金刚石液压机方案

1武汉锐特公司六面体金刚石液压机检测系统改造方案一、系统要求聚晶金刚石复合片(PDC)作为钻头的切削齿既要求具有高的强度，又要求具有足够的韧性和抗冲击性等。金刚石复合片在静高压合成的效果与合成腔中的温度场及压力场有着密切的关系，作为提供温度场和压力场的传压介质性能的好坏直接影响着高压合成过程中的生长环境。因此对金刚石复合片的温度场以及内压力场进行有效实时的监控是必要的。长期以来，对金刚石复合片的温度场的监控主要是以温度传感器的数值和工作人员的经验值来判断的，存在不直观、工作量大、效率低和过分依赖人的经验值等缺点，也导致了最终的产品质量不高。因此，在金刚石复合片生产中，温度控制得好坏将直接影响合成产品的最终质量。公司提出检测系统的性能指标要求：1、温度检测误差控制在0~50C之间；2、通过对腔体内压的检测得出外部液压与内压之间的对应关系；3、对多台六面体金刚石液压机的电压、电流、温度、压力检测信号进行上位机显示。二、方案总体设计整个系统采用模块化设计，由腔体热电偶温度采集模块、冷端温度采集模块、交流电压电流采集模块、腔体内压力采集模块、A/D转换模块及多机通讯模块组成。系统的总体结构框图如图2.1所示。21#六面体液压机热电偶温度采集模块冷端温度采集模块腔体内压力检测模块液压机压力检测模块电压电流采集模块A/D转换A/D转换A/D转换A/D转换A/D转换单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口4#六面体液压机热电偶温度采集模块冷端温度采集模块腔体内压力检测模块液压机压力检测模块电压电流采集模块A/D转换A/D转换A/D转换A/D转换A/D转换单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口单片机及通讯接口485转232模块PC机图2.1系统的总体结构框图由于采用多个单片机系统组成的模块化设计，因此系统采用485进行多机通讯，对所有单片机系统进行地址分配，上位机通过RS232转485模块对各个地址进行呼叫，再发送命令控制字进行压机功率控制和各路的数据采集，所有数据采集到上位机进行数据处理。单片机采用89C2051，芯片性能良好，满足设备要求。通讯接口采用485总线，满足系统要求的传输距离。三、温度采集系统本系统腔体内温度检测采用钨錸热电偶来完成，热电偶把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。其剖面示意图见图3.1。3图3.1热电偶温度采集组装块剖面示意图温度检测系统流程框图如图3.2所示。钨錸热电偶测温信号放大及低通滤波A/D转换AD590检测冷端温度A/D转换89C52单片机信号放大及低通滤波图3.2温度检测系统流程框图系统腔体内采用热电偶进行温度测量，并需要对热电偶的冷端进行温度测量，然后将热端温度和冷端温度，传输给单片机进行温度的补偿和校正。3.1腔体内温度检测系统采用钨铼热偶丝来测量六面顶金刚石压机叶腊石腔体内温度。钨铼热偶丝1端置于腔体内中心处，2端和3端分别接触不同的两个顶锤中心，并将信号引出。钨铼热偶丝测温原理图如图3.3所示。图3.3钨铼偶丝测温原理图3.1.1信号调理电路钨铼偶丝测温输出信号为20-30mV，一路经A/D转换到单片机，一路将送入4PLC。1）测量信号到单片机测量信号必须经过放大滤波，将其转换为0-5V再送入A/D转换，最后到单片机。放大电路选择方案如下：方案一：选用AD620AD620的引脚图如图3.4所示，放大电路如图3.5所示，其中AD620芯片的管脚1、8要跨接一增益调整电阻RG来调整放大倍数，管脚4、7需提供正负相等的工作电压，由管脚2、3输入电压信号即可从管脚6输出放大后的电压值。管脚5接参考基准，如果接地则管脚6的输出即为与地之间的相对电压。方案二：选用运放OP07前置放大电路如图3.6所示，图3.4AD620引脚图12345678U12AD620AN(8)R60522kR60722kC61110uF/25VC60710uF/25VW602500R6091KC6091uFVCC+12VVCC-12VSENSOR+SENSOR-VO图3.5放大电路5图3.6前置放大电路基于虚短虚断，有1123inoutVVRRRR（式1）于是得到23(1)1outininRRVVAVR（式2）其中，放大倍数2311RRAR热电偶信号变化非常缓慢，本方案中滤波电路采用二阶有源低通滤波来滤除信号中的无用信号，选择巴特沃斯型的低通滤波器，滤波电路如图3.7所示。巴特沃斯型的低通滤波器具有两个阻尼值可调的复数极点。与其它的类型低通滤波器相比，该低通滤波器的优点是幅频特性是单调的，并且在通带内比较平坦。适当地选择两个电阻和两个电容的参数，可以很好地达到抑制工频干扰的目的。测量信号经过放大滤波到A/D转换，再将数字信号输到单片机，由单片机进行数据采集处理。2)测量信号到PLC图3.7滤波电路VOR61020KR61120KW60310KVCC-12VVCC+12VVO'3261874U13OP-07C6064.7uFC6051uFC61510uF/25VC616ELECTRO2R6141k6这路信号将转变成4-20mA的标准信号输入到PLC，由PLC处理并控制金刚石压机动作。方案一DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器是DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表之一，是一种将被测的温度信号变换成统一的标准信号（1~5V或者4~20mA）的仪表，其输出直接送显示仪表或者调节器来实现对温度的自动控制。它主要由热电偶、量程单元和放大单元组成，具有热电偶冷端温度补偿、零点调整，零点迁移、量程调节以及线性化等重要功能。DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要特点有：A.采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性及各项技术指标。B.在热电偶温度变送器中采用了集成线性电路，使变送器的输出电流或者输出电压和被测信号成线性关系。C.线路中采用了安全火花防爆措施，故可用于危险场合中的温度变送。热电偶的热电势与调零调量程回路的信号和非线性反馈回路的信号进行综合后，输入放大单元进行处理，变送器输出为4-20mADC或l-VDC标准统一信号。方案二利用热电偶和XTR100组成温度变送器集成电压/电流转换器XTR100在工业系统中，常要求在输入电压为零时输出为4mA，满量程时为20mA，通常由外接电阻Rs设定。热电偶和XTR100组成温度变送器如图3.8所示。图3.8热电偶和XTR100组成温度变送器3.2冷端温度测量7在本项目中，考虑到冷端温度测量的各种局限性，比如安装位置倾斜，空间狭小，环境压力偏高，现场环境恶劣等；可以使采用贴片式pt100(ALT-PT100或STT-F系列)，其测温范围，精度完全满足项目要求，且价格便宜。通过检测六面体液压机的顶锤侧表面温度，再根据经验公式（通过大量现场试验获得）得到顶锤表面温度，从而对热端温度---叶腊石块中心金刚石应变片的温度进行补偿。ALT-PT100贴片式温度传感器ALT-PT100贴片式温度传感器主要用于测量物体表面的温度，贴片式温度传感器通过螺钉或其它固定方式将传感器贴在物体表面，实现较理想的测温效果。贴片式温度传感器和被测物体接触面积大，接触紧密，所以在一些表面温度测量方面具有比较明显的优势：测温准确性高、反应速度快，体积小方便固定安装。金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。技术参数：铂热电阻：Pt100、Pt500、Pt1000测温范围：（-200～400）℃精度等级：A级±（0.15+0.002|t|）℃B级±（0.30+0.005|t|）℃注：|t|为实测温度的绝对值。公称压力：常压产品外形及结构图如图3.9所示图3.9贴片式pt100测量电路的设计8测温电路的原理图如图3.10所示：图3.10测温电路传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是由于有了单片机的软件作为后盾,可以用软件的方式来实现补偿，因此就简化了传感器的接入方式。按照PT100的参数,其在0℃到500℃的区间内,电阻值为100至280.9，按照其串联分压的揭发，使用公式:Vcc/(PT100+3K92）*PT100=输出电压（mV），可以计算出其在整百℃时的输出电压。测量误差铂电阻传感器的稳定性铂电阻传感器有良好的长期稳定性,典型实验数据为：在400℃时持续300小时,0℃时的最大温度漂移为0.02℃。铂电阻的自热和测试电流常规产品的测试电流:Pt100为1mA,Pt1000为0.5mA,实际应用时测试电流不应超过允许值，例如Pt100当测试电流为1mA时，温升为0.05℃;当测试电流为5mA时，温升为2.2℃,并且自热温升的数据同产品的结构也有很大的关系，如保护管的直径，内部填充物的种类，测试条件等。9四、内腔压力测试系统腔体内压力采集模块测量原理是根据锰铜丝所处环境的压力变化引起测压丝应变，导致其电阻变化，然后利用恒流电流源提供恒定的电流，使锰铜丝上通过恒定的电流，因为电阻随压力的变化，所以锰铜丝两端的电压也随压力变化而变化，所取的信号即是压力信号曲线和测压丝两端的电压信号曲线。压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应的强弱可以用压阻系数π来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。锰铜丝具有灵敏度高，响应快，线性较好，电阻温度系数小等特点，非常适合于制作超高压力传感器。腔体的压力在3GPa以下时，锰铜丝的电阻和腔体的压力会保持一种近似的线性关系，锰铜丝的电阻会随着腔体压力的增大呈近似线性增长的趋势。所以在实验中，采用Bi、和Ag的相变点和锰铜电阻结合标压法，对腔体的实际压力进行标定。由于Bi、Ag会随着压力的逐渐增加而发生相变，电阻也会发生突变，而且它们的相变点已经被前人标定，所以首先利用它们的相变点标定油压和实际腔体压力的关系。而锰铜丝的电阻随着压力的增加近似线性增加，所以使用锰铜丝作为标压物质。首先采用Bi、Ag的相变点确定的油压(0—400吨)和实际压力(0—12GPa)的关系对锰铜丝的相对电阻和实际压力(0～21GPa)的关系进行校准，最后根据锰铜丝相对电阻的变化，对油压和实际压力的关系进行标定。方案一常温常压下测压在实验中，腔体的实际压力首先由BiI-Ⅱ2.55GPa，，BiIII-Ⅳ7.7GPa的相变点标定；将Bi丝(约长2mm，直径0.1mm)放置在待测点，由铜片作为导电电极引出腔体中的电流信号。在压力标定实验中有几个较好的相变点：BiI-Ⅱ2.55±0.006GPa,BiIII-Ⅳ7.7GPa，腔体实际压力和油压的关系的校准就是基于这几点，可以得到腔体压力和油压的关系。在实验中，使用的锰铜电阻丝长8mm，直径0.1mm，电阻率0．05886Ω／mm，其化学组成成分：铜84％、锰12％、镍4％。由铜片引入恒定电流通过Bi丝、银丝及锰铜丝并引出电压信号，以测量高压下标压物质的电阻变化。方案二高温下用银测量压力通常，各材料的融点都随压力有所不同，即相变点由压力不同而有变化。银10的融点是961.78℃，满足测试要求，可以银的融点对压力的依赖关系作为标准，由融点的测量而定出相应的压力。可以把银片放置在金刚石液压机内，六个方向给定一个稳定的液压，然后把液压机内的温度逐渐升高，观察银片是否达到融点。通过不同的测量数据绘制出银的融点与压力的关系曲线，从而达到通过由银的融点测量而定出相应压力的目的。(注：对温度的控制可以通过温度检测系统得到实时数据并进行精确地控制。)测量电路：采用直流