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電磁式測渣傳感器參數(shù)檢測系統(tǒng)

2014-03-22 02:17劉仁銀
儀表技術(shù)與傳感器 2014年10期
關(guān)鍵詞:鋼包框圖線圈

劉仁銀,潘 煉

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430081)

1 概述

在連鑄生產(chǎn)過程中,當(dāng)鋼包中含氧化物的爐渣流入中間包后,會造成鋼水中鋁、鈦等易氧化合金元素的燒損,并產(chǎn)生氧化鋁夾雜物,影響鋼水的純凈度,最終影響軋鋼的表面質(zhì)量。為了有效控制連鑄過程的鋼包下渣,國外一些公司開發(fā)了鋼包下渣自動檢測裝置。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的下渣檢測裝置中90%以上采用的是電磁感應(yīng)法下渣檢測技術(shù)。測渣傳感器的參數(shù)是否在允許范圍內(nèi)直接關(guān)系到鋼水收得率、鑄坯質(zhì)量及中包水口的通暢。

該系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī),利用乘法器法二極管鑒別法,快速判斷傳感器的相位;利用專業(yè)的阻抗測量芯片AD5933,快速精確測出傳感器的注線圈阻抗Rp,二級線圈阻抗Rs,注線圈與二級線圈間的絕緣阻抗Rz及線圈與地阻抗R⊥;系統(tǒng)能夠?qū)y量的參數(shù)存儲在U盤里,對測量的參數(shù)存儲深度大于7 d,且系統(tǒng)可以在10 s后自動進(jìn)入低功耗模式。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1測渣傳感器的介紹

圖1是測渣傳感器的檢測線圈圖。鋼包在接收位時,將傳感器通過快速接頭和檢測系統(tǒng)相連接。系統(tǒng)提供交變的正弦電壓加到注線圈的兩端后,注線圈中流過同一頻率的交變電流Ip,并產(chǎn)生交變磁場。由于鋼液和鋼渣二者間的電導(dǎo)率差異,通過注線圈的勵磁作用,二級線圈感生獲得不同的電動勢Us.磁場感生電動勢的大小反應(yīng)了鋼液含渣量的大小。計(jì)算機(jī)將來自傳感器的模擬信號進(jìn)行處理計(jì)算,給出顯示報(bào)警信號和控制信號。

圖1 傳感器檢測線圈圖

2.2系統(tǒng)框圖

圖2為系統(tǒng)原理框圖。相位測量是將經(jīng)過調(diào)理的激勵信號給傳感器的注線圈,二級線圈感生的信號經(jīng)調(diào)理后與激勵信號一起送往乘法電路,乘法電路的信號經(jīng)過調(diào)整送到單片機(jī)處理。傳感器通過快速接頭連接到系統(tǒng)后,可以通過阻抗測量電路測出阻抗值。通過按鍵可以選擇測量阻抗與相位,顯示屏可以實(shí)時顯示結(jié)果,且可以將測量的數(shù)據(jù)存儲到U盤,方便記錄傳感器的參數(shù)變化。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.3硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.1 激勵信號電路

給注線圈的激勵信號的頻率在400 ~800 Hz都可以,頻率較低,這里采用了常用的維恩電橋反饋型振蕩電路。圖3是維恩電橋振蕩電路的基本構(gòu)成,放大電路的反饋回路網(wǎng)絡(luò)采用R和C串并聯(lián)回路,根據(jù)f=1/(2πRC)可以計(jì)算出選擇的頻率。電阻R2和R3設(shè)定放大電路的增益。在負(fù)反饋側(cè)接入D1和D2的作用是限幅,防止輸出飽和產(chǎn)生振蕩。在OUT_1端輸出的振蕩激勵信號經(jīng)反向放大后,信號給緩沖器BUF634T,以高激勵信號的電流驅(qū)動能力。

圖3 維恩電橋反饋振蕩電路

2.3.2 感應(yīng)信號電路

圖3中的OUT_1的信號經(jīng)過調(diào)理后將交變電流信號送給傳感器的注線圈。二級線圈將感生電壓信號Us送給感應(yīng)信號電路處理。感生的電動勢信號Us放大后信號接到G_IN端,如圖4,經(jīng)過壓控電壓源帶通濾波器和移相電路調(diào)理給乘法器。根據(jù)激勵信號的相位和幅值的大小,調(diào)節(jié)電位器VR1改變信號的幅值,VR2調(diào)整信號的相位,在G_OUT處利用示波器可以檢測到理想的波形。

圖4 壓控電壓源帶通濾波和移相電路

2.3.3 乘法電路

AD534是低漂移的單路放大器,具有較寬的工作頻帶和較小的差錯率,輸入信號為差分(雙端)輸入方式,即只有差分信號才能進(jìn)入放大器濾除共模信號。圖5為AD534的應(yīng)用電路。輸入G_OUT為調(diào)理后的感應(yīng)信號,J_OUT為調(diào)理后的激勵信號,其傳輸函數(shù)是VO=(X1-X2)(Y1-Y2)/(10 V)+Z2.引腳X2、Y2與Z2全接地,兩路相乘信號改為單端對地輸入,線性控制輸出電壓制。

圖5 乘法電路

系統(tǒng)相位的檢測方法是乘法器二極管鑒別法,乘法器AD534的輸入端G_OUT和J_OUT是頻率相同的正弦函數(shù),相位相差φ,運(yùn)算后的結(jié)果經(jīng)過一個積分電路后可以得到一個直流電壓V=kcosφ,電路的輸出和被測信號相位相差的余弦成比例。積分后的電壓信號經(jīng)過二極管后直接給單片機(jī)進(jìn)行A/D處理。由于應(yīng)用了積分環(huán)節(jié),可以濾掉信號波形中的高次諧波,有效抑制了諧波對測量準(zhǔn)確度的影響。

2.3.4 阻抗測量電路

圖6是阻抗測量電路,AD5933可以精確測量廣泛的阻抗值,誤差小于實(shí)際阻抗值的0.5%。由于AD5933的阻抗測量范圍是1 kΩ~10 MΩ,而注線圈和二級線圈兩端的阻抗Rp和Rs都在100 Ω以內(nèi),故在RFB引腳和Vin引腳之間加了一個1 kΩ電阻,將測量的阻抗提高到AD5933的測量范圍以內(nèi)。通過繼電器的切換,測量出各組需要的阻抗。

圖6 阻抗測量電路

2.3.4 文件管理控制電路

目前有兩種方式選擇USB接口和微處理器:一種是采用具備USB通訊功能的微處理器,另一種則是采用普通微處理器加上專用的USB通信芯片。文中采用USB總線通用接口芯片CH375B和MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)USB接口設(shè)計(jì)。

CH375B在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖7所示。CH375B芯片的TXD引腳懸空或者沒有通過下拉電阻接地,那么CH375B工作于串口方式。在串口方式下,CH375B與單片機(jī)的連接只需TXD引腳、RXD引腳以及INT#引腳,其他引腳可以懸空。CH375B的串行通訊波特率默認(rèn)是9 600 bit/s,單片機(jī)可以通過SET_BAUDRATE命令選擇合適的通訊波特率。ACT#腳引與一個串接了限流電阻的LED連接,指示USB的狀態(tài)。UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。

圖7 文件管理控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的主要部分是在外圍硬件電路的設(shè)計(jì),因此單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)要相對簡單。軟件部分的設(shè)計(jì)大致可以分為3部分:實(shí)時顯示部分,在12864的液晶屏上實(shí)時顯示測量到的相位及阻抗值;按鍵的掃描部分,判斷用戶的測量選擇;根據(jù)用戶判斷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并檢測U盤是否連接,若連接,將有效數(shù)據(jù)存入U盤。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)除了上述設(shè)計(jì)以外,機(jī)械外殼上選用了防塵及防水的小巧機(jī)箱,利于鋼廠的使用;采用了大容量聚合物鋰電池給系統(tǒng)供電,且有電量提示燈。系統(tǒng)在測量后10 s自動進(jìn)入休眠狀態(tài),按任意鍵方可喚醒系統(tǒng),大大提升了續(xù)航能力。最后,相比于國外同類產(chǎn)品,該套系統(tǒng)成本相對較低,目前已在多家鋼廠使用,穩(wěn)定可靠。

圖8 軟件設(shè)計(jì)框圖

參考文獻(xiàn):

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[5]張家生,劉揚(yáng).相位檢測方法的研究.儀器儀表學(xué)報(bào),2003(4):308-310.

[6]謝自美.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測試.2版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007.

作者簡介:劉仁銀(1987-),在讀碩士,從事工業(yè)電子技術(shù)研究。

E-mail:liurenyin@163.com

潘煉(1964-),教授,碩士,從事冶金自動化方面研究。

E-mail:plwisco@163.com

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