銑削熱電偶測溫系統參比端溫度動(dòng)態(tài)補償

摘要:對銑削測溫過(guò)程熱電偶測溫系統的熱電勢采集模塊熱電偶參比端進(jìn)行測溫,發(fā)現切削測溫過(guò)程參比端溫度具有動(dòng)態(tài)變化的特征,用熱電阻來(lái)動(dòng)態(tài)采集熱電勢采集模塊熱電偶參比端的溫度,并結合數據庫實(shí)現對參比端溫度的動(dòng)態(tài)補償,從而實(shí)現對切削測溫點(diǎn)溫度的測量.測溫對比實(shí)驗表明基于數據庫和熱電阻的熱電偶測溫系統能實(shí)現參比端溫度的動(dòng)態(tài)補償.
       切削熱(溫度)是用來(lái)表征、評價(jià)刀具或工件材料切削特征的常用物理量之一.在進(jìn)行非旋轉類(lèi)刀具的切削熱研究時(shí)，熱電偶是常見(jiàn)的測溫工具.然而對旋轉類(lèi)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(guān)上描述溫度場(chǎng)的分布，測量誤差較大[5-6).能方便地實(shí)現銑削溫度的測量--直是刀具研究領(lǐng)域的一項急待解決的基礎問(wèn)題.雖介紹了多種應用于銑削測溫的熱電偶有線(xiàn)測溫方法,但用有線(xiàn)的方法把被測對象的熱電勢信號引出到靜態(tài)測設備,在信號引出過(guò)程容易發(fā)生附加熱電勢,并且結構復雜、穩定性差.
       本文首先對熱電偶無(wú)線(xiàn)測溫系統的熱電勢采集模塊上熱電偶參比端的溫度進(jìn)行測溫實(shí)驗，針對切削測溫過(guò)程熱電偶參比端溫度具有動(dòng)態(tài)變化的特征,提出用熱電阻來(lái)動(dòng)態(tài)采集熱電勢采集模塊熱電偶參比端的溫度,最后結合數據庫實(shí)現對參比端溫度的動(dòng)態(tài)補償,實(shí)現對切削測溫點(diǎn)溫度的測量.
1熱電偶法參比端溫度精確補償
       測溫熱電偶在回路中產(chǎn)生電勢

       式(1)中,ƒ(t)為測量端溫度t時(shí)的函數,ƒ(t0)為參.比端溫度t0時(shí)的函數.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(shí)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(shí)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(shí)的熱電勢;E.(t0,o)為熱電偶的測量端溫度為t0時(shí)所應加的校正值.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對應的熱電勢E.(t0,o),將這個(gè)值與E.(t,t0)相加得到E(t,t0),再從分度表查得E(t,0)對應的溫度值.
       用熱電偶銑削測溫系統進(jìn)行銑削溫度的測量時(shí)，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(dòng)態(tài)測定和補償.
2基于數據庫和熱電阻實(shí)現參比端溫度動(dòng)態(tài)補償
2.1.測量熱電偶參比端溫度
       把熱電偶無(wú)線(xiàn)測溫系統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(wú)線(xiàn)測溫系統的熱電勢采集模塊的熱電偶參比端(見(jiàn)圖1),進(jìn)行切削并測量熱電偶無(wú)線(xiàn)測溫系統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(xiàn)如圖2,切削參數: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數控銑床;主軸轉速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(guò)程熱電勢采集與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模熱電偶參比端的溫升達10℃以上,隨切削參數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(shí)時(shí)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(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊套在銑刀外圍,銑刀上的熱量會(huì )傳人熱電勢采集與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊;3)切削過(guò)程大量的切削熱散入空氣,熱電勢采集與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模距切削區很近,熱空氣會(huì )影響熱電勢采集與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊參比端的溫度.諸多因素使得熱電勢采集與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊參比端的溫度在切削過(guò)程發(fā)生明顯變化.為此進(jìn)行參比端溫度的動(dòng)態(tài)補償是非常必要的.
2.2基于數據庫和熱電阻實(shí)現參比端溫度動(dòng)態(tài)補償
       圖3為熱電偶參比端的溫度動(dòng)態(tài)變化時(shí),基于數據庫和熱電阻實(shí)現參比端溫度動(dòng)態(tài)補償的原理圖.測溫點(diǎn)的熱電偶獲得E（t,t0）值，由于熱電偶參比端的溫度是動(dòng)態(tài)變化的,而熱電阻測溫不存在參比端溫度補償的問(wèn)題，因此用熱電阻來(lái)測量熱電偶參比端的熱Rt0.E（t,t0）和Rt0經(jīng)過(guò)A/D轉換成數值信號,再經(jīng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射和無(wú)線(xiàn)接受裝置把數值傳輸到PC機,并分別儲存于數據庫E（t,t0）和Rt0數據庫.從在PC機建立的熱電阻分度表數據庫和熱電偶分度表數據庫.查熱電阻分度表數據庫得到Rt0對應的溫度值t0.由值to查熱電偶分度表數據庫,得到參比端的溫度值t0對應的熱電勢E（t0,t）.E（t0,t）與E（t,t0）相加就得到E（t,0）由E（t,0）查熱電偶分度表數據庫，得到測溫點(diǎn)的溫度t.

3參比端溫度動(dòng)態(tài)補償效果驗證
       實(shí)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(shí),系統誤差為零.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(dòng)態(tài)補償法實(shí)現的熱電偶有線(xiàn)測溫系統(這兩套測溫系統除參比端補償方法不同,其他部分都一致)同時(shí)測量燒杯中水的溫度.對比測量結果,如果結果--致,則參比端溫度動(dòng)態(tài)補償法能有效實(shí)現參比端溫度補償.之所以采用有線(xiàn)的方法,是因為把熱電勢采集模塊置于恒溫器內,恒溫器會(huì )對無(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行屏蔽.
       主要實(shí)驗儀器:容積為2升的燒杯--只;基于參比端0℃恒溫器法實(shí)現的自制熱電偶有線(xiàn)測溫系統1套;基于參比端溫度動(dòng)態(tài)補償法實(shí)現的自制熱電偶有線(xiàn)測溫系統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(gè).
實(shí)驗步驟:
1)在PC機1中建立熱電偶熱電勢存儲數據庫E(t.to)和熱電阻信號存儲數據庫Rt。;
2)把熱電偶1和熱電阻與基于參比端溫度動(dòng)態(tài)補償法實(shí)現的自制熱電偶有線(xiàn)測溫系統接好，并使該熱電偶測溫系統與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.把該套測溫系統的熱電勢采集模塊置于溫度保持0℃的恒溫器1內,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(shí)現的自制熱電偶有線(xiàn)測溫系統接好,并使該熱電偶測溫系統與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.把該套測溫系統的熱電勢采集模塊置于恒溫器2內,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(kāi)恒溫器門(mén)，制造一種參比端動(dòng)態(tài)變化的測溫環(huán)境，同時(shí)啟動(dòng)兩套測溫系統開(kāi)始測溫,測溫時(shí)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果.

       由表1知,恒溫器1關(guān)閉并打開(kāi)箱門(mén)后自制熱電偶有線(xiàn)測溫系統熱電偶參比端溫度會(huì )逐漸上升,即動(dòng)態(tài)變化;各同一測溫時(shí)刻，兩套系統獲得的溫度值差不超過(guò)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(dòng)態(tài)補償法獲得的平均沸水溫度`T2幾乎一致(0.01℃),可見(jiàn)基于數據庫和熱電阻實(shí)現參比端溫度動(dòng)態(tài)補償能對參比端溫度實(shí)現動(dòng)態(tài)補償.
4結論
       對銑削過(guò)程用于切削測溫的熱電勢采集與無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊熱電偶參比端的溫升達10(℃)以上,用熱電偶測溫時(shí)候必須進(jìn)行參比端溫度的動(dòng)態(tài)補償;各同一測溫時(shí)刻,兩套系統獲得的溫度值差不超過(guò)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(dòng)態(tài)補償法獲得的平均沸水溫度`T2幾乎--致(0.01℃),基于數據庫和熱電阻能實(shí)現參比端溫度動(dòng)態(tài)補償能對參比端溫度實(shí)現動(dòng)態(tài)補償.