專利名稱：金屬液綜合性能在線智能檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬液綜合性能在線智能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用熱分析聯(lián)用技術(shù)，能夠在爐前快速檢測金屬液的各種理化參數(shù)，以便在澆鑄之前通過金屬液的成份調(diào)整及工藝調(diào)整來控制鑄件質(zhì)量。
背景技術(shù)：
鑄造業(yè)是機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)，為了提高鑄件質(zhì)量，鑄件綜合性能的檢測是關(guān)鍵工序。綜合性能的檢測不僅應(yīng)包括諸如碳含量、硅含量等化學(xué)成分檢測，還應(yīng)包括諸如強(qiáng)度、硬度、伸長率、球化率、碳化物等物理參數(shù)檢測。傳統(tǒng)的鑄件檢測是在澆鑄完成后對試樣或鑄件進(jìn)行(切片)分析，這種檢測稱為離線檢測。離線檢測包括光學(xué)金相檢測法或掃描電鏡檢測法、電子探針檢測法、透射電鏡檢測法等，這些方法存在著精度差或范圍窄、費(fèi)用高、耗時長的缺點。隨著熱分析技術(shù)的發(fā)展，全面地實現(xiàn)金屬液綜合性能的爐前快速檢測，已成為鑄件檢測的迫切需求和發(fā)展趨勢，由于這種爐前檢測可以及時判斷金屬液的各項指標(biāo)，從而在澆鑄前通過成分調(diào)整控制鑄件質(zhì)量，因此這種爐前檢測稱為在線檢測。在線檢測從取樣到得到各種理化性能數(shù)據(jù)僅需要幾分鐘，具有很好的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)尚不能真正實現(xiàn)綜合性能檢測，例如日本撒布浪斯探測儀器公司NSP-510型爐前鐵水成分測定儀、瑞典Novacast公司的PQ-DIT檢測系統(tǒng)、德國的Detal-CII檢測系統(tǒng)等，雖然檢測速度比離線檢測已快了許多，但識別、檢測范圍較小，能測試的參數(shù)較少，不能同時檢測灰鐵、球鐵、瑪鐵和高碳等多種鐵水，而且抗干擾能力、檢測穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和檢測精度也難以滿足更高要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)的缺點，提供一種檢測范圍大、精度高的綜合性能在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的灰鐵、球鐵、瑪鐵(和高碳)四大類別、十八種牌號鐵水(HT100～HT350，QT400～QT 900，KTH300-6～KTH 370-12)的十九種關(guān)鍵參數(shù)的快速檢測。
為此，本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)包括信號采集裝置、熱電勢聯(lián)合計量接口裝置、數(shù)據(jù)處理主機(jī)以及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備。信號采集裝置包括傳感器，傳感器包括杯體和熱電偶，用于澆入待檢測的金屬液，并通過熱電偶產(chǎn)生與金屬液的溫度變化相關(guān)的電信號。熱電勢聯(lián)合計量接口裝置包括信號放大電路和A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路，信號放大電路用于接收傳感器輸出的電信號，并且對該電信號進(jìn)行放大，A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路用于將信號放大電路輸出的經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于數(shù)據(jù)處理主機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)輸出設(shè)備包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置、存儲裝置、顯示裝置和打印裝置。
在本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)中，傳感器的杯體內(nèi)壁和底面上包括一個涂料層，涂料層是碲Te、鉍Bi和鋁Al的粉末與粘接劑混合后噴涂于杯體內(nèi)腔而形成的，其中，碲、鉍和鋁的總加入量不少于杯體內(nèi)所盛金屬液重量的0.02％，而碲、鉍和鋁各自重量與三者之和的比率是碲≥60％，鉍≤30％，鋁≤10％。杯體以覆膜砂為原料采用射芯機(jī)制成。熱電偶外套以耐高溫的保護(hù)套管，水平置于杯體高度的1/2～2/3處。
在本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理主機(jī)采用工控嵌入式主板和Linux操作系統(tǒng)，以包括多元相圖、多元非線性回歸等的熱分析聯(lián)用技術(shù)為基礎(chǔ)，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到被測金屬液的相關(guān)理化參數(shù)。為此，數(shù)據(jù)處理主機(jī)除了包括Linux內(nèi)核、RTLinux內(nèi)核、MiniGUI圖形支持庫等之外，就其處理功能而言還包括數(shù)據(jù)采集模塊、金屬液特征點識別模塊、參數(shù)獲取模塊和各種輸出模塊等。
本發(fā)明的有益效果是該系統(tǒng)適合于國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的十八種牌號鐵水、十九種關(guān)鍵參數(shù)的快速檢測，即1)、三分鐘可測出灰鐵“HT100～350全部六種牌號”的12項關(guān)鍵參數(shù)，包括如物理性能中的牌號、抗拉強(qiáng)度σb、硬度HB，化學(xué)成分中的碳當(dāng)量CEL、碳C、硅Si及最高溫度TM、液相線溫度TL、固相線溫度TS、過冷度ΔT、誤操作提示、挽救廢品的工藝提示等；2)、三分鐘測出瑪鐵“KTH300～370四種牌號”的11項關(guān)鍵參數(shù)，包括牌號、抗拉強(qiáng)度σb、伸長率δ，碳當(dāng)量CEL、碳C、硅Si及最高溫度TM、液相線溫度TL、固相線溫度TS、誤操作提示、挽救廢品的工藝提示等；3)、一分半鐘可測出球鐵“QT400～900八種牌號”的13項關(guān)鍵參數(shù)，包括牌號、抗拉強(qiáng)度σb、伸長率δ、球化率Ds、球化級別、碳化物含量K、最高溫度TM、球墨初晶溫度TN、球墨過冷溫度TU、球墨回升溫度TR、誤操作提示、挽救廢品的工藝提示等；4)、三分鐘測出高碳鐵水(包括球鐵原鐵水、蠕鐵原鐵水)、高硅鐵水、低硅鐵水的9項關(guān)鍵參數(shù)，包括物理性能中的牌號、抗拉強(qiáng)度σb、布氏硬度HB，化學(xué)成分中的碳當(dāng)量CEL、碳C、硅Si及最高溫度TM、液相線溫度TL、固相線溫度TS等。
由于具有上述優(yōu)點，本發(fā)明真正實現(xiàn)了指導(dǎo)現(xiàn)場操作的目標(biāo)，因為灰鐵的抗拉強(qiáng)度σb、布氏硬度HB和球鐵、瑪鐵的抗拉強(qiáng)度σb及伸長率δ都是國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的判廢指標(biāo)，若不能快速將其測出，則達(dá)不到質(zhì)量在線檢測的根本目的；另外，若不能在一分半鐘內(nèi)快速測出球鐵的球化率Ds、碳化物含量K，在鐵水降溫之前就不能有效指導(dǎo)澆注以防止球化和孕育衰退。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1是現(xiàn)有的金屬液(鐵水)綜合性能在線檢測系統(tǒng)所采用的Fe-C二元相圖；圖2是與圖1對應(yīng)的灰鑄鐵冷卻曲線；圖3是現(xiàn)有的在線檢測系統(tǒng)存在的液、固相線溫度TL、TS值誤判的示意圖；圖4是本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)所采用的Fe-C-Si三元相圖；圖5是本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)采用的非線性修正的示意圖；圖6是本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)所測得的球鐵冷卻曲線；圖7是本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)的組成方框圖；圖8是熱電勢聯(lián)合計量接口裝置的電路原理圖；圖9是數(shù)據(jù)處理主機(jī)的原理圖；圖10是本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)采用的傳感器的剖視圖。
具體實施例方式
在對本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明之前，首先從理論方面來分析現(xiàn)有在線檢測系統(tǒng)的技術(shù)缺陷產(chǎn)生的原因，并且由此可以更好地理解本發(fā)明的特點和優(yōu)異效果產(chǎn)生的機(jī)理。
熱分析法是利用合金凝固時因各個相的狀態(tài)變化導(dǎo)致所釋放的結(jié)晶潛熱不同，從而在冷卻曲線上形成拐點或平臺的特點，由此反推合金的化學(xué)成份。
現(xiàn)有在線檢測系統(tǒng)單一采用熱分析法，取二元理想狀態(tài)，即將金屬液或鑄鐵視為理想狀態(tài)下的鐵碳二元合金，故只能測碳當(dāng)量CEL、碳C等少數(shù)的化學(xué)成份；其測試原理所基于的Fe-C二元相圖及典型的鐵水凝固過程降溫曲線(即冷卻曲線)如圖1、圖2所示。為了更清楚顯示圖1和2之間的對應(yīng)關(guān)系，在附圖中將這兩個圖并排放置。
現(xiàn)有檢測系統(tǒng)通常不考慮固相線溫度Ts值的影響，使得測試硅(Si)的準(zhǔn)確性大大降低。因為在按現(xiàn)有方法檢測時，只要找到冷卻曲線的液相線溫度TL(按照Fe-C二元相圖的思路，Ts呈水平線，其數(shù)值不變化)，就可對應(yīng)Fe-C二元相圖得到其含碳量x％(圖1橫坐標(biāo))。此法的缺點是根本不考慮Ts值的影響，而硅量恰恰與Ts密切相關(guān)，因此導(dǎo)致測試硅的準(zhǔn)確性大大降低。實際上鑄鐵中硅的作用很大，不可忽視，Ts也是波動的非恒定值。現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)曾一直試圖將Ts值對硅檢測結(jié)果的影響作為考慮的因素，但至今尚未能解決Ts值敏感度低的問題，即當(dāng)鐵水中硅含量顯著變化時，其所測出的Ts值仍無變化。
另外，在按現(xiàn)有方法檢測時，不能識別冷卻曲線中的異常平臺、異常尖峰或回升信號，使得液相線溫度TL值及固相溫度Ts值容易誤判，如圖3所示，故造成測試的基本功能—碳(C)的檢測準(zhǔn)確性也大大降低。再者，現(xiàn)有檢測系統(tǒng)之所以測試碳的范圍窄，也是因為液相線溫度TL值有采樣錯誤，加之僅采用線性回歸數(shù)據(jù)處理技術(shù)，導(dǎo)致測得的參數(shù)少、精度差。
本發(fā)明的檢測系統(tǒng)在檢測方法和系統(tǒng)組成方面針對現(xiàn)有檢測系統(tǒng)的上述缺點實現(xiàn)了如下的創(chuàng)新。
首先，引入多元相圖，使測試碳、硅的精度全面提高。工程用鑄鐵材料，除含碳之外，含硅量也很高，應(yīng)視為Fe-C-Si三元合金，這樣其三元合金相圖上的液相線、固相線都相應(yīng)地變成了曲面(液相面、固相面)，如圖4所示。通過先找到鐵水冷卻時與兩個曲面之交點—液相溫度TL及固相溫度Ts，再對照Fe-C-Si三元相圖，可以更為準(zhǔn)確地得到其含碳量及含硅量。
此外，提高Ts溫度值的敏感度，可以使測試碳、硅的精度更高。為此，本發(fā)明采取了一系列措施，包括1)優(yōu)化熱電偶絲的杯中位置，試驗發(fā)現(xiàn)使熱電偶絲處于杯體高度的1/2～2/3處，可提高敏感度；2)優(yōu)化傳感器杯體的涂料配方，通過添加Al、Bi，可以加大Ts變化的幅度；3)通過濾波算法及取采樣平均值，可提高識別精度。
進(jìn)一步，本發(fā)明全面考慮對各種理化參數(shù)的影響因素，也就是說，檢測所得的冷卻曲線含有大量的結(jié)晶熱力學(xué)信息，如曲線上各平臺段的溫度、長度、斜率、各點間之差值等，同時還有其它因素，如Cu、Cr、Mo、Ni等合金元素，Pb、As、Bi等微量元素，以及氧、硫、錳、磷等含量的高低，熔煉工藝條件等，這些信息和因素必須綜合分析全面加以考慮，此即本發(fā)明的熱分析聯(lián)用技術(shù)。當(dāng)上述諸因素對理化參數(shù)有顯著影響時，便構(gòu)成了描述鑄鐵特性的一組自變量，其影響力之大小必須從熔煉合金理論及相關(guān)回歸系數(shù)諸方面做綜合判斷。
灰鑄鐵是鑄鐵材質(zhì)中的一種，其主要特征是石墨呈片狀(長寬比≥50)，當(dāng)鑄鐵凝固時，碳通常以石墨狀態(tài)析出，形態(tài)各異。石墨的不同形態(tài)，決定了鑄鐵的不同類別。石墨呈蟲狀時(長寬比2～10)為蠕墨鑄鐵；石墨呈球狀時(長寬比＝1)為球墨鑄鐵；石墨(固態(tài)退火后得到)呈團(tuán)絮狀時(長寬比≈1)為可鍛鑄鐵(瑪鐵)。由圖1、圖2中的曲線以及試驗表明，灰鑄鐵強(qiáng)度與冷卻曲線上的溫度TL成正比。除了溫度TL之外，影響強(qiáng)度的因素還有很多，如碳化物、珠光體、磷共晶、過冷石墨的數(shù)量，晶粒的粗細(xì)，硅碳比等，結(jié)果，金屬液的各種理化參數(shù)和冷卻曲線各個自變量的關(guān)系是一個多元非線性的函數(shù)關(guān)系?；诖?，本發(fā)明在多元回歸的基礎(chǔ)上，采取非線性修正措施(現(xiàn)有檢測系統(tǒng)僅采用線性處理技術(shù))，將各主要因素予以綜合考慮，實現(xiàn)了對灰鐵國標(biāo)全部六個牌號(HT100～HT350)之強(qiáng)度、硬度HB的測試。非線性修正的示意圖，如圖5所示。
瑪鐵與灰鐵不同的是瑪鐵為白口化凝固方式，即Fe-Fe3C二元模式，熱處理后石墨呈團(tuán)絮狀。
在圖6的球鐵冷卻曲線中，僅以ΔT2、ΔT1等因素對球鐵性能參數(shù)(如強(qiáng)度σb、伸長率δ、球化率Ds)之影響為例回升值ΔT2越小，說明奧氏體殼越完整，球化越好，強(qiáng)度越高。反之，冷卻曲線回升值ΔT2較大時，說明奧氏體殼已破裂，球墨已畸變、球化差，強(qiáng)度變壞。過冷度ΔT1越小，球徑越均勻，伸長率δ越高。鐵液含碳量越高、液固相線溫度差越大、冷卻曲線上的“初晶溫度TN”與“大量共晶結(jié)晶的溫度TU”之差(即過冷度ΔT1)也越大，說明初生球墨長大的時間長、初生球墨之球徑就更大，球徑總體不均勻，造成韌性差、伸長率δ值下降。反之亦然。同理，影響球鐵性能的各種內(nèi)在因素如球化的好壞、球徑的均勻度、碳化物的有無及多少、衰退的前兆等，都在凝固過程中球鐵的冷卻曲線上有著詳細(xì)的反映，在綜合考慮諸自變量的影響并經(jīng)多元非線性回歸后，即可速測球鐵的強(qiáng)度、伸長率、球化率、碳化物等關(guān)鍵參數(shù)。
蠕鐵的綜合性能明顯好於灰鐵，其測試原理與球鐵相似，關(guān)鍵在于回升段的特征，球鐵與蠕鐵的回升斜率不同。
本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)以上述的熱分析聯(lián)用技術(shù)為基本原理，以工控嵌入式主板為硬件平臺。該檢測系統(tǒng)包括信號采集裝置、熱電勢聯(lián)合計量接口裝置、數(shù)據(jù)處理主機(jī)以及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備。信號采集裝置包括傳感器，傳感器包括杯體和熱電偶，用于澆入待檢測的金屬液，并通過熱電偶產(chǎn)生與金屬液的溫度變化相關(guān)的電信號。熱電勢聯(lián)合計量接口裝置包括信號放大電路和A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路，信號放大電路用于接收傳感器輸出的電信號，并且對該電信號進(jìn)行放大，A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路用于將信號放大電路輸出的經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于數(shù)據(jù)處理主機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)輸出設(shè)備包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置、存儲裝置、顯示裝置和/或打印裝置。
取樣金屬液澆入傳感器后，通過數(shù)據(jù)處理主機(jī)監(jiān)視其凝固過程，從中獲取一系列特征信息，經(jīng)及時處理判斷并快速輸出金屬液的各種理化關(guān)鍵參數(shù)，同時能夠根據(jù)質(zhì)量目標(biāo)給出挽救性工藝提示，從而指導(dǎo)生產(chǎn)過程，并且為以后的閉環(huán)自動控制提供實現(xiàn)手段。下面結(jié)合圖7對本發(fā)明的系統(tǒng)組成詳細(xì)說明如下信號采集裝置由取樣皿、傳感器及綜合濾波組件構(gòu)成。取樣皿(或稱取樣勺)由輕質(zhì)耐火保溫材料做成。傳感器(或稱樣杯)選用高精度的電偶絲，以保證其高溫下的熱穩(wěn)定性及抗氧化性都較好；電偶絲外面套有保護(hù)套管，水平置于杯體中部，以使其熱惰性很??；凝固前后的溫度變化值可精確地轉(zhuǎn)換為易于識別的、0～60mv變化的熱電勢值。杯體符合牛頓冷卻條件，它以細(xì)于20目的覆膜砂做成，可確保鐵水按Fe-FeC3穩(wěn)定系方式結(jié)晶，并且確保冷卻曲線的“平臺化”(即平滑且特征點顯著)。綜合濾波組件為外套保護(hù)管的銅-康銅信號傳輸線等，它將信號由爐前引至檢測室內(nèi)，可以排除對采樣信號的各種干擾。
熱電勢聯(lián)合計量接口裝置該裝置將金屬液溫度傳感器經(jīng)濾波組件輸出的毫伏信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過例如RS-232總線及標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理主機(jī)。如圖8所示，在該裝置內(nèi)由CPLD運(yùn)行采集和通信程序，實現(xiàn)通道切換、ADC啟動、采集數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度補(bǔ)償、數(shù)字校零、非線性校正和數(shù)據(jù)處理等功能，主機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，輸出已經(jīng)線性化了的溫度的數(shù)字量。該裝置內(nèi)包括一個溫度采集模塊，它能夠同時采集4路熱電偶信號，模擬開關(guān)CD4052分別切換多路溫度傳感器，由CPLD控制順序選中通道0到通道3的溫度傳感器測量電路，經(jīng)過兩級放大(ICL7652)與環(huán)境溫度采集信號疊加后送入A/D轉(zhuǎn)換器(ADS976)。邏輯器件CPLD采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)校零、濾波和線性化處理后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度數(shù)字量，送交給另一塊CPLD，它主要處理與主機(jī)的串行通信。上位機(jī)需要數(shù)據(jù)時，通過串行口發(fā)取數(shù)據(jù)命令，CPLD則把當(dāng)前最新數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。同時采集模塊中還有一塊EEPROM，主要存儲與運(yùn)算模型相關(guān)的參數(shù)，當(dāng)主機(jī)需要時也是由CPLD通過串行口發(fā)送給主機(jī)。
接口裝置也可以采用IC7650兩級放大冷端補(bǔ)償、AD574模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。
數(shù)據(jù)處理主機(jī)包括工控嵌入式主板，其中CPU為300MHz主頻，128M內(nèi)存，使用Busybox軟件運(yùn)行于Linux系統(tǒng)；外圍接口包括RS-232、RS-232/485、并口、10/100M以太網(wǎng)接口、軟驅(qū)、IDE硬盤接口、USB口；串行接口可連接采集模塊及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳；并口連打?。籙SB口用于歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存；以太網(wǎng)接口提供了高速數(shù)據(jù)通道，可用于過程控制系統(tǒng)；硬盤接口可接大容量外存。
數(shù)據(jù)處理主機(jī)也可以采用單板機(jī)，例如Z80系列的單板機(jī)。
數(shù)據(jù)輸出設(shè)備包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置、存儲裝置、顯示裝置和打印裝置。顯示裝置可以采用LCD顯示器，也可以采用低功耗的FIP熒光顯示板，用于顯示檢測過程和檢測結(jié)果；打印裝置可采用熱敏打印機(jī)，用于打印檢測結(jié)果；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置包括以太網(wǎng)、RS-232、RS-485等通信方式，通過FTP方式和zmodem協(xié)議，對外可提供在線數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，便于用戶遠(yuǎn)程實時監(jiān)控；存儲裝置可以是硬盤或者USB移動存儲器，以存儲歷史數(shù)據(jù)，便于質(zhì)量管理。
在數(shù)據(jù)處理主機(jī)中，以包括多元相圖、多元非線性回歸等的熱分析聯(lián)用技術(shù)為基礎(chǔ)，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到被測金屬液的相關(guān)理化參數(shù)。為此，數(shù)據(jù)處理主機(jī)除了包括Linux內(nèi)核、RTLinux內(nèi)核、MiniGUI圖形支持庫等之外，就其處理功能而言還主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、金屬液特征點識別模塊、參數(shù)獲取模塊和各種輸出模塊等。如圖9所示，這些模塊顯示為實時485通信線程、實時時鐘、數(shù)據(jù)采集線程、FIFO隊列、溫度數(shù)據(jù)讀取與存儲、歷史數(shù)據(jù)存儲、工藝補(bǔ)救提示模塊、灰鐵/瑪鐵/原鐵水參數(shù)獲取模塊、球鐵參數(shù)獲取模塊、灰鐵/瑪鐵/原鐵水特征點識別模塊、球鐵特征點識別模塊、打印輸出模塊、參數(shù)顯示模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊、USB數(shù)據(jù)存儲模塊、功能選擇模塊、打印機(jī)和觸摸屏驅(qū)動等。RTLinux程序運(yùn)行于兩個空間用戶空間和內(nèi)核態(tài)。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口，借助這些API函數(shù)將實時處理部分編寫成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運(yùn)行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實時部分的應(yīng)用程序則在Linux下的用戶空間中執(zhí)行。
數(shù)據(jù)采集模塊通過串口定時從熱電偶采集模塊讀取溫度信息，讀取定時的精度直接影響計算結(jié)果，因此該模塊需要編譯成Linux可加載模塊運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)。數(shù)據(jù)采集模塊執(zhí)行一個閉循環(huán)流程，從熱電偶采集模塊中讀取信息后再傳給主程序。它包含兩個接口，與熱電偶采集模塊的接口是硬件接口，通過RS-485通訊，協(xié)議采用ADAM4000協(xié)議，與主程序的接口是實時管道(RT-FIFO)。由于采集模塊和主程序運(yùn)行于優(yōu)先級不同的程序空間，因此通過RTLinux所提供的RT-FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
檢測系統(tǒng)主程序的數(shù)據(jù)初始化模塊實現(xiàn)以下功能配置文件和檢測參數(shù)數(shù)據(jù)加載；與人機(jī)界面相關(guān)的數(shù)據(jù)加載，包括現(xiàn)場布置圖、用戶說明書、界面背景圖、按鈕圖標(biāo)、多語種點陣字庫等；外圍設(shè)備檢測包括對采集模塊、打印機(jī)、觸摸屏、USB存儲設(shè)備、條型碼裝置等的檢測。
功能選擇模塊主要包括以下內(nèi)容待檢測鐵水的種類、目標(biāo)材質(zhì)等；當(dāng)檢測結(jié)果低于所設(shè)置的目標(biāo)材質(zhì)牌號，說明鐵水不符合要求，這時檢測系統(tǒng)會報警并提示工藝補(bǔ)救措施。
特征點判斷模塊以灰鐵為例，當(dāng)灰鐵鐵水澆入傳感器(樣杯)后，要經(jīng)過升溫、到達(dá)最高點TM、降溫、初析奧氏體、共晶凝固、測試結(jié)束等過程；結(jié)晶過程中要產(chǎn)生放熱，因此溫度冷卻曲線出現(xiàn)短暫的平臺，對照相圖，可以計算出碳含量等參數(shù)。但在實際檢測中，溫度變化與理想狀態(tài)有很大差別，檢測系統(tǒng)要對輸入溫度曲線進(jìn)行數(shù)字化濾波，對多種情況進(jìn)行智能識別，從而獲取真實的特征信息。灰鐵測試中把溫度變化過程分為“升溫等待、搜索TM、識別TL及相關(guān)特征值、識別Ts及相關(guān)特征值、采集結(jié)束”五個狀態(tài)，在不同狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)處理函數(shù)。
瑪鐵、鐵素體球鐵原鐵水、珠光體球鐵原鐵水、蠕鐵原鐵水等測試過程及冷卻曲線與灰鐵相似。
參數(shù)獲取模塊對識別模塊所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，計算方法如下理化參數(shù)Ai＝∑(Bi*Xiα+Ci*Yiβ+Di)其中，函數(shù)A1、A2、......Ai為抗拉強(qiáng)度σb、硬度HB、伸長率、碳當(dāng)量CEL、碳C、硅Si等理化參數(shù)，自變量X1、X2、X3......Xi為曲線特征參數(shù)(包括TM、TL、Ts、微分、積分、回升等)，Y1、Y2、Y3......Yi為聯(lián)用技術(shù)參數(shù)(Mn、P、合金元素及微量元素等)，B1、B2、B3......Bi和C1、C2、C3......Ci及α、β......為回歸非線性系數(shù)，D1、D2、D3......Di為非線性修正值。
球鐵的冷卻曲線與灰鐵等不同，球鐵的理化參數(shù)分析與最高溫度TM、初晶溫度TN、過冷溫度TU、回升溫度TR、微分、積分等諸多參數(shù)相關(guān)。球鐵搜索中把溫度變化過程分為“升溫等待、搜索TM、識別TN及相關(guān)特征值、識別TU及相關(guān)特征值、識別TR及相關(guān)特征值、采集結(jié)束”六個狀態(tài)，在不同狀態(tài)下執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)處理函數(shù)。
打印模塊包括在線檢測報告的打印(表格、理化參數(shù)和冷卻曲線)、打印機(jī)的狀態(tài)檢測和“工藝提示”的打印程序等。
數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊提供了兩類通信接口，10/100M以太網(wǎng)接口和RS-232串行接口，并且在RS-232接口上掛接RS-232轉(zhuǎn)RS-485模塊或RS-232轉(zhuǎn)CAN總線模塊，可以使檢測系統(tǒng)同時具備485或CAN總線傳輸?shù)哪芰Α?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊主要是通過網(wǎng)絡(luò)和串行端口提供傳輸服務(wù)，向客戶端(如指揮中心)傳輸歷史檢測數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)采用FTP協(xié)議，服務(wù)程序采用了Linux上的開源軟件bftpd。串行口通信采用了zmodem協(xié)議，它的數(shù)據(jù)傳輸率高，可靠性強(qiáng)，誤碼率低，并具有斷點續(xù)傳功能，非常適合于在現(xiàn)場干擾比較大的的環(huán)境使用。
USB數(shù)據(jù)存儲模塊利用嵌入式主板上的兩個USB口，通過USB移動存儲設(shè)備轉(zhuǎn)存歷史數(shù)據(jù)，便于質(zhì)量管理。
本發(fā)明的檢測系統(tǒng)還可以包括傳動裝置和輸出控制電路，如圖7所示。
本發(fā)明的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)的傳感器如圖10所示。該傳感器也是保證本發(fā)明優(yōu)異效果的一個重要方面，它包括杯體101和熱電偶。杯體呈杯狀，用于澆入待檢測的金屬液。熱電偶水平橫穿杯體，以便被杯體內(nèi)的金屬液所包圍，從而產(chǎn)生與金屬液的溫度變化相關(guān)的電信號。熱電偶由K型精密熱電偶絲102、102′通過高溫點焊連接而成，熱電偶絲102、102′分別為Ni-Cr和Ni-Si，它們的自由端通過杯體底部的定位槽引出。熱電偶由耐高溫的保護(hù)套管103環(huán)繞，在一個試驗例中，熱電偶絲直徑小于0.5mm，保護(hù)套管的內(nèi)徑不大于1.5mm，熱電偶在杯體中的位置處于杯體高度的2/3處。在另一個試驗例中，熱電偶在杯體中的位置處于杯體高度的1/2處。杯體是以覆膜砂為原料采用射芯機(jī)制成的，其抗拉強(qiáng)度大于2.50Mpa、粒度小于20目。在杯體的內(nèi)壁和底面上包括一個涂料層104，涂料層是碲Te、鉍Bi和鋁Al的粉末與粘接劑均勻混合后噴涂于杯體內(nèi)側(cè)而形成的，其中，碲、鉍和鋁的總加入量不少于杯體內(nèi)所盛金屬液重量的0.02％，在一個試驗例中，碲、鉍和鋁各自重量與三者之和的比率是碲為60％，鉍為30％，鋁為10％。在另一個試驗例中，碲、鉍和鋁各自重量與三者之和的比率是碲為70％，鉍為25％，鋁為5％。
本發(fā)明的檢測系統(tǒng)可以檢測的范圍為灰鐵(可測HT100～350全部六種牌號)；瑪鐵(可測KTH300～370四種牌號)；球鐵(可測QT400～900八種牌號)；鐵素體球鐵原鐵水；珠光體球鐵原鐵水；蠕鐵原鐵水；孕育鑄鐵過冷度；并且可擴(kuò)充至鑄鋼、鑄鋁、鑄銅等類別；灰鐵測試功能又細(xì)分為普通灰鐵、合金灰鐵、高碳灰鐵、含鎳、加鋇、含砷、軋輥、高硫、高磷等19個子類；球鐵測試功能又細(xì)分為鐵素體球鐵、珠光體球鐵、合金正火球鐵、鑄態(tài)球鐵、高氧低硫球鐵等5個子類?？梢詸z測的19個參數(shù)為牌號、抗拉強(qiáng)度σb、伸長率δ、布氏硬度HB、球化率DS、球化級別、碳化物含量K、碳當(dāng)量CEL、碳C、硅Si、最高溫度TM、液相線溫度TL、固相線溫度Ts、過冷度ΔT、球墨初晶溫度TN、球墨過冷溫度TU、球墨回升溫度TR、誤操作提示、挽救廢品的工藝提示等。
本發(fā)明的檢測系統(tǒng)達(dá)到的檢測的速度為球鐵-1.5分鐘，灰鐵、瑪鐵、球鐵原鐵水、蠕鐵原鐵水、高碳灰鐵-3分鐘。
根據(jù)檢測結(jié)果可以給出的工藝提示包括牌號不達(dá)標(biāo)廢品報警、強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)廢品報警、伸長率不達(dá)標(biāo)廢品報警、硬度超標(biāo)報警、球化衰退報警、碳化物(白口)超標(biāo)報警等；應(yīng)補(bǔ)加廢鋼、應(yīng)降碳、應(yīng)補(bǔ)加銅、應(yīng)補(bǔ)加錳、應(yīng)補(bǔ)加鉻、應(yīng)補(bǔ)加硅鐵、應(yīng)補(bǔ)加球化劑等；、樣杯未裝好、信號線未接好、樣杯托架需更換、澆樣溫度過高、澆樣溫度過低、澆樣有夾渣、澆樣有溢出、樣杯偶絲被沖斷、換杯并搶澆樣等。
可以顯示、打印如下的分類或全部信息被測鐵水的類型、全部檢測理化參數(shù)、鐵水的冷卻曲線、工藝提示、測試的管理信息(試樣編號、爐號、日期、取樣時間)等；當(dāng)天所有的爐前在線檢測報告單；當(dāng)月內(nèi)任一試樣的爐前在線檢測報告單；當(dāng)月內(nèi)全部試樣的爐前在線檢測報告單?？梢酝ㄟ^以太網(wǎng)、RS-232、RS-485等通信方式，將爐前檢測的、當(dāng)前或以往的試樣數(shù)據(jù)，從檢測系統(tǒng)中取出，傳輸至控制中心，便于實時多點指揮及對數(shù)據(jù)的綜合分析。
就部分重要參數(shù)而言，本發(fā)明的創(chuàng)新點還在于將碳的測試范圍之下限由通常的3.0％擴(kuò)展至2.8％，上限由通常的3.5％擴(kuò)展至4.2％，將硅的測試范圍之下限由通常的1.2％擴(kuò)展至0.6％，上限由通常的2.7％擴(kuò)展至4.5％，可填補(bǔ)復(fù)雜、高強(qiáng)、特種鑄鐵件的測試空白。
權(quán)利要求
1.一種金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，包括信號采集裝置、熱電勢聯(lián)合計量接口裝置、數(shù)據(jù)處理主機(jī)以及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，信號采集裝置包括傳感器，傳感器包括杯體和熱電偶，用于澆入待檢測的金屬液，并通過熱電偶產(chǎn)生與金屬液的溫度變化相關(guān)的電信號，熱電勢聯(lián)合計量接口裝置包括信號放大電路和A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路，信號放大電路用于接收傳感器輸出的電信號，并且對該電信號進(jìn)行放大，A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換電路用于將信號放大電路輸出的經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于數(shù)據(jù)處理主機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)輸出設(shè)備包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置、存儲裝置、顯示裝置、打印裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，其中，信號采集裝置由取樣皿、傳感器及綜合濾波組件構(gòu)成，取樣皿由輕質(zhì)耐火保溫材料做成，傳感器選用高精度的電偶絲，電偶絲外面套有保護(hù)套管，置于杯體中部，用于將凝固前后的溫度變化值精確地轉(zhuǎn)換為易于識別的、0～60mv變化的熱電勢值，傳感器方形杯體符合牛頓冷卻條件，它以細(xì)于20目的覆膜砂做成，可確保鐵水按Fe-FeC3穩(wěn)定系方式結(jié)晶，綜合濾波組件為外套保護(hù)管的銅—康銅信號傳輸線，它將信號由爐前引至檢測室內(nèi)，可以排除對采樣信號的各種干擾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)處理主機(jī)包括工控嵌入式主板，它使用Busybox軟件運(yùn)行于Linux系統(tǒng)，并且包括RS-232、RS-232/485、并口、10/100M以太網(wǎng)接口、軟驅(qū)、IDE硬盤接口、USB口，串行接口連接采集模塊及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置，并口連接打印裝置，USB口用于歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，以太網(wǎng)接口提供高速數(shù)據(jù)通道，硬盤接口可接大容量外存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)處理主機(jī)包括單板機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，其中，數(shù)據(jù)處理主機(jī)包括包括Linux內(nèi)核、RTLinux內(nèi)核、MiniGUI圖形支持庫，就其處理功能而言還包括數(shù)據(jù)采集模塊、金屬液特征識別模塊、參數(shù)獲取模塊和輸出模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，其中，傳感器的杯體內(nèi)壁和底面上包括一個涂料層，涂料層是碲Te、鉍Bi和鋁Al的粉末與粘接劑混合后噴涂于杯體而形成的，其中，碲、鉍和鋁的總加入量不少于杯體內(nèi)所盛金屬液重量的0.02％，而碲、鉍和鋁各自重量與三者之和的比率是碲≥60％，鉍≤30％，鋁≤10％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，其中，熱電偶在方形杯體中水平放置，位于杯體高度的1/2～2/3處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬液綜合性能在線檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括信號采集裝置、熱電勢聯(lián)合計量接口裝置、數(shù)據(jù)處理主機(jī)以及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，信號采集裝置用于產(chǎn)生與金屬液的溫度變化相關(guān)的電信號，熱電勢聯(lián)合計量接口裝置用于對電信號進(jìn)行放大和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以便于數(shù)據(jù)處理主機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)輸出設(shè)備包括數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳裝置、存儲裝置、顯示裝置和打印裝置。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)適合于國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的十八種牌號鐵水、十九種關(guān)鍵參數(shù)的快速檢測，并且檢測精度高、穩(wěn)定性好。
文檔編號G01N25/20GK101055261SQ200610002850
公開日2007年10月17日 申請日期2006年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月7日
發(fā)明者楊善林, 凌驥生, 褚偉, 馬溪駿, 左闖, 潘若愚, 黃曉忠 申請人:合肥工大雙發(fā)信息系統(tǒng)技術(shù)有限公司