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新型高温熔体粘度测控系统设计

【作 者】兰晓军

【摘 要】在玻璃、冶金等工业生产过程中,高温熔体粘度工艺参数对生产环节的质量
控制以及最终产品的性能评定起着决定作用。在冶金工业中,粘度是冶金熔体的
重要物理化学性质之一,它不仅对冶金过程的传质和传热有着重要的影响,而且
关系到冶炼、铸胚等过程能否顺利进行。目前国外的高温熔体粘度测量装置价格
昂贵,而国内的测量装置采用温度控制和粘度测量分开的结构,即独立的温度控
制单元和独立的粘度信号采集单元,由此导致测量装置结构繁琐、测量效率低、
测量系统不可靠等缺点。因此,研制一种结构简单、低成本、高效率及稳定可靠
的高温熔体粘度测量装置既具有一定的理论意义,又具有较高的实用价值。
本文设计的高温熔体粘度测量装置能实现对 1000-1600℃高温熔体的粘度及
粘度随温度变化的特性进行测试,并且具有两大优点:一是将对粘度信号采集和
温度的控制集成到下位机控制系统中,简化了测量装置,降低了成本,提高了测
量系统的可靠性;二是结合高温硅钼棒加热炉的特点采用了双闭环温度控制算法,
改善了温度控制的动态性能,从而提高了测量效率。该装置的设计主要涉及到下
位机硬件电路、高温控制算法和测控系统软件设计三个部分。
文中首先介绍了粘度测量原理,选取了一种适合论文研制的高温熔体粘度测
量装置的最佳方法,并详细分析了该测量方法的原理。然后根据选取的测量方法
对系统下位机硬件电路进行设计。该设计中主要包括温度控制电路,电流检测电
路,粘度测量电路,串行通信电路和键盘显示电路的设计,并分别介绍了各个硬
件电路的工作原理。
其次,分析了粘度与温度的关系,然后对高温加热炉的工作特性和控制难点
进行了分析,并根据加热系统的特点设计了一种电流+温度的双闭环自适应模糊
PID 温度控制系统。该系统采用双闭环控制,电流环为控制内环,采用 PI 控制,
主要作用是克服硅钼炉因电阻变化而带来的系统干扰;外环为温度控制环,采用
阈值控制和自适应模糊 PID 控制相结合的复合控制器。在温差较大时采用阈值控
制,提高升温速度,在温差较小时通过模糊推理在线实时调整 PID 控制器参数,
以期获得满意的控制效果。
然后,根据前面设计的硬件系统和温度控制算法设计了系统的测控软件。该
测控软件包括下位机系统软件和上位机软件,下位机系统软件的设计中主要包括
温度信号采集程序设计,电流信号采集程序设计,粘度信号采集程序设计,串口
通信程序设计,键盘显示程序设计和输出控制程序设计;同时用 Visual C++开发了

上位机软件实现了温度的设定与控制、粘度数据显示、时间—粘度曲线显示、温

度—粘度曲线显示、历史数据显示和数据打印等功能。
最后,基于上述设计方法研制出一种新型高温熔体粘度测量装置,在该装置
上做了一系列相关实验,并对实验结果进行分析,结果证明所设计的高温熔体粘
度测试装置完全满足设计要求。


【关键词】高温熔体,粘度,双闭环控制,自适应模糊 PID 控制

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