CN201084009Y - 蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种对多台蠕变持久试验数据自动采集和计算机自动控制温度装置系统,包括:蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统;试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统;持久试验断裂时间自动记录子系统,所述的三个子系统由带有RS-485多串口卡的计算机与A/D模数转换模块连接,采用RS-485通讯协议和地址区分技术对系统进行控制。本系统的使用保证了试验数据的准确性和完整性,同时可以测定材料的在所设定的实验条件下的稳态蠕变速率,在整个试验过程中蠕变高温炉的升温、保温和降温过程全部由计算机自动控制,提高了试验的自动化程度和可靠性。
Description
技术领域
本实用新型提供的一种蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,尤其提供一种可对多台蠕变持久试验数据自动采集和计算机自动控制温度装置系统,属于材料性能测试技术领域,适用于高分子材料和金属材料,特别涉及金属材料的蠕变变形和持久强度的测试。
背景技术
蠕变和持久强度是评价金属材料在高温环境下可用性的重要指标,是电站锅炉、石油化工、核工业及航空航天工业结构设计和材料选用的基础数据。金属材料蠕变试验的周期长,一般可达数千小时甚至上万小时,且必须在专用蠕变实验机上进行。长期以来,蠕变和持久试验全部采用人工读取和记录数据,手动调节温度控制系统,实验人员需日夜监控设备运行情况。因此不可避免地产生人为误差或者误操作,从而影响试验数据的准确性和试验的正常进行,进而影响人们对金属材料的蠕变和持久强度的正确判断。
由沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司研制的“一种蠕变变形测量与数据自动采集装置”,申请号:02273979.3。以及由河南科技大学申请的“一种数据自动采集拉伸蠕变测试装置”,申请号:200520127714.5。他们虽然都实现了计算机自动采集和记录蠕变变形数据,但没有涉及持久试验试样断裂时间的自动记录和蠕变高温炉温度的计算机自动控制。同时,上述两个专利都是针对单台蠕变试验机试验数据的自动采集,还不能实现多台蠕变持久试验机的集散控制和数据自动采集,因此还不能满足大型高温实验室的需求。
发明内容
为了克服现有技术中蠕变和持久试验人工记录试验数据,手动调节蠕变炉温度控制的不足,本实用新型提供了一种结构简单、安装维护方便、测量精度高、稳定性高的多台蠕变持久试验数据自动采集和计算机自动控制温度装置系统。其目的在于实现对多台蠕变和持久实验机的试验数据自动采集,绘制试样的蠕变变形随时间变化的曲线,同时可以测定在所设定试验条件下的稳态蠕变速率。在试验过程中,由计算机控制温度控制器调控蠕变炉的升温、保温和降温曲线,尽量减少人为误操作和手动调节温度引起的滞后性。
为了实现上述目的,本实用新型采用了如下技术方案:
本实用新型提供了一种蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,其特征在于,所述系统包括:蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统;试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统;持久试验断裂时间自动记录子系统,所述的三个子系统由带有RS-485多串口卡的计算机与A/D模数转换模块连接,采用RS-485通讯协议和地址区分技术对系统进行控制。
所述的蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统由电源、变压器、蠕变高温炉、热电偶、温度控制器、固态继电器、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机组成,其中电源经过变压器减压后通过固态继电器与蠕变高温炉相连接,蠕变高温炉由热电偶采集的温度信号一路由数据线输入温度控制器,另一路通过延长线与A/D模数转换模块相连,将热电偶测试的温度信号送入A/D模数转换模块中,通过RS-485多串口卡与计算机连接,计算机通过RS-485多串口卡直接与温度控制器的RS-485通讯端口连接。
所述的试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统由差动位移传感器、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机顺序连接而成,其中由位移传感器采集的试样蠕变变形信号经过与传感器相连的A/D模数转换模块转换为数字信号后,由RS-485多串口卡输入到计算机中。
所述的位移传感器为差动位移传感器,固定在与蠕变试样相连的位移引伸计上。
所述的持久试验断裂时间自动记录子系统包括:24V直流电源、行程开关、电压转换模块、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机构成,24V直流电源通过处于常开状态的行程开关与电压转换模块相连,电压转换模块与A/D模数转换模块相连,电压转换模块转换的直流电压信号通过A/D模数转换模块和RS-485多串口卡输入到计算机中。
所述的持久试验断裂时间自动记录子系统中,试样未断时电压转换模块的输出电压为零伏,试样断裂后行程开关处于导通状态,电压转换模块的输出电压为5V。
本实用新型从根本上改变了蠕变持久试验数据人工记录和手动控制温度的方式,同时可以自动处理试验数据。本系统中采用了带屏蔽的信号线,并且屏蔽信号线与计算机外壳共地连接,有效地减小了外界电气的干扰和抑制了低频共模干扰。软件中采用数值滤波和非线性修正算法,克服了信号的干扰,从而保证了试验数据的准确性。实时显示每台蠕变持久实验机的数据曲线、历史曲线,数据全部存储在Access数据库中。实现了无纸记录,既减轻了实验人员的负担和试验录成本,查找历史数据又非常方便。
附图说明
图1蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统流程图
图2蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统连接位置方框图
图3试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统连接位置方框图
图4引伸计、差动位移传感器与蠕变试样连接图
其中:1-蠕变试样,2-引伸计长拉杆,3-引伸计短拉杆,4-差动位移传感器。图5持久试验断裂时间自动记录子系统连接位置方框图
其中,5-固定点,6-下拉杆,7-上拉杆,8-支点,9-杠杆,10-24V直流电源,11-行程开关,12-5V直流输出,13-砝码加载。
具体实施方式
图1为蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统流程图,软件系统包括蠕变高温炉温度、蠕变变形、持久试样断裂时间自动采集系统和蠕变高温炉温度计算机控制系统。本实用新型采用计算机集散控制技术,通过RS-485通讯协议和地址区分技术与多台蠕变、持久试验机进行通讯,实现了试验数据的自动采集和蠕变高温炉的温度自动控制。对于数据自动采集系统,由计算机按照A/D模块的通讯协议和地址定期发送读指令到A/D模块中,相应地址的A/D模块响应后通过RS-485多串口卡发送数据到计算机中。对于计算机自动控制温度系统而言,由计算机按照温度控制器的RS-485通讯协议发送写指令到温度控制器中,设置相应地址温度控制器的目标温度(或温度曲线)和PID参数。计算机与各台蠕变、持久试验机的硬件通讯由RS-485多串口卡实现,温度、位移和电位(持久试验)信号需要经过A/D模块转换为数字信号才能与计算机通讯。
图2为蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统连接位置方框图,该系统主要是为蠕变、持久试验提供必要的高温环境。如图2所示,蠕变高温炉温度自动采集和控制系统由电源、变压器、固态继电器、温度控制器、热电偶、蠕变高温炉、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机构成。考虑到人身安全问题,将220V的交流电源通过变压器转换为90-130V的低压,经过固态继电器与蠕变高温炉的加热体相连。热电偶尽可能地靠近蠕变试样,准确测量试样周围的环境温度,温度信号同时输入到温度控制器和A/D模数转换模块中。在蠕变、持久试验过程中,首先由计算机通过RS-485多串口卡将试验温度发送到温度控制器中,完成对温度控制器的参数设置工作。然后由温度控制器根据设定的目标温度和PID参数控制蠕变高温炉的升温、保温和降温过程。蠕变高温炉的现场温度由热电偶采集原始信号后分成两路,一路送至温度控制器中作为输入信号源,另一路由计算机通过RS-485多串口卡发送读指令将经过A/D模数转换的信号读入到计算机中,作为原始试验记录存储到Access数据库中。本实用新型的温度控制器自带RS-485通讯端口,考虑到在大量数据读取过程中容易发生数据丢失的情况,温度自动采集系统是通过A/D模块采集温度信号的。由于温度和PID参数的设定指令比较少,是由计算机直接通过温度控制器自带RS-485通讯端口写入到温度控制器中的。
图3为试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统连接位置方框图,该系统主要完成试样蠕变变形的数据采集和处理工作。参照图3,本实用新型的蠕变变形信号自动采集和数据处理系统包括:用于对蠕变试样周围环境进行加热及控制的计算机温度控制系统;用于采集试样蠕变变形信号的位移转换线路和对位移信号进行自动采集、处理系统。
测定金属材料蠕变变形的试验过程如下:将加装了引伸计的试样固定在加载系统上并施加一定的载荷,差动位移传感器固定在引伸计的下端。由计算机设置温度参数并启动温度控制系统,由温度控制器调控蠕变高温炉的升温和保温过程。在炉内环境温度达到预置的试验温度并按照GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》规定进行保温后,对试样施加预定的试验载荷,同时启动蠕变变形信号自动采集和数据处理系统。试样蠕变变形由位移传感器将位移信号转化为0-10V的直流电位信号,经过滤波降噪后由A/D模块转换为数字信号。在试验开始后,由计算机通过RS-485多串口卡发定期送读指令到A/D模块,相应地址的A/D模块响应后发送蠕变变形数据到计算机中。采集到的蠕变变形原始数据经过数值滤波和非线性修正后由软件程序直接写入到数据库中,同时软件程序利用此数据绘制蠕变变形随时间变化的实时数据曲线。在试验结束后,可以查阅历史数据并利用最小二乘法求得稳态蠕变速率。
图4为引伸计、差动位移传感器与蠕变试样连接图,该装置主要将试样的蠕变变形转换为0-10V的直流电信号。如图4所示,引伸计的长、短拉杆分别固定在蠕变试样的上、下两个台阶上,差动位移传感器固定在引伸计的短拉杆上。当试样发生蠕变变形时,试样伸长带动引伸计的长拉杆向上移动,而短拉杆不动。此时,差动位移传感器将检测到长拉杆的移动距离,即试样的蠕变变形。
图5为持久试验断裂时间自动记录子系统连接位置方框图,该系统主要完成持久试验中试样断裂时间的自动记录的工作。如图5所示,该系统主要包括:24V直流电源、行程开关、电压转换模块、A/D转换模块、RS-485多串口卡和计算机。其中产生持久试验试样断裂信号的线路由24V直流电源、处于常开状态的行程开关和电压转换模块组成。
持久试验的过程如下:将试样固定在加载系统上并施加一定的载荷,由计算机设置温度参数并启动温度控制系统,由温度控制器调控蠕变高温炉的升温和保温过程。在炉内环境温度达到预置的试验温度并按照GB/T2039-1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》规定进行保温后,在试样上施加预设的试验载荷,同时启动持久试验断裂时间自动记录系统。在试验过程中,随着试验时间的延长,试样会逐渐伸长。由蠕变、持久试验机的自动调平衡系统调整下拉杆向下运动从而使得杠杆处于平衡状态,此时持久试验试样断裂信号产生线路处于断路,电压转换模块的输出电压为零伏。一旦试样断裂,试验机的自动调平衡系统不再起作用。那样杠杆将接触到行程开关,从而使得持久试验试样断裂信号产生线路处于导通状态,输出电压为24V,则电压转换模块的输出电压为5V。在试验开始后,计算机通过RS-485多串口卡每隔5分钟相A/D转换模块发送一次读指令,相应地址的A/D模块响应后发送采集到的0V或5V电压。如果计算机读入的电压值为0V表明试样未断裂,如果是5V则表明试样断裂,计算机将记录下此时的准确时间。同时,计算机发送指令到温度控制器,由温度控制器控制蠕变高温炉的降温过程。也就是说采用本实用新型取得的持久断裂时间误差在5分钟以内,显然比GB6395-1986《金属高温拉伸持久试验方法》规定的至少2小时人工记录一次数据要准确的多。
如上所述,本实用新型提供的多台蠕变持久试验数据自动采集和计算机自动控制温度装置系统,可以克服现有技术中人工观测、记录蠕变和持久试验数据、手动调控温度、不能同时调控多台蠕变持久试验机的不足等问题,可以实现对多台不同试验机的高温蠕变炉温度、蠕变变形、持久试验数据的自动测量,连续记录和跟踪材料蠕变变形过程,直接绘制蠕变变形随时间变化的实时曲线,并将蠕变变形数据存储到数据库中,实验结束后可自动处理试验数据测定该实验条件下的稳态蠕变速率,同时可以准确记录持久试验的断裂时间,因此本实用新型减小了人为因素造成的实验误差,测试结果更准确,为研究和评价材料的蠕变、持久性能提供了可靠的试验依据。另外,本实用新型提供的计算机自动控制温度装置系统可以通过设置温度控制器的温度参数自动调控蠕变高温炉的温度,为蠕变、持久试验提供了稳定的高温环境,减轻了实验人员的操作强度。
Claims (5)
1.一种蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,其特征在于,所述系统包括:蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统;试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统;持久试验断裂时间自动记录子系统,所述的三个子系统由带有RS-485多串口卡的计算机与A/D模数转换模块连接,采用RS-485通讯协议和地址区分技术对系统进行控制。
2.如权利要求1所述的蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,其特征在于,所述的蠕变高温炉温度自动采集和控制子系统由电源、变压器、蠕变高温炉、热电偶、温度控制器、固态继电器、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机组成,其中电源经过变压器减压后通过固态继电器与蠕变高温炉相连接,蠕变高温炉由热电偶采集的温度信号一路由数据线输入温度控制器,另一路通过延长线与A/D模数转换模块相连,将热电偶测试的温度信号送入A/D模数转换模块中,通过RS-485多串口卡与计算机连接,计算机通过RS-485多串口卡直接与温度控制器的RS-485通讯端口连接。
3.如权利要求1所述的蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,其特征在于,所述的试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统由差动位移传感器、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机顺序连接而成,其中由位移传感器采集的试样蠕变变形信号经过A/D模数转换模块转换为数字信号后,由RS-485多串口卡输入到计算机中。
4.如权利要求3所述的蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,其特征在于,所述的试样蠕变变形信号自动采集和数据处理子系统中的位移传感器为差动位移传感器,差动位移传感器(4)固定在与蠕变试样(1)相连的引伸计短杆(3)上。
5.如权利要求1所述的蠕变变形测量与数据多点自动采集和温度自动控制系统,其特征在于,所述的持久试验断裂时间自动记录子系统包括:24V直流电源、行程开关、电压转换模块、A/D模数转换模块、RS-485多串口卡和计算机,24V直流电源通过处于常开状态的行程开关与电压转换模块相连,电压转换模块与A/D模数转换模块相连,电压转换模块转换的直流电压信号通过A/D模数转换模块和RS-485多串口卡输入到计算机中。
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