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专利名称：铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及铁合金微碳铬铁中硅含量的测试仪器技术领域。
背景技术：
微碳铬铁中硅含量的测量一般采用化学法，即选取一块冷却后的微碳铬铁试样，将其粉 碎成粉沫状，加入一定量的化学试剂，进行化学反应，再由测定仪对硅元素进行计量。化验 室常规测定一般需2小时才能测出试样中含硅含量的数据，对正在冶炼中微碳铬铁的产品的 质量的不能起到及时快速判断，不利于及时采用技术措施来提高产品的质量及合格率。

实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服化验室常规微碳铬铁中含硅量测定时间长，无法及时指 导现场冶炼生产的缺点，提供一种微碳铬铁中硅含量快速测试仪，该仪器不仅能测出被测试 样中的含硅量，同时能在几分钟的时间内获取含硅的数据。
为达上述目的，本实用新型所采用的具体技术方案如下-
铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪，包括测硅传感器、温度控制器、V/F转换器、热电 势放大器及单片机和显示器，其中测硅传感器通过电路连接有温度控制器使其恒温，测硅传 感器还通过电路依次与热电势放大器、V/F转换器、单片机及显示器连接。
上述的铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪，较佳的方案是所说的测硅传感器，其包 括黄铜制作的圆锥形，圆锥形内设置的电热管及与圆锥形接触的铂热电阻。其中铂电阻通过 V/F校正器后与温度控制器连接，电热管通过电路与温度控制器连接。测硅传感器通过温度控 制器，使其恒温在280。C ±2°C 。
测硅传感器还把测硅传感器与压紧装置之间的试样中的硅含量的数据经热电势放大器、 V/F转换器、单片机在显示器显示出来。
热电势放大器优选美国A/D公司生产2B31型信号调理器，热电势放大器的输出电压经过 V/F转换器转换成脉冲量，送入单片机中。
本实用新型的有益效果本实用新型的微碳铬铁中硅含量快速测试仪能现场快速测定合金 铁中的硅含量，且不需要对微碳铬铁进行特别处理；也不需要使用其它的试剂，简单方便。 另外，微碳铬铁中硅含量快速测试仪本身的结构设计巧妙、简单，最后的电脑能显示最终测试结果。

图1为本实用新型微碳铬铁中硅含量快速测试仪结构原理示意图
图2为V/F转换器电路
图3为铂热电阻非线性测量线路
图4为铂热电阻校正线路
图5为控制电路
图6为控制波形图
附图标记说明1-黄铜制成的圆锥形 2-铂热电阻 3-电热管
具体实施方式实施例1
如图1所示，本实用新型所述的微碳铬铁中硅含量快速测试仪，包括测硅传感器、温度 控制器、VZF转换器、热电势放大器及由单片机和显示器，其中测硅传感器通过电路连接有温 度控制器使其恒温，测硅传感器还通过电路依次与热电势放大器、V/F转换器、单片机及显示 器连接。测硅传感器把测硅传感器与压紧装置之间的试样中的硅含量的数据经热电势放大器、 V/F转换器、单片机在显示器上显示出来。
一、具体仪器组成
1、 传感器
由黄铜材质制成圆锥形状，其尺寸为小80X110 (H)，与之接触的有一个检测温度的铂电 阻，圆锥形内设有电热管加热，要求恒温在28(rC±2°C;所以应考虑其有十分良好的保温性 能；
2、 温度控制器
该控制器的核心是单片机。铂电阻检测传感器的温度，经过非线性校正后由单片机采集 该温度，控制电热管来对传感器加热，并使传感器恒温在28(TC 。加热控制硅采用"调功"方 式，使其有很高的控制精度。
根据热电原理，要求一种导体性质及温度不变及有一定恒温特性，所以传感器作为一种 导体，要求其温度控制必须符合热电原理。
3、 热电势放大器
4被测的微炭铬铁的样块须先在常温水中冷却后，敲开断面，将其放置在传感器与压紧装 置之间并紧密接触。根据热电原理，传感器与试样接触后，会产生热电势。由于微炭络中的 其他成分Cr， C， Fe等基本不变，也就是Fe， Cr， C基本不与黄铜探头起反应，而微炭铬中 的Si与黄铜探头起了热电效应，产生了 0 1mV之间的热电势。该微弱电势，必须经过信号放 大，才能被单片微机接收，由于放大的是微伏信号，所以要考虑微弱信号检测及噪音的抑制 等问题。
放大器选用美国A/D公司生产2B31型信号调理器。它由一个高性能的仪器放大器、 一个 具塞尔三极点低通过滤器和一个可调激励电源三个主要部分构成。此放大器具有体积小、价 格低、漂移小(0.5uV/°C)、噪声低(In Vp-P)、共模抑制比高(最低为140dB)、线性优良(最 大为0.0025%)、 130V^的输入保护能力及低通滤波的截止频率(2HZ—5KHZ)、放大倍数(l一 2000倍)、输出失调电平和电桥激励源(电压方式4V—15V)， 100mA，电流方式(100yA— 10mA)都是可调等许多优良性能。放大器的输出电压经过V/F转换成脉冲量，送入单片机中。
4、 V/F转换电路
V/F转换器作用是将放大器输出信号经转换成脉冲量(即数字量)，其实质是A/D转换器。 其转换电路如图2所示。
上述电路的输出频率f。与输入电压仏的关系为
二 iW J。 2.09KC,
Rs用来调节增益大小以获得所需的转换精度，脉冲信号通过MCS-51单片机的引脚T1读入 内存，根据脉冲数便测得传感器的温度了。
5、 数据处理
首先按确定的样本进行标定。样本当然越多越好。但是由于样本数据的离散性。可能要 占据很大的内存空间。我们可以采用数值方法进行分段拟合成直线方程，也就形成了测硅的 数学模型，也可以用最小二乘解求曲线方程。
当进行炉前快速测试时，根据读入的数字量就可以寻找相应的区间，通过计算找出对应 的Siy。量。
6、 压紧装置
由黄铜材质和弹簧组成的机构。 二.温度控制1、 铂电阻的非线性校正。
传感器的温度是通过铂电阻来测量。
铂热电阻是一种广泛应用的温度传感器，测量的范围0 50(TC，温度与电阻间存在非线性 关系，通常将铂电阻接入不平衡电桥进行温度测量，以获得电压信号。
如图3。此电路的输出Us与温度t间的关系是非线性的，非线性误差的大小与电路参数
有关，均为百分之几至百分之十几，因此要得到线性的温度一电压转换关系，必须进行非线 性校正。
图4所示为校正线路，电路中的R4是用以引入适量的正反�。�从而抵消在测量上限 段的较严重的非线性误差。电路中设置的零点与满度调节可实现1—5V DC标准电压信号 输出。此电路输出电压U。与温度t的关系式如下
"o =/^(1 +夂2"卜《2(/ +尺 +L )
其中t的高次项与其一次、二次项相比非常之�。�可忽略不计而不会对精度产生影响，
Id、 K2 、 K3是与电路有关的常数，显然，若使"+ ^^:0便可消除造成非线性的二次 项，从而实现非线性校正。K3与正反馈电阻R4及电路其它元件参数有关，可按满足
/ +《3 2=0来选取R4的值。按此原理得到R4计算式为
i 0， + "2)(,-1)
A=-T^^5^
i o-(/ + "2) + ^
电路元件参数若为R^R^lkQ, R3=100Q，R6/R5=R8/R7=4则可得R^2. 1KQ，在实际制作 中，需保证元件参数的精确，可设置R4为精密电位器，结合零点与满度调节使电路输出拟合 理想的线性温度电压特性曲线，以保证转换精度。
2、 校正线路的输出
校正线路的输出经V/F送入温控单片机。V/F转换方法同前，不再重复。
3、 可控硅调功控制
传感器的温度控制采用双向可控硅交流"调功"方式控制加热电热管发热量，即上述采集 温度值与传感器预置温度28(TC相差大时，控制可控硅导通、升温，通过PID调节，使准确达 到预定的温度。所谓调功，即在每一个控制周期时间内，改变加在电热管上交流电压半波的 个数来调节电热丝的发热量。
设电热丝在额定交流电压下的发热功率为^ ，交流电的频率为/，则每秒钟交流半周波的
6个数为2/，在额定电压下，每一个半周波在电热丝上所消耗的电功率为^/2/ ，当在每一控 制周期T内交流半周波的总个数为N，而实际导通的个数为n，不导通的个数为(W-")，则在 一个控制周期T内电热丝消耗的电能量为『r = "'^m/ ,对K个控制周期而言，电热 丝所消耗的电能为『=^^ = "^7^/2/ ，设K个控制周期的时间，则 f^-AP"/2/ ，由此可见，改变每个控制周期内通过加热电热管交流半周波的个数，就能 改变电热丝所消耗的电能，也就改变了加热电热丝的发热量。
数字实现SCR的过零控制需要解决的两个问题 一是要能实现工频电压的正负过零检测， 并在过零时产生脉冲信号；二是过零脉冲信号必须受单片机输出信息的控制。从而控制SCR 过零触发脉冲的个数。
(1) 硬件电路设计
① 工频电压的正负过零检测，且在过零时产生50HZ和100HZ的脉冲序列。其中50HZ脉 冲作为工频电压过零的同步信号，而100HZ脉冲是提供SCR过零触发的脉冲。
② 由单片机发出的控制电平，去控制SCR的过零触发的脉冲数。
控制电路如图5，波形图如图6。它由缓冲放大器U,，电压比较器lk、 U2B、 单稳电路 与门控电路组成，其工作原理说明如下
将幅值为40V的工频电压的Usr施加到缓冲放大器U,的输入端，经缓冲后，将其负半周 电压削波(这里为了与电压比较器相匹配所需的)送至电压比较器U2A、 U2B、 U2C ，
U2A是由电压比较器组成的一个史密特触发器，通过U2A的工频正弦信号，被整形成矩形方 波U2,1]2再去触发后一级的单稳，形成一个频率50HZ，脉宽约7 u s的信号，这个信号连至8031
单片机的^端，作为工频电压过零的同步信号，这意味着，只要中断请求，^信号有 效，即工频电压过零时刻到来。
U2B， lk组成工频电压的正，负过零检测电路。U2B， Lk的输出经微分电路复合后去驱动后 一级的单稳电路。单稳电路输出一个频率为100Hz，脉宽为400yS的正脉冲序列。然后通过 门控电路仏去实现SCR的过零触发。
单片微机设定P1.0位为输出控制电平信号，加至门控电路1]3，用以控制SCR过零触发的 触发脉冲电路。由上可知，硬件电路提供了工频电压过零的同步信号SCR的过零触发脉冲信 号，以及控制电平，但并不能把这些信号有机联系起来，这些任务由软件完成。
(2) 软件设计
①识别工频的过零时刻，并在过零时刻开启和关闭控制门，以保证SCR主回路产生整数个正弦全波。
②保证门控电路的打开时间正比于单片机输出控制量。那么，要完成上述软件任务。首
先应将单片机输出控制量在主程序中，换算成SCR主回路中整数正弦全波个数N。由于信 号反映工频电压过零时刻；因此只要在外中断1的中断服务程序中执行下述功能，就可以按 照运算结果控制量的要求实现SCR的过零控制。
外中断的中断服务程序具体实现的功能是i )中断时，完成控制门的开启与关闭。即
单片机8031的P1.0位置"1"或复"O"。 2)利用中断服务次数，对控制量N进行记数和判断， 即每中断一次，对N进行减一计数，如N^0，保持控制电平P1.0为1，继续打开控制门。如 N，O，则使控制电平P1.0复位为"0"，关闭控制门，使SCR过零触发脉冲不再通过。而达到 按控制量控制的效果。
权利要求1. 铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪，其特征在于，包括测硅传感器、温度控制器、V/F转换器、热电势放大器及单片机和显示器，其中测硅传感器通过电路连接有温度控制器使其恒温，测硅传感器还通过电路依次与热电势放大器、V/F转换器、单片机及显示器连接。
2. 如权利要求1所述的铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪，其特征在于，所说的测硅传感 器包括黄铜制作的圆锥形，圆锥形内设置的电热管及与圆锥形接触的铂热电阻。
3. 如权利要求2所述的铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪，其特征在于，所说的铂热电阻通过V/F校正器后与温度控制器连接，电热管通过电路与温度控制器连接。
4. 如权利要求1所述的铁合金微碳铬铁中硅含量快速测试仪，其特征在于，热电势放大器为 2B31型信号调理器。
专利摘要本实用新型涉及铁合金微碳铬铁中硅含量的测试仪器技术领域。本实用新型所述的微碳铬铁中硅含量快速测试仪包括测硅传感器、温度控制器、V/F转换器、热电势放大器及由单片机和显示器，其中测硅传感器通过电路连接有温度控制器使其恒温，测硅传感器还通过电路依次与热电势放大器、V/F转换器、单片机及显示器连接。本实用新型的测试仪能现场快速测定合金铁中的硅含量，且不需要对微碳铬铁进行特别处理，也不需要使用其它的试剂，简单方便，电脑能直接显示最终测试结果。
文档编号G01N27/14GK201281701SQ20082015345
公开日2009年7月29日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者苏家健 申请人:上海第二工业大学