址： 电话：啪一8 纠f 甲，烀 邮编：脚u l 绪论 1 绪论 1 1 现代化检测技术 检测是指在各类生产、科研、试验及服务等领域范围内，为了及时获取被测被控对 象的有关信息和状态而实时或非实时地对一些系统工作参数进行检查和定量测量。 就工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产的全过程进行检测和监控，对于 确保生产过程的安全，保证产品的质量，提高产品的合格率，降低原材料的消耗，提高 企业的劳动生产率和经济效益是必不可少的。 “工欲善其事，必先利其器”，用这句话来说明检溯技术在我国现代化建设中的重要 性是非常确切的。先进的检测手段是提高制造业、服务业的自动化程度和信息化水平以 及劳动生产率，是促进科学研究和国防建设的进步，提高人民生活水平的重要保证【l 】。 在工业生产中，为了保证生产能正常、商效，经济地运行，必须对生产过程的某些 重要工艺参数( 如：湿度、压力、流量等) ，进行实时检测与优化控制常见的现代化检 测系统的组成1 2 j ：如图( 1 1 ) 所示； 图i - i 现代化检测系统组成框图 尽管现代的检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途和性能也千差万黝，但他 们的根本作用都是对各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递和处理 的流程来划分：通常由各种传感器( 交送器) 将非电被浏物或化学成分参量转换成电信 号，然后经信号调整( 信号转换，信号检波，信号滤波信号放大等) 。接着进行数据采 集信号处理后量化并输出( 经a d 转换和放大后的模拟电压，开关量，脉冲调制 p w m ，串行数字通信并行数字输出等) 由以上设备及系统所需豹交、直流稳压电源和 必要的输入设备( 如拨动开关，按钮，数字拨码盘，数字键盘等) 便组成了一个完整的现 代化检测( 仪器) 系统。 东北林业大学硕士学位论文 = = = = = ! ! 2 = = = = ：= 1 w = l = = = = = = = = 1 2 检测技术发展的趋势 随着世界各国高科技步伐加快，对检测技术的要求也越来越高。而科学技术尤其是 大规模集成电路技术及微型计算机技术、机电一体化技术和新材料技术的不断进步，则 大大促进了现代检测技术的发展。目前现代化检测技术发展总趋势大体有以下几方面 1 、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性p j 。 2 、传感器逐步向集成化，组合式，数字化的方向发展。 3 、检测系统的智能化【4 j 近几十年来，由于包括微机处理器、单片机在内的大规模集成电路的成本和价格不 断降低和集成度不断提高，使得许许多多的以单片机微处理器或微型计算机为核心的现 代检测仪器( 系统) 实现了智能化。这些现代检测仪器通常具有系统故障自检、自诊断、 自校准、自选量程、自动测试和自动关闭、强大数据处理和统计、高速数据通信和输入 输出功能，其配置条件是数字通信接口，传递检测数据和各种操作命令等功能，还可方 便地接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。与传统检测系统相比，智能 化的现代检测系统具有更高的精度和性价比。 正是由于智能化的检测仪器、检测系统具有上述优点，所以多年来其市场占有率一 直维持强劲的上升趋势。 1 3 单片机技术的发展及应用 单片机是微型计算机( 以下简称为微机) 中的一种，它在块芯片上集成了计算机的 所有基本功能部件，包括中央处理器c p u 、随机读写存储器r a m 、只读存储器r o m 、 i o 接口电路、定时，计数器和串行通信接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件 及外部设备相结合，就可以成为一个完整的单片机控制系统。 从1 9 7 1 年美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司首次推出t m s - 1 0 0 0 单片机( 4 位机) 至今，单片机技术已成长为计算机技术领域中的一个非常重要的分支。在不断的发展和 完善中，单片机技术已经建立了自己的技术特征、发展道路和独特的应用环境按照单 片机的生产技术水平，单片机的发展过程可以分为4 位机、8 位机、1 6 位机、3 2 位机4 个阶段。 随着计算机技术的发展，单片机盼应用领域也越来越广泛p 】，在工业控制、数据采 集以及仪器仪表自动化等许多领域都起着十分重要的作用。但在实际应用中，在要求响 应速度快、实时性强、控制量多的应用场合，单个单片机往往难以胜任，这时使用多个 单片机结合p c 机组成分布式系统是一个比较好的解决方案。这样，单片机的数据通信 技术就变得十分的重要，从某种程度上说，掌握了单片机的数据通信技术也就是掌握了 单片机的核心应用技术。多年来，随着单片机技术的不断发展，单片机通信技术的内容 也不断扩展。单片机自阿世以来，在短短的几十年闻就获得了长足的发展。 l 绪论 1 4 烘炉温度追踪检测技术现状和发展趋势 烘炉温度追踪检测检测技术是一种利用单片机系统来实现数据采集、数据存储、数 据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中能记录热加工全过程中工件 与空气温度分饰关系的技术。烘炉温度追踪仪测量得到的数据被显示为温度和时问的关 系曲线和统计数据。这项技术以最简单的形式告诉生产者所生产的产品加工过程的温度 变化及保持这个湿度有多长时间以及在什么时闯达到了什么湿度。通过对测量的数据分 析，生产技术人员可以通过优化热处理工艺来保证热加工的产品达到最好的质量、解决 产品生产过程中存在的问题、优化生产加工工艺路线及节约能源的损耗。无论是在电子 产品的生产、食品加工，还是在医疗器械生产方面，只要在生产过程中需要热处理，温 度将是重要的控制和检测指标，温度检测( 也称追踪) 技术都具有非常广阔的应用前景。 国外的烘炉温度追踪检测技术起于8 0 年代，其先进的技术可以以英国达塔帕克公 司为代表。该公司是世界上最先进的温度追踪技术的代表，于1 9 8 5 年首次生产出温度 追踪的产品，是温度追踪技术的开拓者。目前它的产品已遍布世界各地，主要生产糖加 工工业用烘炉温度追踪仪、电子工业用回焊追踪仪、热处理工业用高温炉温追踪仪、陶 瓷工业用的炉窑温度追踪仪、食品加工业用的多功能温度追踪仪等，可见该项技术在工 业领域的应用十分广泛。国外的温度追踪技术除了在理论上进行先进的研究外，在实践 中更是r 益成熟。国际上，另一个在该领域先进技术的代表就是波兰，早在1 9 9 2 年就 利用连续温度监测法预报煤井的瓦斯状态。国外的温度追踪技术从普通的室温监测到高 温监测技术，从遥感监测到各种炉膛的内部监测技术。正随着新技术的出现在不断的更 新和完善。 随着单片杌检测技术的不断发展嘲，我国自9 0 年代开始对温度监测进行理论上的 研究，在生产实践中投入了具体的应用。而目前就我国的烘炉温度检测技术一般是定点 连续测量，既在烘炉内某一点转出一个测量孔，把传感器通过测量孔伸到炉膛内，进行 连续测量。这种测量方法的缺点：一是测量孔多了将影响烘炉的保温性能；二是它测的 温度只是针对烘炉而测量，并不能够实时监控加工工件本身的温度交化过程；三是在烘 炉长度区间分布上，不是连续的测量存在测量盲区。而且在工业生产的现场环境很不 好，抗干扰问题常常成为计算机检测技术中必须要解决的闯题，虽然我国在理论方殛紧 跟国外的步伐，但我国在此方面的实际应用技术与国外相比还有很大的差距。据了解目 前我国对烘炉温度追踪仪这方面的研究报道很少，生产该类型温度追踪仪产品的企业也 很少，而国内代理销售的进口温度追踪仪，最便宜一台也要4 至5 万元人民币左右。进 口产品的昂贵价格，使国内使用企业难以承受，产品难以推广和销售，以致使我国烘炉 热加工领域的检测技术和加工工艺水平长期处于发展慢的状态，使热加工出来的产品质 量难以提高，导致了大量的能源损耗和经济损失。因此，可以说烘炉温度追踪检测系 统的研究与开发的前景十分广阔，同时也一定可以带来巨大的经济效益和社会效益。它 不仅可以大大降低我国烘炉热加工产品的成本和提高产品的质量，它还可以广泛的应用 东北林业大学硕士学位论文 于使用烘炉以及其它热加工的相关行业，满足国内市场的需求。推动我国烘炉温度检测 技术的发展，使我国烘炉烘干技术早日达到世界领先水平。 1 5 涂装工艺及涂装用烘炉烘干温度检测技术 涂装就是指对金属和非金属等工件表面覆盖上保护层或装饰层。随着工业技术的发 展，涂装己经从起初的手工涂装向自动化涂装方向发展，而且自动化的程度越来越高， 所以涂装生产流水线也得到广泛应用。从6 0 年代开始，由于轻工业的发展，首先在自 行车制造行业出现了机械化生产的流水线和自动化生产的流水线，以及在原有槽子流水 线生产的基础上加上程序控制的小车形成的程控流水线，这些主要是在上海和天津地 区。这期间我国涂装工艺的主要任务还是以防腐为主。但随着我国经济的发展，以及国 外涂装技术的发展，通过技术引进和与国外技术的交流，我国涂装技术开始飞速的发 展。在涂装自动化生产方面，静电喷漆和电泳涂漆技术的推广应用、粉末喷涂技术的研 制，特别是我国家用电器行业、日用五金、钢制家具、铝材构件、电器产品、汽车工业 等领域的蓬勃发展，使涂装工艺技术有了明显的进步，在涂装生产线中还出现了智能化 的喷涂机器人。 涂装工艺简单的可以归纳为：前处理工艺一喷涂工艺一涂层烘干固化一三废处理。 涂层烘干固化作为涂装工艺不可缺少的一部分，直接影响工件的烘干效果，最终影响加 工产品的质量。采用得最为常见的设备就是烘炉( 干燥固化妒) 因此，烘炉在涂装工艺 中占有举足轻重的地位。 我国涂装生产线设备自7 0 年代开始不断发展，特别是改革开放之后发展迅速，但 基本上是处于一种“自发”状态，国产涂装设各也不适应市场需求，不少关键喷涂设备 还是以进口为主。估计目前我国现有涂装生产线数万条以上，且每年还要投资新建数百 条生产线。全国每年投资约为十几亿人民币之多1 7 1 【l j ，国外销售产品及合资公司所占份 额达3 6 - 4 0 0 o 。我国涂装设备厂合计千家左右。国产产品种类现在几乎覆盖了涂装行 业的各部门，现涂装生产线发展前景也十分诱人。 1 6 烘炉温度追踪仪课题研究的背景、目的和意义 1 6 1 烘炉温度追踪仪研究背景 涂装工艺是工业加工生产过程中举足轻重的一部分烘干是其三大主要工序中最重 要的一道工序，它使液态( 湿态或粉状) 的涂膜经过烘干快速转化为固态的漆膜，对烘干 效果、涂层质量、产品寿命和涂装烘干成本等有直接的影响。烘干是用加热设备( 烘干 室或烘干炉1 来实现的，因此烘炉是涂装生产线上必不可少的设备之在干燥固化过 程中，烘炉内各点的温度是否能保证在最佳烘干效果规定温度范围内，将对被涂装的材 料、产品、工件的质量、降低能耗以及提高生产效率和经济效益都会产生重要的影响， 而且随着系统的集成度的提高和元器件的微型化、复杂化，在热加工工业过程中对温度 工艺的要求越来越高烘炉温度时间曲线是根据被烘干涂料的固化特性和烘干工件 绪论 形状所决定的，所以必须严格遵守。这就需要一种可移动的实时的温度连续采集仪器， 可以连续追踪烘炉内及工件表面的温度变化。而我国目前采用的传统的定点式烘炉测温 方法，己经显得比较落后，无法满足生产工艺对温度测量的要求因此提出了烘炉温度 追踪仪的研究。 1 6 2 烘炉温度追踪仪研究目的 本课题研究开发的目的，就是要通过学习国外的先进技术，研究出具有我国自主知 识产权的烘炉温度追踪自动检测系统。研制的烘炉温度追踪自动温度检测系统，可用来 实时测量烘炉内部各点的温度变化，准确的绘制出烘炉内部区间上的温度时间曲 线，以及澳9 量出被加工的工件产品本身的温度状态变化，掌握不同温度下的固化时间、 最大温差、变化斜率和参考曲线等技术参数，以i l i ：来优化烘干通道设计，提高烘炉熟加 工的产品质量和生产效率，降低能耗，同时该装置也为快速查找烘炉故障提供了可靠的 数据和便利的条件 9 1 i 6 3 烘炉温度追踪仪研究意义 本课题研究的意义在于耳前国内很少有生产采用隔热装置的可以跟随热加工工件入 炉的烘炉温度追踪自动检测系统的企业，因此通过本文的研究，希望对我国该类温度追 踪检测仪器的开发能起到抛砖引玉的作用。研制烘炉温度追踪仪，可以把国外的先进的 温度测量技术和方法引入我国，可以改变我国热加工领域测温技术相对落后的状态，填 补我国在该技术领域的空白。坚信该课题的研究成果将会在涂装技术领域以优越的性价 比占领国内市场，每台价格大约1 万元左右，同时还可以参与国际市场竞争，为国家外 汇刨收做出贡献。并且该项技术不仅局限于烘炉热加工过程的温度测量，只要路加改 进，就可以应用于其它领域的热加工过程的温度测量。因此说，该项目的研究对改变我 国目前在热加工技术领域的落后状态具有极其深远的意义 1 7 课题来源 本课题来源于哈尔滨市科技攻关项目烘妒温度追踪仪的研究( 项目编号： 2 0 0 4 a a i c g l 0 2 ) 东北林业大学硕士学位论文 2 烘炉温度追踪系统整体设计 2 1 系统的设计要求及原则 本烘炉温度追踪仪主要用来检测烘炉热加工的工件烘干全过程中温度的变化。其外 壳采用防水密封结构，适用于现场恶劣环境中使用，采用内置电源方式工作。鉴于烘炉 内部特殊的高温工作环境，所以需要订做隔热箱，对检测仪器提供隔热保护使烘炉温度 追踪仪能在烘炉内正常工作，而不会被高温损坏。为了了解热加工处理工件表面感温过 程，要求设计的温度追踪仪能对炉温炉内及直接与工件相连的所有温度传感器的温度进 行采集并保存于具有掉电保护功能的数据存储器中；测量完毕后，可以通过上位机炉温 通讯软件将采集的温度数据通过串行接口上传到计算机中，进行软件处理，绘制出温度 一时问曲线、保存数据，打印和进行相应的分析统计i 1 0 1 。 通过系统进行温度检测可以方便快捷地发现烘炉设计的问题，最终可以确保烘炉始 终在最佳状态下运行，节省能源和提高效率。本系统为一种便携式仪表，具有操作简 单、精度高、省电、性价比好等优点。本检测系统与所有计算机系统一样，由硬件和软 件两大部分组成。 烘炉温度追踪仪由烘炉温度追踪测量系统和烘炉温度数据分析系统两大部分组成 要求设计的烘炉温度追踪仪能对烘炉内及热处理工件表面的温度进行采集并保存于仪器 中，系统采用温度传感器将被测温度转换成电量，经过专业的信号数字转换芯片转换 后，再与单片机接口，测量结果通过单片机进行立即存储，测量全过程结束后与上位串 行通信将数据交给上位机分析软件处理，然后在上位机显示，绘制出温度一时闻曲线， 并进行相应的分析，保存和打印输出。测温系统可以通过上位机或键盘设计采样间隔。 采样间隔能在0 1 秒至5 分钟之间调整【i “。 本系统的设计原则是高效、实用、方便。所谓高效，主要是指检测效率高，用较快 的速度、较高的质量完成较好的检测功能；所谓实用，是指尽可能地增加系统的可扩展 性、灵活性，功能尽量完善，尽可能提高检测精度；所谓方便是指操作、维护、使用、 调试尽可能地简单方便 2 2 系统的预计性能指标 ( 1 ) 温度测量范围：啦3 0 0 ( 2 ) 温度检测精度：0 2 5 ( 3 ) 系统工作温度：0 - - 7 0 0 ( 4 ) 通道数量：4 ( 5 ) 电源：6 v 直流电源 ( 6 ) 存储能力：4 0 0 0 个数据通道 2 烘炉温度追踪系统整体设计 仍采样间隔：o 1 秒5 分钟可调 2 3 检测系统的结构 本系统由管理计算机、隔温箱、温度追踪仪组成1 1 2 1 。如图2 1 所示：其中，隔温箱 是在检测温度过高时使用，以确保温度追踪仪的正常稳定地工作。 目瞪莓 日曼 图2 一i 温度追踪仪缉成结构母 2 3 1 管理计算机及管理软件的功能 l 、采用v b 6 0 编写：实现铡量结果的温度变化曲线的绘制( 单通道绘制，多通道同 时绘制) ，测量具体温度值的显示，测量结果的数据及温度变化曲线的打印和保存 2 、通过管理计算机软件对烘炉温度追踪仪工作参数进行设定。 3 、w i n d o w s 运行环境，界面友好，操作方便通过2 3 2 串行总线与温度追踪仪 串行通信 2 3 2 隔温箱 当测量温度过高时为了确保烘炉温度追踪仪正常工作。可以选用隔温箱进行外层隔 温。外层隔温箱采用耐高温粘合剂将高温隔热陶瓷纤维板粘合而成，并用耐高温胶皮在 箱口进行密封，以防热量渗透进来 2 3 3 烘炉温度追踪仪 该烘炉温度追踪系统的核心部分是，采用单片机作为系统的中央处理器，通过 m a x 6 6 7 5 对温度传感器的温度信号进行转换，单片机接收到转换完成的温度数据后将 其保存到a t 2 4 c 5 1 2 掉电保护存储器内，在测量结束时可以通过m a x 2 3 2 和管理计算机 进行串行通信将测量结果上传给管理计算机进行处理。本温度跟踪仪采用镍铬充电电池 供电，在接口板上配有充电器接口可以进行充电。烘炉温度追踪仪外层为金属铝板制 成，内壁采用耐高温的隔热陶瓷纤维板粘贴，并在封口采用耐高温胶皮密封，以防热气 流注入。烘炉内部结构如图2 - 2 所示： 东北林业大学硕士学位论文 j 2 2 3 2 串行通信接 口 j 9 - 插件面板 j 3 键盘接口 、! ! 煎皇鱼搀越置处 j 4 电源开关 玲褒壁蠼堑燕 圉2 - 2 烘炉温度追踪仪内部结构图 2 4 检测系统的关键技术和特点 本检测系统可以用于涂装生产线上工件表面及烘炉内温度的测量，它属于在线检测 系统，实现在烘炉内部使温度传感器探头直接与工件表面接触，准确而真实的记录下传 感器温度变化过程。实现了对工件涂装烘干全过程的精确监测。具有操作简单、精度 高、省电、性价比好等优点。 本系统是计算机检测技术和涂装生产线对工件质量检测技术的完美结合。具有以下 几方面特点： ( 1 ) 采用a t m e l 带4 k 字节闪速存储器的廉价的a t 8 9 c 5 1 单片机，作为整个系统 的中央处理器降低了系统的开发成本。 ( 2 ) 程序设计采用了模块化的思想，从而使系统结构清晰，调试灵活，系统设计方 便，易于扩展。 ( 3 ) 采用工业生产中最常用传感器，它具有可靠、稳定、质优价廉等特点。 ( 4 ) 采用5 1 系统单片机的高级语言f r a n k l i nc 5 1 对单片机进行c 语言编程。编译和 连接选项简单，产生代码速率高，可大大提高编程的效率，增加了程序的可读性。 ( 5 ) 采用a t m e l 公司最近生产的a t 2 4 c 5 1 2 ，5 1 2 k 位( 6 4 k 8 位) 串行大容量的电 可擦的可编程存储器( e e p r o m ) ，具有无限次快速擦写和非易失性的特点，并可在失去 电源的情祝下，不丢失任何数据，不需要使用后备电源。 ( 6 ) 采用山东鲁阳股份有限公司生产的陶瓷纤维隔热材料别成隔热箱，性能优良， 在3 0 0 c 高温下可以保证烘炉温度追踪仪箱内为系统正常工作温度极限以下 2 5 本章小结 烘炉温度追踪仪出于其研制的目的，为了方便快捷地表达出热处理工件在热处理全 2 烘炉温度追踪系统整体设计 音5 过程中的感温过程，除了要求研制出的烘炉温度追踪仪必需能够适应噪声复杂的恶劣 工作环境，还要求其测量精度必需能够满足工业热加工b q 要求，温度采样的实时性，铡 量数据的海量存储。因此，首先在整体结构上，由于其工作的环境极其恶劣，如高温， 多噪声等，本烘炉温度追踪仪采用了外层隔温箱对其进行高温隔离保护保证其工作环境 的稳定。其次在性能方西，测量范围和精度在3 0 0 以下能够精确地反应工件感温全过 程。每个通道8 9 1 2 个采样点的存储容量也已经能够满足正常热处理工件加工过程的测 量。为了使烘炉温度追踪仪达到如上的性能指标，设计过程中的关键技术就是隔温，保 证烘炉温度追踪仪在高温测量环境正常工作，温度测量的精度保证其测量温度精确度在 0 5 c 范围之内，温度采用的实时性要求能够连续测量工件感温的全部过程，数据存储要 能够满足长时间的测量，数据处理结果要简洁明了、通俗易懂。 3 温度追踪系统传感器选择 3 1 温度传感器的温度采集 本文研制的烘炉温度追踪仪，首先需要将检测的温度信号处理成相应的电信号。所 以需要把温度转换为电信号的转换器。热电式传感器是种将温度变化转换成电量变化 的装置。其中将温度转换成电势的热电式传感器叫热电偶，将温度转换成电阻值的热电 式传感器叫热电阻。作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之热电偶，与铂热 电阻一起，约占整个温度传感器总量的6 ( f a 。这两种传感器在目前的工业生产中得到最 为广泛的应用热电偶作为一种主要的测温元件，具有制造容易、使用方便、测温范围 宽、测温精度高，性能稳定结构简单，且动态相应好，输出直接为电压信号，可以传送 便于集中检测和控制等特点。热屯偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过 程中_ 4 0 1 8 0 0 度范围的液体、蒸汽介质以及固体的表面温度 3 2 热电偶的温度测量原理 热电效应：热电偶是利用热电效应制成的温度传感器【u 1 如图3 1 所示： a b 图3 - i 热电偶的组成 把两种不同的导体或半导体材料a b 连接好形成闭合回路，将他们的两个极端分别 置于温度为t 和t o ( t t 0 ) 的热源中，则回路中就产生热电动势( 简称热电势) ，可用 e a b ( t ，t o ) 表示，这种现象称为电热效应。我们把这两种不同材料的导体或半导体的组 合称为热电偶。a 和b 称为热电极，温度高的极点称为热端( 或工作端) ，温度低的极点 称为冷端( 或自由端) 。 如图3 1 所示的热电偶产生的热电势由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势 所组成【1 4 11 1 5 j 。 ( 一) 接触电势：所有金属内部有大量的自由电子，而不同的金属材料其内部自由电 子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上因自由电子密度不同而发生电 子扩散，电子扩散的速率与导体的电子密度有关，并且和接触点的温度成正比。设导体 a 和b 的自由电子密度分别为n a 和n b ，且有n a r t s ，则在接触面上由a 扩散到b 的自 由电子将必然比由b 扩散到a 的电子数多。因此，导体a 失电子而带正电荷，导体b 因 得到电子而带负电荷，在a 和b 的接触面上便形成了一个a 到b 的静电场如图3 2 - 。，一 ：堡堡堡矍耄丝叁矍兰量彗 所示： 一卜一 图3 - 2 巴。f d 接触电势 这个电场阻碍了电子的继续扩散，当达到平衡时，在接触区形成一个稳定的电位 差，及接触电势。其大小可以表达为： 盱等 ( 3 - ) 式中；e 0 ( d 导体a 和导体b 接触点在温度t 时形成的接触电势v p 电子电荷 k 波尔兹曼常数 ( 二) 温差电子 在单一导体中，如果两端温度不同，两端阊会产生电势，即单一导体的温差屯势。 这时高温端带正电荷，低温端因为得电子而带负电荷，从而形成一个静电场，如图3 - 3 所示： 、一卜一 图3 - 3 巳( r ，瓦) 该电场阻碍电子的继续扩散，当达到动态平衡时。导体的两端便产生个相应的电 位差该电位差称为温差电势。温差电势的大小可表示为： 幺以毛)=(盯刀(3-2) 式中：幺叮，瓦) 导体a 两端温度为t 和t 0 时形成的温差电势 仃汤姆逊系数，表示单一导体两端温度差为l 度时所产生的温度电 势，其值与材料性质及两端温度有关。 ( 三) 热电偶回路电势 对于由导体a ，b 组成的热电偶闭合回路，当温度为d t o ，心 时闭合回路的 东北林业大学硕士学位论文 热电势为： e j 口，瓦) 巳8 ( r ) 乞。( 瓦) 】+ 【一幺( r ，瓦) + 岛仃，t o ) 1 ( 3 - 3 ) 或( t t o ) = 孚i n 嚣一等m 罢+ 帆一巳) 式中 n 4 五。嘞，导体在温度为t 和t o 时电子密度 n t r r 。，导体在温度为t 和t o 时电子密度 盯，。导体 和b 的汤姆逊系数 由此可得到如下结论： l 、如果热电偶两极材料相同，即n a - - r t ，口。= 虽然两端温度不同，但f i l 合回路 总电势仍为零，因此热电偶必须用两种不同的材料作电极。 2 、如果热电偶材料不同，两端温度相同，即t = t 0 闭合回路也不产生电势。应当指 出的是在金属导体中自由电子数目很多以致温度不能显著地改变它的电子浓度，所以， 在同一种金属导体内温差电势极小，可以忽略。因此，在一个热电偶的闭合回路中起决 定作用的是两个接点处材料的性质和该点所处温度有关的接触电势，故上式可以改为： b 8 叮，r o ) = 。叮) 一e a s 瓴 = 气8 ( r ) 十( 瓦) ( 3 - 4 ) 在工程中常用上式来表征热电偶回路总的热电势。从该式可以看出，回路的总电势 是随t 和t o 而变化的，即总电势为t 和t o 的函数差，这在实际使用中很不放便，为 此在标定热电偶对，使t o 为常数，即 e ( ，t o ) = ，( 写) + c c 为常数 则上式可以改成 e 。( 丁，t o ) = 眵。( r ) 一，( 瓦) = 八乃一c 当热电偶的一端点保持温度不变，则热电势毛。f ，毛) 只随另一端点的温度变化而 变化。两端点温差越大，回路总热电势e 。( 丁，瓦) 也就越大，这样回路的总热电势就可 以看成温度t 的单值函数这给工程中用热电偶测量温度带来了极大方便1 1 6 】 3 3 热电偶温度传感器选择 常见热电偶型号及特性【17 】比较如下： l 、铂铑l o 一铂热电耦( 分度号为s ，也称为单位铂铑热电偶) ，正极成分为含铑 1 0 的铂铑合金，负极为纯铂。热性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气体中连续使 用、长期使用温度可达1 3 0 0 c ，超达1 4 0 0 c 时，即使在空气中，纯铂丝也将会再结 晶，使晶粒粗大而断裂；精度高，它是所有热电偶中，准确等级最高的，通常用作标准 或测量较高的温度；使用范围较广，均匀性及互换性好。微分热电势较小，因而灵敏度 较低：价格较贵，机械强度低，不宜在还原性气体或有金属蒸汽的条件下使用。 2 、铂铑1 3 - - 铂热电偶( 分度号为r ，也称为单铂铑热电偶) ，该热电偶的正极为含 有1 3 的铂铑合金，负极为纯铂，同s 型相比，它的电势率要大1 5 左右，其它性能几 乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较 3 温度追踪系统传感器选择 少。 3 、铂铑3 0 一铂铑6 热电偶( 分度号为b ，也称为双铂铑热电偶) ，该热电偶的正极 是含铑3 0 的铂铑合金，负极为含6 的铂锗合金，在室温下其热电势很小，在测量时 一般不用补偿导线，可以忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1 6 0 0 ，短期使用 在l 9 0 0 ，因热电势小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。b 型热电偶适宜在氧化性或 中性气体中使用。也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气体下，其寿命也是r 或s 型的1 0 - - 2 0 倍；由于电极均由铂铑合金制成，故不存在铂铑铂热电偶负极上所 有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度：同时由于它对于 杂质的吸收或铑的迁移影响较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价 格昂贵( 相对于单铂铑热电偶而言) 4 、镍铬一镍硅( 镍铝) 热电偶( 分度号为k ) ，该热电偶的正极为含铬i i p a 的镍铬合 金，负极为含硅合金( 有些国家的产品负极为纯镍) 。可测量o 1 3 0 0 的介质温度，适 宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1 2 0 0 ，长期使用温度为1 0 0 ， 其热电势与温度关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。k 型热电偶是抗 氧化性较强的碱金属热电偶，不宜在真空、含硫、含碳气及氧化还原交替的气氛中裸丝 使用；当氧份较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使熟电偶发生很大变化，但金属气体 对其影响较小。因此，多采用金属制保护管保护。热电势的高温稳定性较n 型热电偶及 贵重金属热电偶差，在较高温度下( 例如超过l o o o c ) 往往氧化损坏；在2 5 0 5 0 0 范围 内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一 样，其差值可达2 3 。其负极在1 5 0 2 0 0 范围内要发生磁性转变，致使在室温至 2 3 0 范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现于时间无关的热 电势干扰；在长期处于搞通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰、钴等元素发生蜕 变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大的变化。 5 、镍铬硅镍硅热电偶( 分度号为n ) ，该热电偶的主要特点是：在1 3 0 0 以下调 温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性好，另外， 在4 0 0 1 3 0 0 范围内，n 型热电偶的热电特性的线性比k 型热电偶要好；但在低温范 围内( 一2 0 0 4 0 0 ) 的线性误差加大，同时，材料较硬难于加工 6 、铜一铜镍热电偶( 分度好为d t 型热电偶，该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍 合金( 也称康铜) ，其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀 性好；它的使用温度是2 0 0 3 5 0 ，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧 化性气氛中使用时，一般不能超过3 0 0 ，在一2 0 0 3 0 0 范围内，它们灵敏度较高， 铜一康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常见几种定型产品中最便宜的一种 7 、铁一康铜热电偶( 分度号为j ) j 型热电偶，该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜 ( 铜镍合金) ，其特点是价格便宜，适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从一 2 0 0 8 0 0 c 但常用温度只是5 0 0 以下，因为超过这个温度后铁热电极的氧化率加快， 如采用粗径的丝材，尚可在高温中使用且寿命较长；该热电偶能耐氢气及一氧化碳气体 东北林业大学硕士学位论文 腐蚀，但不能在高温( 5 0 0 c ) 含硫的气氛中使用 8 、镍铬一铜镍( 康铜) 热电偶( 分度号为e ) ，e 型热电偶是一种较新的产品，它的正 极是镍铬合金，负极是铜镍合金( 康铜) ，其最大的特点是热电偶中，其热电势最大，即 灵敏度最高；使用中的限制条件与k 型相同，但对于较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。 其中k 型热电偶的稳定性较高，可在氧化性和中性介质中长期测9 0 0 c 以下温度， 短期可测量1 2 0 0 c 。其回复性较好，产生热电势较大，线性好，价格便宜。但他在还原 性介质中易被腐蚀，能测5 0 0 c 以下的温度，且测量精度较高，并且完全能满足工业要 求，是工业中最常用的一种热电偶。经综合考虑k 型热电偶的测温范围、测温精度、测 温特性及价格，本文研制的烘炉温度追踪仪选择使用k 型热电偶作为最终的温度传感 器。 3 4 本章小结 本系统设计的目的就是实时连续地测量出温度信号变化的过程，所以就必须选择一 种能够满足系统测量温度范围和测量精度的传感器，来将温度信号准确地转换成电路可 处理的电信号。常用热电偶分度号有s 、b 、k 、e 、t 、j 等，这些都是标准化热电偶。 其中k 型也即镍铬一镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热电偶。由于这种合 金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量1 0 0 0 的高 温，短期可测到1 2 0 0 c 。它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能 用于5 0 0 以下的测量。它比s 型热电偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势 大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测 温要求，所以它是工业上最常用的热电偶