CN111811957A - 基于控制热拉伸试验升温装置的升温方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于控制热拉伸试验升温装置的升温方法，通过对三段式加热丝分别对拉伸式样加热，三个热电偶分别测量拉伸试样的上中下三个位置的温度；将测量得到的温度反馈给温度比较器，温度比较器将得到的当前温度信息与预设的温度及其阈值进行比较，并将目标温度和当前温度的差值转化为电信号输出给加热丝的功率调节器；最后通过功率调节器根据温度差值通过控制加热丝的电流大小来对加热功率进行调节；本发明通过三段加热丝和热电偶对拉伸式样分别加热，在充分减小前期升温时间的同时，大大减小了由于延时而产生的温度的超差，使最终温度能够恰好处于目标的温度范围内，避免了后续的停止加热和升温调整，从而大大减少了试验的时间。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种金属材料高温力学性能测试领域的技术，具体是一种基于控制热拉伸试验升温装置的升温方法。
背景技术
在热拉伸试验中，加热保温占据了绝大部分的时间。常用的辐射加热容易导致上下部分加热不均匀，导致不同位置达到目标温度的时间不同；由于加热源与测温位置相隔有一定的距离，温度的测量和反馈有相当大的延迟，容易导致超过目标的温度范围，尤其是在加热速度较快的情况下。控温的不准确导致需要多次加热和停止加热来进行调整才能达到目标的温度区间，使得加热保温的时间急剧增加，导致实验的效率大大降低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于控制热拉伸试验升温装置的升温方法，通过三段加热丝和热电偶对拉伸式样分别加热，在充分减小前期升温时间的同时，大大减小了由于延时而产生的温度的超差，使最终温度能够恰好处于目标的温度范围内，避免了后续的停止加热和升温调整，从而大大减少了试验的时间。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于控制热拉伸试验升温装置的升温方法，通过对三段式加热丝分别对拉伸式样加热，三个热电偶分别测量拉伸试样的上中下三个位置的温度；将测量得到的温度反馈给温度比较器，温度比较器将得到的当前温度信息与预设的温度及其阈值进行比较，并将目标温度和当前温度的差值转化为电信号输出给加热丝的功率调节器；最后通过功率调节器根据温度差值通过控制加热丝的电流大小来对加热功率进行调节。
所述的控制热拉伸试验升温装置包括：拉伸试验机、环境箱和温度控制机构，其中：拉伸试验机与环境箱相连，环境箱与温度控制机构相连。
所述的拉伸试验机包括：控制器、上横梁、下横梁和紧固插销，其中：上横梁和下横梁上下设置于拉伸式样两端并通过紧固插销与拉伸式样相连，控制器与上横梁相连用于控制其移动速度。
所述的环境箱包括：外壳、分为上中下三段的加热丝和保温材料，其中：外壳分别与拉伸试验机和温度控制机构相连，加热丝设置于外壳上并与拉伸式样相连。
所述的保温材料采用最高使用温度1200℃，导热系数0.033W/m·k玻璃纤维棉。
所述的温度控制机构包括：依次相连的用于温度测量的热电偶组、温度比较器、功率调节器和加热电源，其中：热电偶组与环境箱相连。
所述的热电偶组包括：三个分别测量拉伸式样上中下三个位置的热电偶，其中：热电偶与加热丝相对应连接拉伸式样。
技术效果
与现有技术相比，本发明大大减少了热拉伸试验的升温保温时间，显著节省了试验总时间，例如进行450℃的拉伸试验，由原有方法的33min减少至现有的19min，节省了42％的时间；由此产生的意料之外的技术效果包括：升温曲线简单有效且适用温度范围宽广，无需复杂的控制器。
本发明通过三段加热丝和热电偶对拉伸式样分别加热，在充分减小前期升温时间的同时，大大减小了由于延时而产生的温度的超差，使最终温度能够恰好处于目标的温度范围内，避免了后续的停止加热和升温调整，从而大大减少了试验的时间。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为实施例温度控制流程图；
图3为实施例标准拉伸试件图；
图4为实施例中温度随时间的变化图；
图中：拉伸试验机1、环境箱2、温度控制机构3、控制器4、上横梁5、下横梁6、紧固插销7、外壳8、加热丝9、、拉伸式样10、热电偶组11、温度比较器12、功率调节器13、加热电源14、热电偶15。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种控制热拉伸试验升温装置及升温方法，其中包含：拉伸试验机1、环境箱2和温度控制机构3，其中：拉伸试验机1与环境箱2相连，环境箱2与温度控制机构3相连。
所述的拉伸试验机1包括：控制器4、上横梁5、下横梁6和紧固插销7，其中：上横梁5和下横梁6上下设置于拉伸式样10两端并通过紧固插销7与拉伸式样10相连，控制器4与上横梁5相连用于控制其移动速度。
所述的环境箱2包括：外壳8、分为上中下三段的加热丝9和保温材料，其中：外壳8分别与上横梁5、下横梁6和热电偶组11相连，加热丝9设置于外壳8上并与拉伸式样10相连。
所述的温度控制机构3包括：依次相连的用于温度测量的热电偶组11、温度比较器12、功率调节器13和加热电源14，其中：热电偶组11与外壳8相连。
所述的热电偶组11包括：三个分别测量拉伸式样10上中下三个位置的热电偶15，热电偶15是非接触式的测温元器件，其中：热电偶15与加热丝9相对应连接拉伸式样10。
如图2所示，所述的温度比较器7的作用是将所测温度与目标温度及其范围进行比较计算，然后对功率调节器下达命令。
本实施例基于上述装置的升温方法，包括以下步骤：
步骤一：加热丝分为三段分别给拉伸式样加热，三个热电偶分别测量拉伸试样的上中下三个位置的温度；
步骤二：将测量得到的温度反馈给温度比较器，温度比较器将得到的当前温度信息与预设的温度及其阈值进行比较，并将目标温度和当前温度的差值转化为电信号输出给加热丝的功率调节器，具体为：
首先判断所测温度Ti与目标温度Ts之间差值的绝对值|△Ti|是否小于预设的温差△Tm，若满足要求则说明拉伸试样每一部分的温度均已达到目标温度范围，此时进入保温阶段，试样经过预设时长的保温；在保温阶段若出现不满足的|△Ti|<△Tm情况，系统将发出警告提醒，同时给操作者提供结束保温操作返回至升降温调整阶段和忽略警告继续进行试验两项操作选择，保温顺利结束后进行拉伸试验。
步骤三：功率调节器根据温度差值通过控制加热丝的电流大小来对加热功率进行调节；
其中：最大功率为Pm，目标温度为Ts，每个热电偶所测的当前温度为Ti(i为1,2,3)，目标温度与当前所测温度之差为△Ti＝Ts-Ti，加热功率大小与温差之间的关系满足：
当△Ti≥100℃，即与目标温度相距较多时，使用加热丝的最大功率进行加热，从而减少升温的时间；当0℃≤△Ti<100℃时，加热功率随△T的减小而线性减小；当△Ti<0℃时，即由于热辐射的延时导致温度超过目标温度时，停止加热。
如图3所示，本实施例采用的拉伸试样为片状，对于将夹头换成螺纹状的棒状试样同样适用。
如图4所示，为450℃拉伸试验过程温度随时间的变化曲线，升温第一阶段以最大功率加热，升温曲线为线性。辐射加热延时导致以最大加热功率进行加热达到的温度超过了350℃，但与目标温度450℃仍相距一段距离，此后加热功率随温差的减小而线性减小，升温曲线表现为以曲线方式逐渐逼近450℃。延时使得温度最终超过了450℃，但与450℃相差极小，进入保温阶段不需要进行升降温的调整。该温度调控策略能够有效的减少试样升温的时间，且简单可控。
本发明通过独立控制每段加热丝的功率以克服试样不同位置加热不均匀的问题；通过当前温度与目标温度之间的温差来对加热功率进行调整的整个控制逻辑以及二者之间的关系函数。
所述的环境箱2的加热丝9由整体分为上中下独立的三段，每段分别与加热电源14相连，从而实现对试样不同位置的加热控制。
如图4所示，使用本办法进行450℃的拉伸试验，从室温升温至450℃并保持稳定的时间仅需19min。本发明的性能指标提升在于大大减少了热拉伸试验的升温保温时间，显著节省了试验总时间，提升了试验的效率。例如进行450℃的拉伸试验，由原有方法的33min减少至现有的19min，节省了42％的时间。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (5)
1.一种基于控制热拉伸试验升温装置的升温方法，其特征在于，通过对三段式加热丝分别对拉伸式样加热，三个热电偶分别测量拉伸试样的上中下三个位置的温度；将测量得到的温度反馈给温度比较器，温度比较器将得到的当前温度信息与预设的温度及其阈值进行比较，并将目标温度和当前温度的差值转化为电信号输出给加热丝的功率调节器；最后通过功率调节器根据温度差值通过控制加热丝的电流大小来对加热功率进行调节；
所述的装置包括：拉伸试验机、环境箱和温度控制机构，其中：拉伸试验机与环境箱相连，环境箱与温度控制机构相连；
所述的环境箱包括：外壳、分为上中下三段的加热丝和保温材料，其中：外壳分别与拉伸试验机和温度控制机构相连，加热丝设置于外壳上并与拉伸式样相连；
温度控制机构包括：依次相连的用于温度测量的热电偶组、温度比较器、功率调节器和加热电源，其中：热电偶组与环境箱相连。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的拉伸试验机包括：控制器、上横梁、下横梁和紧固插销，其中：上横梁和下横梁上下设置于拉伸式样两端并通过紧固插销与拉伸式样相连，控制器与上横梁相连用于控制其移动速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的热电偶组包括：三个分别测量拉伸式样上中下三个位置的热电偶，其中：热电偶与加热丝相对应连接拉伸式样。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤2具体为：判断所测温度Ti与目标温度Ts之间差值的绝对值|△Ti|是否小于预设的温差△Tm，若满足要求则说明拉伸试样每一部分的温度均已达到目标温度范围，此时进入保温阶段，试样经过预设时长的保温；在保温阶段若出现不满足的|△Ti|<△Tm情况，系统将发出警告提醒，同时给操作者提供结束保温操作返回至升降温调整阶段和忽略警告继续进行试验两项操作选择，保温顺利结束后进行拉伸试验。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的步骤3中最大功率为Pm，目标温度为Ts，每个热电偶所测的当前温度为Ti，i为1,2,3，目标温度与当前所测温度之差为△Ti＝Ts-Ti，加热功率大小与温差之间的关系满足：
当△Ti≥100℃，即与目标温度相距较多时，使用加热丝的最大功率进行加热，从而减少升温的时间；当0℃≤△Ti<100℃时，加热功率随△T的减小而线性减小；当△Ti<0℃时，即由于热辐射的延时导致温度超过目标温度时，停止加热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201023 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |