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一种新型温度测试仪
皮革收缩温度测量仪的研制与改进
摘要
本文针对传统的皮革收缩温度测量仪在测量过程中人工记录数据效率低、误差大等缺陷和不足进行了更新设计和技术改造,利用霍尔效应的原理将传统的机械接触式测量改进为非接触式测量,由单片机来控制整个测量过程,最后将测量到的收缩温度值自动锁存。
设计参数均满足轻工行业标准(QB/T2713-2005)对皮革收缩温度测量的要求,与传统测量仪器相比,本次设计的重点主要集中在以下方面:
(1)实现2℃/min均匀搅拌升温环境,使加热介质内部温差不超过1℃;
(2)采用控制程序来确定收缩比,收缩点长度/样品原长=97%;
(3)用专门定做恒力弹簧代替标准中3g砝码来实现负重预紧;
(4)设计了标准的皮革取样器,保证了初始测量样品的一致性。
新型皮革收缩温度检测仪器的数据采集模块是采用成熟的传感器元件,设计出高精度的位移和温度信号采集模块,将采集的温度信号进行放大处理后与位移信号一起进行数模转换,将转换后的数据送入单片机进行处理,单片机一方面将送入的信息在液晶显示屏上实时显示,同时依据传感器采集到的温度值控制加热模块实现均匀升温。
通过编写的上位机软件,可以动态观察四个皮革样品的收缩全过程,并全程记录对应数据。
采用标准取样器从皮样上制取样品进行挂样实验,通过对新型皮革收缩温度测量仪器测量得到的实验数据进行分析后得到结论,新型的皮革温度收缩仪器在测量精度、动态数据显示精度、升温过程中液体内部的温度差值及上位机动态监测软件的锁定数据值均满足皮革收缩温度测量标准中的误差要求。
论文最后对仪器的成熟度进行了深入的探讨,主要包括仪器长期使用过程中测量数据稳定性和可靠性以及人机操作舒适性方面的问题。
通过用户在使用过程中的反馈信息,新型的皮革收缩温度测量仪器无论从测量精度、测量效率还是操作舒适度方面,都比传统的机械式皮革温度收缩仪器具有明显的优势。
关键词:
测量仪器,皮革收缩温度,测量精度,均匀升温
仪器可靠度
IMPROVEMENTOFINSTRUMENTFOR
MEASURINGSHRINKAGE
TEMPERATUREOFLEATHER
ABSTRACT
ThispaperisbasedonreformandimprovementofthetraditionalInstrumentforMeasuringShrinkageTemperatureofLeather(IMSTL),whichhasmanydefectsaslowefficiencyandmoreerrors.Ithasbeenimprovedfromthetraditionalmechanical-contactmeasurementtothenon-contactmeasuring-stylebytheHallEffectofmagneticfield.Thewholemeasuring-processisregulatedbyMCUandthefinalshrinkage-temperaturedataarelockedautomatically.Theparametersareaccordingtothestandards(QB/T2713-2005)publishedbyNationalDevelopmentandReformCommission.ComparedwiththetraditionalIMSTL,thenew-styleIMSTLisdesignedonthefollowingaspects:
(1)uniqueheatingsituationwiththerateof2°C/min,thetemperaturebetweenupperandbottominheating-cupisnomorethan1°C/min.;
(2)shrinkagerate,thelengthofshrinkagepoint/originallengthofsampler=97%;
(3)usingconstantspringtosupplythestandardforcewith3g;
(4)usingstandardsamplertocuttheleather.
ThedataacquisitionmodulesofNew-styleIMSTLaredesignedbymeansofsophisticatedsensordevice,andthesearecomposedofthehigh-precisiondisplacementandtemperatureacquisitionmodules.Afterthetemperaturesignalamplification,togetherwiththedisplacementsignal,areallloadedinanalog-digitalconversion,thenextstepistransmitteddigitaldatatoMCU.AftertheprocessbyMCU,thecurrentdataisdisplayonLCD,while,MCUsendstheordertocontroltheheatingsystem.WiththehelpoftheRS-232serialportwire,theentiredynamicprocessofleathercanbewellobservedbytheuppermonitorsoftwareandthewholeacquisitiondataberecordedas.txtfile.
Inordertoverifytheaccuracyofnew-styleIMSTL,samplersaremadefromthestandardsample.Throughtheexperimentofnew-styleIMSTL,itcanbeconcludedthatmeasurementaccuracy,dynamicdataaccuracy,heatingprocess,thetemperaturedifferencebetweentheinternalliquid,PClockdatavaluesarewelltomeetthestandards.
Finally,thepaperdiscussesthedesignprocessinmaturityconsiderations,includinglong-termuseoftheprocessequipmentstabilityandreliabilityofmeasurementdataandthemachineoperatorcomfortissues.
Duringusebytheuserfeedback,new-styleIMSTLhasmoreobviousadvantagesthanthetraditionaloneintermsofaccuracy,efficiencyandoperationofmeasuringcomfort.
KEYWORDS:
MeasuringInstrument,LeatherShrinkageTemperature,AccuracyofMeasurement,UniformHeating,InstrumentReliability.
目录
摘要I
ABSTRACTIII
目录I
1绪论1
1.1原理性收缩温度测量仪简介1
1.1.1原理性收缩温度测量装置1
1.1.2测量步骤2
1.2皮革温度收缩仪发展现状3
1.3论文的体系结构4
2方案设计与模型分析5
2.1测量原理分析5
2.2设计方案5
2.3模型分析6
2.3.1霍尔传感器组件模型6
2.3.2温度传感器组件模型8
2.3.3加热系统模型9
2.4本章小结11
3仪器物理实现12
3.1硬件部分12
3.1.1传感器设计12
3.1.2电路设计14
3.1.3外观结构设计20
3.2软件部分22
3.2.1单片机主控制程序实现22
3.2.2上位机软件实现26
3.3本章小结29
4运行参数分析30
4.1收缩温度参数分析30
4.1.1水介质中的测试数据30
4.1.2甘油介质中的测试数据33
4.2升温过程参数分析34
4.2.1搅拌模式温度梯度34
4.2.2显示值与实测值36
4.2.3串口通信延迟测试38
4.3本章小结39
5成熟度分析40
5.1仪器可靠性设计40
5.1.1可靠性概率指标40
5.1.2产品寿命40
5.1.3提高可靠性方法41
5.1.4包装和运输42
5.1.5可靠性测试43
5.2人机工程设计44
5.2.1人-机系统的设计44
5.2.2人-机-环境的关系45
5.3本章小结46
6全文总结47
致谢48
参考文献49
附录A:
“数字式皮革收缩温度测量技术及装置的研究”鉴定证书………………………50
附录B:
鉴定委员会专家鉴定意见…………………………………………………………..51
附录C:
主要研制人员名单…………………………………………………………………..53
附录D:
鉴定委员会专家名单………………………………………………………………..54
攻读学位期间发表的学术论文目录及专利57
原创性声明59
1绪论
仪器是人们认识世界的工具,它是人类延长的感官系统。
随着现代工业和科学研究的不断深入,许多传统的仪器已经不能够满足实际生产的需要,于是,人们对现代化仪器的渴求变的越来越强烈。
著名科学家门捷列夫说过:
“科学总是从测量开始的,没有测量就没有科学。
”测量是靠测量仪器来完成的,每个时代最新最有价值的研究成果都是依靠当时最先进的科学测量分析仪器为基础而取得的。
统计资料显示,从20世纪20年代至今80多年来获得诺贝尔奖的科学家当中,有40多人的研究成果直接与科学分析仪器有关。
仪器是指具有测量、检测和测试功能的工具、装置和设备,它通过对被测对象的测量,与基准量比较后所得出的测量信息,然后再将这种测量信息通过一些辅助手段转化为人们能够识别和理解的数据或文字显示出来[1]。
工业技术发展到今天,各种各样的测量仪器都已经出现,并且测量仪器的精度和测量范围都不断提高。
但是,人们的认识无止境,人们对仪器从功能上的要求也无止境,虽然国内外有很多企业和单位都致力于测量仪器的开发与研究,但某些行业的测量仪器的发展水平仍然不尽人意。
就以皮革行业的测量仪器为例来说,国家从70年代开始就发展振兴轻工业,经历30多年的行业建设,综观国内的许多大学及研究院所,对皮革收缩温度的测量还是沿用最早的原理性机械式测量仪器,这种测量不但效率低下,而且通过人为读数所带来的误差也是不可避免的。
1.1原理性收缩温度测量仪简介
皮革收缩温度是指皮革在缓缓受热后,皮革纤维开始沿着自己的纵轴方向收缩,即长度开始减小、直径开始增加时的温度。
从热力学的角度看,皮革的热收缩过程是一个焓增、熵增的过程,皮革收缩后,减少了胶原纤维的链间横键,失去了定向力,使化学键结构的排列发生了变化,导致物理机械性能降低。
中国轻工业联合会于1984年10月首次发布《皮革收缩温度的测定》轻工业标准,该标准是根据国际皮革工艺师和化学联合会(IULTCS)制定的标准《leather-physicalandmechanicaltest-Determinationofshrinkagetemperatureupto100°C》发展而来的。
该标准定义收缩温度为加热液体中的试样,当液体以规定的升温速度升温,试样突然收缩时所对应的温度[2]。
1.1.1原理性收缩温度测量装置
主要部件包括:
(1)烧杯容器,体积大于500ml,深度大于110mm;
(2)试样固定物,固定在距离容器底部(30±5)mm处;
(3)测试钩,一端接试样顶部,一端连接在穿过滑轮的连线上,连线的另一端连接一个比移动钩重3g的负重块;
(4)指示器,用来监测移动情况;
(5)温度计,刻度分度为1°C,误差±0.5°C;
(6)蒸馏水或其他加热介质;
(7)加热器,能够以(2±0.2)°C/min的速度加热容器中的蒸馏水;
(8)搅拌器,有效搅拌容器中的水,使试样顶部和底部的温度差不超过1°C;
(9)标准试样,样品厚度≤3mm,取样尺寸为(50±2)mm*(3.0±0.2)mm
样品厚度>3mm,(50±2)mm*(2.0±0.2)mm
图1-1毛皮收缩温度测定仪原理图
Fig1-1TheSchemeofmeasuringtheleather’sshrinkagetemperature
1.1.2测量步骤
(1)在玻璃试管中加入(5.5±0.5)mL的蒸馏水,将试样浸入其中;
(2)将试管放入干燥器中,使试管保持合适的状态,将干燥器抽真空并保持真空度在4KPa以下1min~2min;
(3)将空气进入干燥器,继续保持试样浸润在水中1h~2h;
(4)将试样的一端固定在式样固定物上,另一端连接在测试钩上,调整细线、滑轮和负重块,使式样能够被正常拉伸;
(5)将足够的湿热的蒸馏水加入到容器中,使水面至少超过式样顶部30mm;
(6)加热水,并保持水的升温速度为(2±0.2)°C/min;
(7)每隔30S记录一次温度和相应的指示器的读数,直到式样明显地收缩时记录对应的温度直到沸腾;
(8)检查记录数据或指示器与响应温度所形成的曲线,找出试样从最大长度收缩到99.7%时的对应温度,记录这个温度为收缩温度。
从以上的操作过程可以看出,这种测量收缩温度的方法有几处难以实现,首先,要保持水的均匀升温过程,就需要采用一定的加热控制方法,其次,每隔30秒进行一次数据记录,如果皮革样品的收缩温度在80°C左右,而水是从30°C开始加热算起,按照每分钟2°C的均匀升温,那么就要将近做100多次记录,而这如果要用人工来完成,其工作量是相当大的,并且人工记录过程中也存在着读数误差甚至读错数字,还有,采用原理性收缩温度仪进行测量的这种测量方法效率低下,再加之要对记录数据的人工处理才能得出结论,自动化水平远不能达到现代测量仪器的要求[3]。
1.2皮革温度收缩仪发展现状
从20世纪70年代开始制定测量标准以来,收缩温度测定仪相继经历了机械指针式、磁控加热式、传感器感应接触式等不断的升级换代产品,例如浙江余姚生产的GJ90型指针式皮革温度收缩仪,其工作就是按照基本原理来进行测量,并且加热过程中的均匀升温也没有得到有效控制,还有成都桦明公司和山东纺织研究院分别研制的收缩温度测定仪,都因为在产品功能和操作性能方面不能很好满足客户需求而未被市场广泛认可和接受。
因此,市场对皮革收缩温度测量仪不断升级改进的需求从来就没有停止过,以陕西科技大学阳光电子研究所宁铎教授牵头,联合资源环境学院马建中教授和机电学院曹西京教授,经过多年致力于对皮革收缩温度仪器的研究,先后进行了几代产品的研发设计和改进。
第一代产品是完全根据收缩温度标准测量的原理机的要求,原理机是纯粹基于机械结构的基础上进行测量的,虽然是按照标准的原理来进行设计测量的,但测量的精确度并不理想,且由于人为造成的安装和读数误差直接影响测量的重复性。
第二代产品从测量原理上对原理机的测量方法进行了改良,将以前的直接式测量改为间接式测量,将机械式测量升级为机电结合式测量,测量方法的改进,直接促使了测量效率、测量精度以及测量灵敏度的提高。
随着用户提出要同时进行对比性测量试验和多样品测量的需求,第三代产品也就随之产生,借助于电饭煲的可控加热环境,不但实现了原定标准中对水温均匀上升的要求外,同时也实现了一次测量多个样品的愿望。
然而,需求无止境,有些皮革样品的收缩温度高于水的沸点,所以电饭煲由于加热介质水沸点的限制,就不能再满足要求了。
并且,电饭煲的加热控制规律并不是标准中要求的2°C/min的均匀加热升温过程。
为了严格实现标准中各个参数要求,第四代产品就基本上摒弃了原来的借助于其他产品来设计产品的老办法,而采用完全独立的设计风格,从传感器安装盒到主机控制箱都完全根据传感器设计的几何尺寸和电路控制板电气规范来完成整机总体样式的设计。
最终,目前我们所看到的第四代收缩温度测量仪器是采用非触式测量,利用现代传感器技术,结合单片机控制和通信手段,将古老传统的测量仪器改进为满足实际生产需要的机电、通信一体化相结合的现代化测量仪器[4][5]。
1.3论文的体系结构
本论文以精密测量仪器的研发过程为主线,对象为第四代数字皮革温度收缩仪器,该仪器的研发曾得到陕西省科学技术研究发展计划项目的支持,论文主要以应用层面来进行论述,研发的成果最终将以商品的形式投放到市场加以推广,从而实现科技成果产业化。
整篇论文按照以下顺序论述:
第一章为绪论,通过对测量仪器的重要性概述引出皮革收缩温度的工业标准,然后总体概述皮革收缩温度测量仪器的研究历程和目前的水平。
第二章为方案设计和模型分析,围绕测量过程中的关键量温度和位移来介绍最新仪器的设计思路,然后就三个关键的功能模块以模型化来进行参数设计分析和讨论。
第三章是仪器物理实现,分别从传感器部分、电路部分、软件部分及外围结构四部分进行具体的设计。
第四章是仪器运行参数分析,根据不同单位使用仪器测量时所获得测试数据与标准要求进行分析,确定仪器的设计精度和标准参数是否符合要求。
第五章是仪器成熟度分析,站在真正的工业产品的高度,对仪器进行更深入的设计指标考量,从仪器的可靠性、可维护性和外观设计方面考察收缩温度测量仪器的成熟度问题。
第六章为全文总结,对整篇论文进行概括,总结出自己的设计心得和获得的经验,对仪器的使用前景进行评估。
2方案设计与模型分析
2.1测量原理
根据轻工行业皮革收缩温度的测量标准(QB/T2713-2005),皮革收缩温度描述为皮革在均匀升温的液体介质中皮革试样收缩到原来长度的99.7%时所对应的收缩温度。
从定义可以看出,在皮革收缩温度的测量过程中,有两项指标需要进行严格的控制,一个是均匀升温速度(2°C/min);另一个是判断收缩长度为原长的99.7%。
因此,在皮革收缩过程中,主要监测两个物理量:
温度(T)和位移(D)。
其中温度量的上升是一个独立的过程,通过特定的加热控制装置来实现;测量试样的位移量与其所处的温度环境是相关联,它是随着温度的变化呈现出一定的变化规律,也就是说,皮革样品的位移量与所处的环境温度满足一定的函数关系:
D=f(T)(2-1)
在实际过程中,我们通过监测预期位移(D0)的变化而得出对应的收缩温度(T0),可以通过反求(2-1)得到:
T0=f-1(D0)(2-2)
通过对皮革收缩规律的测量统计分析,皮革在受热环境中的收缩形变规律是非线性,而且这种非线性的影响因素特别多,具体的影响因素将在后续章节中来讨论。
2.2设计方案
一套功能完善、工作可靠的测量仪器,需要诸多方面知识来支撑,需要不同领域的专家来共同完成的。
对测量仪器来说,其测量精确度是首要的设计目标,因为仪器给出的数据基本上都是提供给其他工程设计的标准数据,如果标准数据精度都不够的话,其他的设计就无从谈起[6]。
仪器要具备竞争力,适应多样的工作环境,就必须提高其工作可靠性以及可维护性。
另外,被市场接受的产品成熟度衡量指标还有一项就是外形设计,它是用来考虑产品设计的人性化,它是在产品设计的高级阶段,考虑到人的工作舒适度和人们的日常工作习惯,再结合科学的操作方法而进行的工程设计。
最新改进型的皮革收缩温度检测仪依然是立足于基本量位移和温度的测量,其目的仍然是测量毛皮类物品的受热收缩温度,但现在的测量方法是通过感知电磁量的变化进行非接触式的间接测量,利用霍尔传感元件将变化的磁场转化为可处理的电信号作为输出,将位移的变化通过磁场的变化反映出来,再通过信号调理电路送入单片机进行处理,处理结果的信息通过液晶和上位终端来进行实时显示[7]。
均匀升温的过程采用单片机来控制,通过负反馈的控制方法来保证对被加热液体进行均匀加热升温。
同时,考虑到规范的专业化测量,测量的样品采用专门设计的取样器来获得,来保证测量效果的一致性和准确性[8],检测仪器的系统方案设计的主要组成模块如图2-1所示。
图2-1仪器的基本组成原理图
Fig2-1Thebasicprincipleforinstrumentdesign
确定了以上的总体实施方案后,接下来就应该对每一个功能单元模块进行实现。
不同的功能模块完成不同的功用,也就需要相关的理论知识。
综合整个系统来看,要完成整台仪器的制作,需要具备的知识包括:
传感器理论、信号处理、数字模拟量相互转换、自动控制理论、液晶显示理论、通信理论、基本电路理论以及机械结构设计。
同时,基于测量检测仪器的设计也要注意到以下的设计目标:
(1)测量精度:
常用测量误差的大小来表示,包括绝对误差和相对误差;
(2)测量范围:
在达到和满足预定测量精度的条件下,仪器能测量或检测的被测物理量的区间大小;
(3)灵敏度:
仪器输出变化量与相应输入变化量的比值;
(4)分辨率:
仪器读数能分辨的最小物理量;
(5)线性度:
由于仪器输入输出测量特性曲线的非线性特性所导致的实际测量特性曲线与参比直线之间的最大偏差与仪器量程的比值;
(6)稳定性:
仪器在任何时刻对于同一物理量进行测量,所获得的测量结果的一致程度;
(7)重复性:
当被测量在全量程范围内连续变化时,仪器在相同条件下按照被测量同一变化方向经过多次重复测量,所得的输入输出测量特性曲线的一致性程度。
2.3模型分析
2.3.1霍尔传感器组件模型
根据皮革材料收缩温度的测量原理,最终要获得的数据是样品在热环境中的收缩到标准规定收缩量时对应的温度值,但其测量的实质是观测样品长度的变化量。
因此采用霍尔传感器来感知长度的变化无疑是一个非常好的选择,因为霍尔传感器是根据磁场变化来工作的,这里将位移的变化通过磁场的变化来反映,一方面可以改善机械式测量中摩擦力对测量精度的影响,另一方面还可以实现非接触式测量,从而保证了传感器的工作可靠性和使用寿命。
将铝镍钴圆柱磁钢与被测样品连成一体,通过选择一定虎克系数的弹簧提供拉伸预紧和零状态恢复,霍尔传感器则固定不动,样品的收缩变化带动磁钢移动,从而为传感器提供了一个变化的磁场,这个变化的磁场能够反映位移量,从而将位移量通过磁场媒介,最终以电压量的形式送入控制系统来进行处理[9]。
具体的霍尔传感器组件模型如图2-2所示。
表2-1霍尔传感器组件设计参数表
Tab2-1paramet
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