銑削熱電偶測溫系統(tǒng)參比端溫度動態(tài)補償

摘要:對銑削測溫過程熱電偶測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊熱電偶參比端進(jìn)行測溫,發(fā)現(xiàn)切削測溫過程參比端溫度具有動態(tài)變化的特征,用熱電阻來動態(tài)采集熱電勢采集模塊熱電偶參比端的溫度,并結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對參比端溫度的動態(tài)補償,從而實現(xiàn)對切削測溫點溫度的測量.測溫對比實驗表明基于數(shù)據(jù)庫和熱電阻的熱電偶測溫系統(tǒng)能實現(xiàn)參比端溫度的動態(tài)補償.
       切削熱(溫度)是用來表征、評價刀具或工件材料切削特征的常用物理量之一.在進(jìn)行非旋轉(zhuǎn)類刀具的切削熱研究時，熱電偶是常見的測溫工具.然而對旋轉(zhuǎn)類刀具(如銑刀),主要有紅外測溫和加強光CCD等非接觸式技術(shù)，這些技術(shù)僅能從宏觀上描述溫度場的分布，測量誤差較大[5-6).能方便地實現(xiàn)銑削溫度的測量--直是刀具研究領(lǐng)域的一項急待解決的基礎(chǔ)問題.雖介紹了多種應(yīng)用于銑削測溫的熱電偶有線測溫方法,但用有線的方法把被測對象的熱電勢信號引出到靜態(tài)測設(shè)備,在信號引出過程容易發(fā)生附加熱電勢,并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差.
       本文首先對熱電偶無線測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊上熱電偶參比端的溫度進(jìn)行測溫實驗，針對切削測溫過程熱電偶參比端溫度具有動態(tài)變化的特征,提出用熱電阻來動態(tài)采集熱電勢采集模塊熱電偶參比端的溫度,最后結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對參比端溫度的動態(tài)補償,實現(xiàn)對切削測溫點溫度的測量.
1熱電偶法參比端溫度精確補償
       測溫?zé)犭娕荚诨芈分挟a(chǎn)生電勢

       式(1)中,ƒ(t)為測量端溫度t時的函數(shù),ƒ(t0)為參.比端溫度t0時的函數(shù).熱電偶分度表中的熱電勢值都是在參比端溫度為0(℃)的情況下給出的,實際工程中參比端的溫度不為0(0℃)就必須得:

       式(2)中，E.(t,o)為熱電偶測量端溫度為t及參比端溫度為0℃時的熱電勢;E(t,o)為熱電偶的測量端溫度為t和參比端溫度為t0時的熱電勢;E.(t0,o)為熱電偶的測量端溫度為t0時所應(yīng)加的校正值.因此,只要知道熱電偶參比端的溫度t0,就可以從分度表查出t0對應(yīng)的熱電勢E.(t0,o),將這個值與E.(t,t0)相加得到E(t,t0),再從分度表查得E(t,0)對應(yīng)的溫度值.
       用熱電偶銑削測溫系統(tǒng)進(jìn)行銑削溫度的測量時，其熱電勢采集模塊參比端溫度為恒值還是變值?如果為變值則需進(jìn)行熱電偶參比端溫度的動態(tài)測定和補償.
2基于數(shù)據(jù)庫和熱電阻實現(xiàn)參比端溫度動態(tài)補償
2.1.測量熱電偶參比端溫度
       把熱電偶無線測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊套在距離刀頭50mm處的銑刀外圓.熱電阻用焊錫固定在熱電偶無線測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊的熱電偶參比端(見圖1),進(jìn)行切削并測量熱電偶無線測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊熱電偶參比端的溫度值,獲得的溫度曲線如圖2,切削參數(shù):工件材料:45鋼;淬火硬度(HBS):187;強度(GPa):0.637;銑削刀具:高速鋼，φ16x100,4刃;機床型號:HYM600A數(shù)控銑床;主軸轉(zhuǎn)速n/(r·min0^-1'):1000,1200;進(jìn)給量ƒ/(mm.r^-1):0.1;軸向背吃刀量αpa:/mm:8;徑向背吃刀量αpt/mm:1.5.

       從圖2可知,銑削過程熱電勢采集與無線發(fā)射模熱電偶參比端的溫升達(dá)10℃以上,隨切削參數(shù)增大上升幅度還有增大的可能,因此對參比端的溫度進(jìn)行實時補償就顯得非常重要.產(chǎn)生溫升的原因在于:1)環(huán)境溫度影響參比端的溫度;2)熱電勢采集與無線發(fā)射模塊套在銑刀外圍,銑刀上的熱量會傳人熱電勢采集與無線發(fā)射模塊;3)切削過程大量的切削熱散入空氣,熱電勢采集與無線發(fā)射模距切削區(qū)很近,熱空氣會影響熱電勢采集與無線發(fā)射模塊參比端的溫度.諸多因素使得熱電勢采集與無線發(fā)射模塊參比端的溫度在切削過程發(fā)生明顯變化.為此進(jìn)行參比端溫度的動態(tài)補償是非常必要的.
2.2基于數(shù)據(jù)庫和熱電阻實現(xiàn)參比端溫度動態(tài)補償
       圖3為熱電偶參比端的溫度動態(tài)變化時,基于數(shù)據(jù)庫和熱電阻實現(xiàn)參比端溫度動態(tài)補償?shù)脑韴D.測溫點的熱電偶獲得E（t,t0）值，由于熱電偶參比端的溫度是動態(tài)變化的,而熱電阻測溫不存在參比端溫度補償?shù)膯栴}，因此用熱電阻來測量熱電偶參比端的熱Rt0.E（t,t0）和Rt0經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號,再經(jīng)無線發(fā)射和無線接受裝置把數(shù)值傳輸?shù)絇C機,并分別儲存于數(shù)據(jù)庫E（t,t0）和Rt0數(shù)據(jù)庫.從在PC機建立的熱電阻分度表數(shù)據(jù)庫和熱電偶分度表數(shù)據(jù)庫.查熱電阻分度表數(shù)據(jù)庫得到Rt0對應(yīng)的溫度值t0.由值to查熱電偶分度表數(shù)據(jù)庫,得到參比端的溫度值t0對應(yīng)的熱電勢E（t0,t）.E（t0,t）與E（t,t0）相加就得到E（t,0）由E（t,0）查熱電偶分度表數(shù)據(jù)庫，得到測溫點的溫度t.

3參比端溫度動態(tài)補償效果驗證
       實驗原理:由式(1)知,用參比端0℃恒溫器法解決參比端溫度補償時,系統(tǒng)誤差為零.因此,分別用參比端0℃恒溫器法和上文討論的參比端溫度動態(tài)補償法實現(xiàn)的熱電偶有線測溫系統(tǒng)(這兩套測溫系統(tǒng)除參比端補償方法不同,其他部分都一致)同時測量燒杯中水的溫度.對比測量結(jié)果,如果結(jié)果--致,則參比端溫度動態(tài)補償法能有效實現(xiàn)參比端溫度補償.之所以采用有線的方法,是因為把熱電勢采集模塊置于恒溫器內(nèi),恒溫器會對無線信號進(jìn)行屏蔽.
       主要實驗儀器:容積為2升的燒杯--只;基于參比端0℃恒溫器法實現(xiàn)的自制熱電偶有線測溫系統(tǒng)1套;基于參比端溫度動態(tài)補償法實現(xiàn)的自制熱電偶有線測溫系統(tǒng)1套;0℃恒溫冰箱2臺,精度0.01;鉑熱電阻1套;鎳鉻-鎳硅熱電偶2套;PC機2臺;固定熱電偶的銅塊1塊;支撐銅塊的支架-個.
實驗步驟:
1)在PC機1中建立熱電偶熱電勢存儲數(shù)據(jù)庫E(t.to)和熱電阻信號存儲數(shù)據(jù)庫Rt。;
2)把熱電偶1和熱電阻與基于參比端溫度動態(tài)補償法實現(xiàn)的自制熱電偶有線測溫系統(tǒng)接好，并使該熱電偶測溫系統(tǒng)與PC機1正常通信,熱電偶1測溫端固定在銅環(huán)上,熱電偶金屬部分懸浮在水中不與燒杯壁和銅環(huán)接觸,確保熱電偶測量到的溫度為水的溫度.把該套測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊置于溫度保持0℃的恒溫器1內(nèi),0.5h后進(jìn)行第4步;
3)把熱電偶2與基于參比端0℃恒溫器法實現(xiàn)的自制熱電偶有線測溫系統(tǒng)接好,并使該熱電偶測溫系統(tǒng)與PC機2正常通信,同樣把熱電偶2固定在銅環(huán).上,熱電偶金屬部分懸浮在水中.把該套測溫系統(tǒng)的熱電勢采集模塊置于恒溫器2內(nèi),并使溫度保持0℃,0.5h后進(jìn)行第4步;
4)燒杯中水加熱致沸騰,關(guān)閉恒溫器1,并打開恒溫器門，制造一種參比端動態(tài)變化的測溫環(huán)境，同時啟動兩套測溫系統(tǒng)開始測溫,測溫時間為1800s,采集周期90s.表1為采集到的各種信號及信號處理結(jié)果.

       由表1知,恒溫器1關(guān)閉并打開箱門后自制熱電偶有線測溫系統(tǒng)熱電偶參比端溫度會逐漸上升,即動態(tài)變化;各同一測溫時刻，兩套系統(tǒng)獲得的溫度值差不超過0.2℃;參比端0℃恒溫器法測溫獲得的平均沸水溫度`T1與參比端溫度動態(tài)補償法獲得的平均沸水溫度`T2幾乎一致(0.01℃),可見基于數(shù)據(jù)庫和熱電阻實現(xiàn)參比端溫度動態(tài)補償能對參比端溫度實現(xiàn)動態(tài)補償.
4結(jié)論
       對銑削過程用于切削測溫的熱電勢采集與無線發(fā)射模塊熱電偶參比端的溫升達(dá)10(℃)以上,用熱電偶測溫時候必須進(jìn)行參比端溫度的動態(tài)補償;各同一測溫時刻,兩套系統(tǒng)獲得的溫度值差不超過0.2℃,參比端0℃恒溫器法測溫獲得的平均沸水.溫度`T1與參比端溫度動態(tài)補償法獲得的平均沸水溫度`T2幾乎--致(0.01℃),基于數(shù)據(jù)庫和熱電阻能實現(xiàn)參比端溫度動態(tài)補償能對參比端溫度實現(xiàn)動態(tài)補償.