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调质热处理的温度与检测控制
Kt833-1-17苏峰

摘 要：
温度检测在自动控制系统电路设计中的使用是相当广泛的，系统往往需要针对控制系统内部以及外部环境的温度进行检测，并根据温度条件的变化进行必要的处理，如：补偿某些参数、实现某种控制和处理、进行超温告警等。因此，对所监控环境温度进行精确检测是非常必要的，尤其是一些对温度检测精度要求很高的控制系统更是如此。良好的设计可以准确的提取系统的真实温度，为系统的其他控制提供参考；而相对不完善的电路设计将给系统留下极大的安全隐患，对系统的正常工作产生非常不利的影响。
硬件要求
RJX—4—10箱式电阻炉 热电偶高温计
热处理概述
目的是获得较高的力学性能的回火索氏体+石墨组织，采用淬火+高温回火热处理工艺。工艺规范为860——900摄氏度加热，保温结束后采用水冷或油冷，然后在550—620摄氏度进行回火，回火后冷却方式一般为空冷，也可以采用油冷和水冷。
硬件设计
温度检测电路通常由温度探测、数模转换以及结果处理等部分组成。温度探测电路将环境温度转换成对应的电信号，模数转换电路将电信号转换成数字量，然后送处理器进行必要的处理，从而获得相应的环境温度参数[1]，如图1所示。

图1 功能框图
其中，温度检测部分一般采用热电偶。目前出现了一些专用的温度探测芯片，精度大大提高，而且对温度改变的灵敏度也达到了非常高的标准，如National公司的IM35系列。
温度探测电路一般是将温度的变化转化为电压信号的变化，因此需要通过模数转换电路转换成数字信号才能为处理器所接受，从而通过计算获得真实的温度信息以便处理器进行进一步的处理。由于在较大的自动控制系统中，常常需要进行多点的温度检测，同时在实际电路设计中特别是在高频电路设计中数据总线的干扰是很严重的。因此使用支持多路转换功能的串行模数转换器件无疑是很好的选择，常见的如AD公司的AD7811和AD7812系列等。
下面以National公司的I M35系列温度传感器和AD公司的AD7812模数转换器为例，讨论基于支持串行总线多通道、高精度温度检测方案的设计思想。其电路原理框图如图2所示。

图2 系统硬件框图
LM35系列芯片是一种高精度的温度探测器，它的输出电压正比于当前环境温度，在室温下，它的探测精度可以达到±1／4℃，在一55℃～+150℃ 区间，它的精度可以达到±34~℃，它的典型变化趋势是温度每变化l℃，电压变化10mV，其温度—电压转化公式为：
V = 10mV／℃·C 公式(1)
式中： 为转换输出电压，C为系统实际温度。
AD7812是一种串行AD转换芯片，它支持最多8通道输入(AD78ll为4通道)，这样我们就可以很容易的设计支持多路温度检测的电路[2]。
AD7812的工作方式由一片内部控制寄存器决定，它可以由Convst脚的脉冲输入启动转换，也可以通过软件控制完成转换，在实际设计中，由于软件控制更加灵活，所以一般采用软件控制的方法进行转换，它的控制寄存器定义如下：

A0 用于支持两块或更多的AD7812共享串行总线，由该位决定具体访问哪片AD7812．只有当某片AD7812的A0位置l时，才能对其进行访问。当串行总线上只有一片AD7812时，该位可以忽略；
PD0、PD1 决定电源工作状态；当设置为∞时，电源处于完全关断状态；当设为Ol时，在转换完成后部分关闭电源；当设为l0时，在转换完成后完全关闭电源；当设为11时，电源始终处于开启状态；
Vin8 AGND要使该位生效，DIFF／SGI位必须设为0，当该位为0时，8路模拟输入都以AGND作为参考；当该位为1时，Vinl到Vin7共7路模拟输入，以Vin8作为参考；
DIFF／SGL 该位用于决定8路模拟输入信号的输入参考状态；
CH2、CH1、CH0 通道选择，选择一路模拟输入通道；
CONVST 软件启动转换，设置该位为l初始化一次转换。在转换结束后该位被清零；
EXTREF 选择外部参考。
由于AD7812是一种串行接口芯片，所以与其通讯的CPU最好支持串行通讯，这样编程实现比较方便。市场上支持串行通讯的CPU很多，资料也很详尽，在此就不多做介绍了。

软件编程
软件控制主要针对AD转换芯片AD78l2进行控制。需要完成模数转换、串行数据读取等功能。AD7812有两种工作状态，模式1在转换完成后不关闭电源；模式2在转换完成后关闭电源。一般情况下都选用模式l工作方式，以下就主要针对模式1工作方式展开讨论。

图3 控制时序图
图3是一种典型的控制时序图，首先置PD0、PD1位为l，开启片内电源，使芯片开始工作；在下一个启动转换完成后，数据总线上数据就有效了，转换数据就可以串行输出了。从图中可以看出，第一次转换的数据是无效的，这是因为片内电源还未开启，这是编程者需要注意的地方。

图4 通讯时序图
图4就是实际通讯时序图。RFS是接收数据同步信号，TFS是发送数据同步信号。平时，Dout的输出处于高阻状态，在RFS上升沿后的第一个SCLK上升沿，Dour输出数据有效，在第11个SCLK上升沿后，Dour重新回到高阻状态；在TFS下降沿后的第一个SCLK下降沿。Din线上的数据串行移入片内，在第l3个SCLK降沿，片内控制寄存器内容被更新。在这里要注意，SCLK时钟个数一定要保证，否则容易产生问题。
硬件使用
热处理电阻炉
将电流通过金属或非金属电热元件，使其发出热量，借助辐射或对流作用加热元件的热处理炉，依照要求我们选择中温炉来使用。
热处理电阻炉是以电为能源，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子，其特点如下：
1、结构简单，操作方便，安全；
2、工作温度范围宽，容易进行快速加热并得到高温，且可实现从材料内部加热升温；
3、可实现可控气氛或真空加热，工件热处理后氧化、脱碳少；
4、热效率高，单位能耗低，无污染；
5、容易实现炉温和动作程序的准确控制，炉膛温度分布均匀，容易实现机械化和自动化；
6、需要增加配电设备费用，电力成本高。

调质热处理中温度检测设备的选择与方法的分析
（一）炉温的测量采用热电偶高温计。电偶高温计由热电偶、温度指示调节仪和连接导线组成。热电偶由两根金属丝组成，测量1000℃以下炉温时，这两根金属丝分别为镍铬合金丝和镍铝合金丝。两根金属丝的一端焊接在一起，另一端用连接导线与温度指示调节仪相连。热电偶的焊接端用陶瓷套管和金属套管保护后插入加热炉内，焊接端的温度与炉内温度一致。与温度指示调节仪相连的一端则保持室温不变。随炉内温度变化，热电偶两根金属丝组成的回路中产生电动势并随之变化，这种变化由温度指示调节仪检测并转化为温度值显示出。
二）中温箱式电阻炉的热电偶，一般都垂直安装在炉顶上，且位于中心线偏后的地方，以使其处于炉膛温度的均匀区。
为了保证热电偶能较真实的反映炉膛的温度和近可能接近工件的温度，热电偶必须有足够的插入深度，一般规定不得小于其保护管外径的8~10倍。还应根据具体情况加以调整，如炉膛尺寸较大时应插入深些，反之则可浅些；装炉量较大时，热电偶可插入工件间的空隙中。在决定热电偶插入深度的同时，还要保证其冷端温度的稳定且不得超过100℃。为此，应尽量避免接线盒靠近炉壁，热电偶与插孔间的缝隙应用石棉绳等塞严。在使用过程中，要防止热电偶的污染以免其热电特性发生变化。热电偶及其补偿导线与显示仪表连接时，要严格符合抗干扰的要求，以尽可能排除外界干扰，减少附加误差。

参考资料
1 常建生，石要武，常瑞。检测与转换技术【M】 北京：机械工业出版社，2002
2 王俊杰，检测技术与仪表【M】 武汉：武汉理工大学出版社，2002
3 胡汉才，单片机原理及其接口技术【M】 北京：清华大学出版社，2004
4 张庆玲，热电偶传感器测温系统的设计应用【J】 西北轻工业学院学报，2000