基于STM32的智能鋼水測溫定氧儀表

何濤燾，文華北，田　陸

(湖南鐳目科技有限公司，湖南長沙　410100)

0　引言

鋼水的溫度和氧含量，對鋼水的質量、成材率和鐵合金的消耗有著關鍵性的影響，準確測定鋼水溫度和氧含量是煉制高品質鋼材的關鍵性環(huán)節(jié)[1]。測溫定氧儀可以精確測定和計算鋼水的溫度、氧電勢、氧含量、碳含量和鋁含量，在轉爐、電爐、精煉爐上得到了廣泛的應用[2]。現(xiàn)有的檢測儀表以國外引進為主，儀表價格昂貴而且必須與其配套的探頭一起使用才能保證其對碳含量和鋁含量的計算精度。由于各探頭生產(chǎn)商所采用的參比電極不同，其計算模型也存在差異，這就會降低儀表的適用性和精準度[3]。文中設計了一種精度高、擴展性強、使用方便的測溫定氧儀表，它不僅可以精度測定鋼水的溫度和氧電勢，而且可以根據(jù)測溫定氧探頭的類型和校對參數(shù)調(diào)整氧活度、碳含量和鋁含量計算模型滿足不同鋼廠的需求。

1　系統(tǒng)測量原理

探頭插入鋼水中后，溫度與氧電勢急速升高，在與鋼水達到溫度和氧電勢平衡后，這一段曲線所代表的溫度和氧電勢就是鋼水的實際溫度和氧電勢[3]，如圖1所示。將所測的溫度和氧電勢值導入儀表內(nèi)嵌的氧活度、碳含量和鋁含量計算模型便可得到此時鋼水的氧活度、碳含量和鋁含量。

圖1　儀表典型溫度與氧電勢測量曲線

2　系統(tǒng)設計

2．1系統(tǒng)硬件設計

圖2　硬失件架構圖

STM32系列單片機基于CORTEX—M3內(nèi)核，時鐘頻率達到72 MHz，具有性能高、功耗低、成本低、外設豐富等優(yōu)點，在智能儀表設計中得到了廣泛的應用[4-5]。該儀表硬件總體設計如圖2所示，采用主從式電路設計，STM32F105VB作為儀表的主控制器，51單片機作為系統(tǒng)的從控制器。系統(tǒng)采集的溫度和氧電勢信號首先經(jīng)過差分放大濾波電路，然后經(jīng)電壓跟隨電路進入AD芯片，同時狀態(tài)監(jiān)測電路監(jiān)測溫度電勢的變化。當溫度電勢的變化超出預定的值，狀態(tài)監(jiān)測電路通知STM32驅動AD單元開始或停止采集溫度電勢、氧電勢和補償溫度電勢，并將系統(tǒng)狀態(tài)信息傳輸給現(xiàn)場的流程控制指示器。當測量結束時，系統(tǒng)將測量和計算獲得的溫度、氧含量、碳含量以及鋁含量傳輸給現(xiàn)場大屏顯示器。儀表配置8英寸液晶作為系統(tǒng)的人機交匯的顯示單元，同時具備RS-232、RS-485、USB、以太網(wǎng)以及4～20 mA輸出接口。

2．1．1差分放大電路

差分放大電路用于測量溫度和氧電勢信號，濾除現(xiàn)場噪聲干擾。溫度測量范圍為1 000～1 750 ℃，氧電勢測量范圍為-400～400 mV，電路的基本結構如圖3所示。儀表測量電路選用精密運放OP177作為輸入級的放大器，其具有低失調(diào)電壓、低噪聲和低溫漂特性。差分放大倍數(shù)必須滿足后續(xù)AD轉換精度的要求，若R1=R3，其放大倍數(shù)A=2(R1/R2+1)。

圖3　差分放大電路

2．1．2狀態(tài)監(jiān)測電路

狀態(tài)檢測電路通過檢測溫度電勢的變化判斷當前測量狀態(tài)，提示現(xiàn)場工人進行正確操作，如圖4所示。電壓比較器的輸出接入STM32的外部中斷1、2，當探頭插入測槍后，比較器U5A、U5B的輸出將從高電平跳變至低電平，儀表發(fā)出準備測量信號；將測槍插入到鋼水中，當溫度超過1 000 ℃時，比較器U5A輸出的電勢將從低電位跳至高電位，儀表輸出正在測量信號；當溫度超過1 700 ℃時，輸出的溫度電勢拉高至5 V，比較器U5A輸出將從低電位跳變至高電位，儀表輸出測量結束信號。

圖4　狀態(tài)檢測電路

圖5　模數(shù)轉換電路

2．1．3模數(shù)轉換電路

系統(tǒng)選用16位模數(shù)轉換器AD7684，模擬輸入范圍從-VREF(VREF為外部的參考電壓)到+VREF，單電壓工作范圍從2．7～5．5 V，輸入內(nèi)含一個16位高速無失碼ADC(Analog to Digital Converter)，最高轉換速度可達100KSPS(Kilo Samples Per Second)一個內(nèi)部轉換時鐘，兼容串行SPI(Serial Peripheral Interface)接口。模數(shù)轉換連接電路如圖5所示，通過STM32的SPI2接口來驅動AD7684。

2．1．4鍵盤監(jiān)控電路

鍵盤檢測電路如圖6所示，采用STC12LE5201單片機處理，P1實時掃描鍵盤，監(jiān)測有無按鍵按下，在監(jiān)測到按鍵被按下時，單片機驅動蜂鳴器發(fā)提示音，在P3．0～P3．3輸出按鍵編碼，同事觸發(fā)STM32的外部中斷0。

圖6　鍵盤監(jiān)控電路

2．2系統(tǒng)軟件設計

需要實時采集溫度電勢和氧電勢，并將在探頭熔斷時，計算測量溫度、氧含量、碳含量和鋁含量。系統(tǒng)軟件采用多級菜單方案設計，如圖7所示。系統(tǒng)在啟動后，先初始化系統(tǒng)，然后從外部FLASH加載變量進入主菜單。在主菜單中，提供 “測量”、“系統(tǒng)”、“查詢”、“設置”4個子菜單選選項，用戶可以根據(jù)主菜單顯示的信息，選擇進入下一級子菜單，各級子菜單是相互獨立的，完成設置后可選擇返回到主菜單。測量菜單顯示鋼水的溫度、氧電勢、氧活度、碳含量和鋁含量信息，同時顯示當前的測量狀態(tài)。系統(tǒng)菜單用于設置計算模型參數(shù)。查詢菜單中用戶可以查看歷次測量記錄和測量曲線。設置菜單中用戶可以設置當前探頭的型號、系統(tǒng)時間、當前系統(tǒng)的狀態(tài)、用戶權限管理和等參數(shù)。

圖7　系統(tǒng)主程序流程

3　實驗結果

采用1臺高精度的信號源對儀表的溫度(以S型熱電偶為例)和氧電勢測量精度進行了檢驗，表1、表2分別為儀表實測的溫度和氧電勢結果。

為了進一步驗證實際使用效果，在某鋼廠80噸精煉爐上對儀表氧含量計算精度進行了測試。測試中使用公司自主研發(fā)的定氧探頭，并將所測的氧含量與取樣化驗值進行比較，結果如表3所示。

表1　儀表實測溫度結果

表2　儀表實測氧電勢結果　mV

經(jīng)過測試驗證，本系統(tǒng)溫度測量誤差Δt<±1 ℃，氧電勢誤差Δe<±1 mV，氧含量誤差ΔO<±0．1 ppm．

表3　氧含量計算值與實際值

4　結束語

儀表可以準確測定溫度與氧電勢。儀表與探頭結合使用證明碳與鋁含量的計算相對誤差<±0．8%。對應不同的探頭只需通過實驗標定和數(shù)據(jù)擬合，就可以得出精確的氧活度、碳含量和鋁含量的計算模型。儀表經(jīng)過現(xiàn)場長時間的驗證，性能穩(wěn)定，性價比高，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

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[2]鄧茂煥，黃正．定氧技術的現(xiàn)狀及質量評價．工業(yè)計量，2004，14(4)：26-29．

[3]夏金峰，李強，蔣丹宇．鋼液快速定氧傳感器技術的發(fā)展．現(xiàn)代技術陶瓷，2009，12(4)：21-25．

[4]孫啟富，孫運強，姚愛琴．基于STM32的通用智能儀表設計與應用．儀表技術與傳感器，2010(10)：34-37．

[5]翁嘉民，陳志武．基于STM32F105的動態(tài)自動稱重系統(tǒng)設計．儀表技術與傳感器，2012(11)．