蒸化机内温度测量系统的研制

杨承帅，李 佳，孟 凯.，陈庆官

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院, 江苏 苏州 215021；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

蒸化机内温度测量系统的研制

杨承帅1，李 佳2，孟 凯1.2，陈庆官1

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院, 江苏 苏州 215021；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏 苏州 215123)

介绍了一套自行研制的能耐蒸化机内化学蒸汽腐蚀的多通道温度测量系统，其主要由经316不锈钢封装的K型热电偶、多通道温度采集模块，以及基于LabVIEW编写的温度采集程序组成。经过对比试验发现，未封装的热电偶受酸碱性蒸汽的影响较大，经70 h酸性蒸汽碱性蒸汽熏蒸后，未封装热电偶测温误差达1.7 ℃，而封装后的热电偶经过同样条件的蒸汽熏蒸后，测温误差仅为0.4 ℃。试验结果表明，该系统可应用于蒸化机内高温高湿化学蒸汽的多点温度测量。

蒸化机；温度测量；LabVIEW

蒸化是印花后处理的重要环节，其作用是使色浆中的染料经汽蒸向纤维内部转移并固着，它的效果直接影响到织物印花后的色泽鲜艳度和花型轮廓的清晰度。温度是影响蒸化效果的主要因素之一，它随着纤维、染料的不同有一定的变化。因此，准确测量并控制蒸化机内的温度，是保证印花质量的必要条件。

有些早期的蒸化机不具备温度测量和调节装置，只能生产一些低档产品[1]。目前国内外生产的蒸化机虽然都具有温度测量和调节装置[2]，但这些集成于蒸化机上的温度测量装置只能对蒸汽温度进行定点测量，不能测量蒸化机内的温度分布。因此，基于蒸化机内的温度分布来进行温度等工艺参数的调节显然更加合理。孙佳佳等[3]曾用10块软尾式温度计对意大利阿里奥里180蒸化机内的10个不同点进行了温度测量和分析，在温度控制方面获得了具有指导意义的结果，但限于当时条件，应用温度计作为测量工具还不能得到蒸箱内各点温度的连续变化情况，测量数据也无法进行存储、后处理等自动化操作。鉴于此，本研究拟在考虑蒸化机内化学蒸汽对传感器具有腐蚀性问题的基础上，研制一套多通道温度连续测量系统，以实现蒸化机内多点温度的连续测量，为蒸化工艺中温度参数的控制提供准确、可靠的数据基础。

1 系统硬件介绍

1.1 测温元件

本测量系统选择K型热电偶作为测温元件。热电偶是一种常用的温度传感器，可将温度信号直接转换成电信号，具有结构简单、使用和保养方便、准确度高、测温范围广、种类多、价格低廉等诸多优点[4]。然而，热电偶耐化学腐蚀性差，如果直接用其测量蒸化机内具有化学腐蚀性的高温高湿气体，一段时间后可能会导致测量结果出现较大偏差，甚至是热电偶的损坏。因此，研制本测量系统时要对热电偶进行耐腐蚀的封装处理，使其在测量时与化学腐蚀环境隔离。

图1是热电偶封装后的结构示意图，其封装过程如下：

1)把K型热电偶和KX型热电偶补偿导线连接在一起，放入316不锈钢保护管(18Cr12NiMo)内，热电偶与保护管底端留有适当空隙来填充导热硅脂，以使热电偶各处受热均匀。保护管应满足耐高温和耐化学腐蚀的条件，并且应具有良好的导热性。316不锈钢保护管长100 mm，外径12 mm，壁厚1.5 mm，最高使用温度为930 ℃，主要性能特点是耐热、耐腐蚀性优良[5]。

2)向保护管内加入一定量的导热硅脂，至完全浸过热电偶。其主要作用是填充热电偶与保护管底部及周围的空隙，使热电偶能灵敏地感触外界环境温度。导热硅脂选用的是广东汇瑞胶业有限公司生产的HR327型导热硅脂，其具有优异的导热性、稳定性、电绝缘性、耐高温性，高温200 ℃条件下不固化、不流淌。

3)将保护管内剩余部分用KD-504A胶黏剂填充，并在保护管上端接出聚四氟乙烯管。KD-504A胶黏剂主要作用：一是密封保护管的上端口，二是固定热电偶和聚四氟乙烯管。聚四氟乙烯管主要用来保护热电偶的补偿导线，它可以长期在260 ℃下使用，短期可耐温300 ℃，耐腐蚀，对绝大多数化学药品和溶剂表现出惰性，几乎不受任何化学试剂的腐蚀，能耐强酸强碱，能耐强氧化剂的腐蚀[6]。

封装后，在室温下放置24 h，待胶黏剂完全固化后即可进行试验测试。

图1 热电偶封装结构示意Fig.1 Schematic diagram of the packaged thermocouple

1.2 数据采集模块

本系统采用美国国家仪器公司(National Instruments, NI)的NI cDAQ9172采集卡插槽和NI 9211四通道热电偶输入模块进行温度数据采集，并遵循以下工作原理。

1.2.1 NI cDAQ9172插槽工作原理

NI cDAQ9172是NI的C系列采集卡插槽，可直接与电脑USB接口连接，进行数据传送，可同时扩展8个NI 9211模块，实现多点温度同时监测和采集，具有即插即用、使用方便、易于扩展、抗干扰能力强等优点。

图2是NI cDAQ9172的工作原理图，它由C系列I/O模块、cDAQ模块和USB-STC2模块三部分组成，NI 9211采集卡通过C系列I/O模块与NI cDAQ9172插槽进行连接，cDAQ模块负责管理I/O模块和USB-STC2模块之间的数据传递，USB-STC2模块通过USB2.0将数据传送至电脑。

图2 NI cDAQ9172工作原理Fig.2 Working principle of NI cDAQ9172

1.2.2 NI 9211采集卡工作原理

NI 9211端子连接见图3，其带有10↑端子可拆卸式螺栓端子连接器，可连接4个温度模拟输出通道。当NI 9211连接热电偶输入信号时，热电偶的正极连接TC+端子，热电偶的负极连接TC-端子，如果使用屏蔽式电缆，需将屏蔽层一端连至COM端子。

图3 NI9211端子说明Fig.3 Terminal description of NI 9211

图4为NI 9211某通道的电路示意图。TC+、TC-至COM端子间均有10电阻产生的输入阻抗，在热电偶测量过程中受到低压信号和噪声产生的干扰，将通过该电路对其进行处理和滤波。NI 9211的各通道共地，每个通道带有一个开路热电偶检测(OTD)电路，由TC+和TC-端子间的电流源组成，通道连接开路热电偶时，电流源将把端子间电压强制为满量程电压值。测量时，每个通道经差分电路滤波和信号放大后，由一个24位的模数转换器(ADC)对其采样。

图4 NI 9211某通道的输入电路Fig.4 A channel of NI 9211 input circuit

NI 9211中的24位delta-sigma模数转换器(ADC)的体系结构如图5所示，它由积分器、比较器和1位数模转换器(DAC)组成，它们排列在一个负反馈循环中。输入信号与DAC输出信号相减后送给积分器，积分器的输出是一个斜坡信号，该信号的斜率与积分器的输入信号幅度成正比，积分器输出与比较器参考信号进行比较，产生0或1，它表示积分的斜坡输出相对于比较器参考的方向，占据一个字节的位地址。经过多次循环后，所输出的位流代表输入信号的量化数值，由数字抽取滤波器对其进行平均后，输出期望采样速率下的n位采样。与其他转换器技术不同，delta-sigma ADC是自由运行的，也就是说在触发器条件满足之前，ADC的输入信号也持续被采样。Delta-Sigma ADC将采样、抽取滤波及量化噪声整形3项技术结合在一起使用，极大地提高了测试性能、分辨率和抗混叠滤波性能。

图5 Delta-Sigma ADC体系结构Fig.5 Architecture of Delta-Sigma ADC

2 系统软件介绍

系统软件部分采用NI公司研发的图形化编程语言LabVIEW编写。主要实现采集过程中相关参数的设置及采集数据的显示、保存等功能。

图6是二通道温度测量系统的程序界面。运行该程序即开始进行温度测量，温度值有温度计和图像2种显示方法。温度计显示可以直观地看出实时温度和各通道温度之间的差异，而图像显示能够观测出整个测量过程中的温度变化趋势。要终止程序运行单击停止按钮，如果需要保存数据，单击保存按钮，输入保存文件的名称并确定后，指示灯亮，数据开始保存。该程序可根据需要扩展至2个以上更多通道的测量。

图6 多点温度测量系统前面板示意Fig.6 Front panel schematic diagram of the multi-point temperature measurement system

图7是温度测量系统的程序框图。该程序框图除了实现图5所示界面的各项功能外，还负责对采温元件类型、采集通道个数、采样频率、采样方式及自动归零模式等进行控制。本程序中测温元件选择K型热电偶，通道个数选择2，采样频率为3，采样方式选择多通道连续单采样，程序每次运行时会自动开启归零模式。

图7 多点温度测量系统程序框示意Fig.7 Block diagram of the multi-point temperature measurement system

3 试验过程与结果分析

3.1 准确性对比试验

室温条件下，将未封装和用316不锈钢封装的热电偶一起放入90 ℃的水浴锅内，并同步启动测温程序，待达到充分稳定状态后，2个热电偶的测温结果如图8所示，其中曲线A代表未封装热电偶的测量结果，曲线B代表用316不锈钢封装后的热电偶的测量结果。

图8 温度测量曲线Fig.8 Temperature measurement curve

从图8可看出,未封装的热电偶在放入水浴锅的瞬间即升温到85 ℃左右，对温度感知非常灵敏，在经过近1 000 s的波动期后达到稳定状态。而用316不锈钢封装的热电偶，则以曲线B的形式缓慢升温，直到1 000 s附近稳定状态。显然，这是由封装引起的。提取2个热电偶达到稳定状态后的具体数值发现，未封装的热电偶在90.5 ℃左右，而封装后的热电偶在90.3 ℃左右，两者仅相差0.2 ℃。由此可见，从最终结果的测温准确性来看，封装给热电偶带来的影响并不大。

3.2 耐酸碱对比试验

将未封装的热电偶和用316不锈钢封装的热电偶同时放入盛有pH1的酸性溶液的锥形瓶中，然后把锥形瓶的瓶口用橡皮泥密封，再把锥形瓶放入水浴锅内加热，水浴锅温度为90 ℃，每天加热10 h。下次试验前，测试锥形瓶中溶液的pH值并调试使其保持为1。试验一个星期后，再将锥形瓶内的酸性溶液换成pH14的碱性溶液，重复上述步骤继续试验一个星期。

上述过程结束后，将2个热电偶取出再次放入90 ℃的水浴锅中进行温度测试。待达到稳定状态后，提取具体温度数据(表1)发现，未封装热电偶测量的温度值在88.8 ℃左右，与未经酸碱蒸汽熏蒸时的测量值相差1.7 ℃，与设定温度值90 ℃相差1.3 ℃。可见经过70 h酸性蒸汽和70 h碱性蒸汽熏蒸后，未封装热电偶的测量准确性有明显下降。而经过封装后的热电偶的温度值在89.9 ℃左右，与未经蒸汽熏蒸时的测量值90.3 ℃，仅相差0.4 ℃，与设定温度值90 ℃仅相差0.1 ℃左右。这说明封装能够有效阻隔酸碱蒸汽对热电偶的腐蚀，保证热电偶的测温准确性。

表1 酸碱处理后热电偶测温值Tab.1 Temperature value of thermocouple after the treatment of acid and alkali

4 结 语

以经316不锈钢封装的热电偶为测温元件，以NI 9211四通道热电偶输入模块为温度采集模块，并基于LabVIEW软件编写程序，研制了一套多通道温度测量系统。通过与未封装的热电偶进行测温对比试验发现，封装后的K型热电偶对温度的感知灵敏性下降，响应时间延迟，但测量准确性不受长时间酸碱蒸汽熏蒸的影响。试验结果表明该系统能有效解决蒸化机内高温化学蒸汽对热电偶的腐蚀问题，并能实现蒸化机内多点温度的准确测量。

[1] 孙文铎.印花蒸化工艺及设备[J].印染，2005，31(5)：32-38.

[2] 闫军.MH698型长环蒸化机[J].印染，2009，35(13)：39-40，47.

[3] 孙佳佳，李翔.蒸化机温度场的测试与分析[J].河北纺织，1992(2)：39-43.

[4] 潘圣铭，茆冠华.温度计量[M].北京：中国计量出版社，1991：149-150.

[5] 张锦霞.热电偶使用维修与检定技术问答[M].北京：中国计量出版社，2000：43-44.

[6] 周彬.聚四氟乙烯在仪器仪表上的应用[J].化工生产与技术，2002，9(1)：12-14.

Development of temperature measurement system in rapid steamer

YANG Cheng-shuai1, LI Jia1, MENG Kai1,2, CHEN Qing-guan1
(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk, Suzhou 215123, China)

In this paper, a temperature measurement system was developed, it's advantages was lie in the multi point measurement and the corrosion resistance to the chemical vapor in rapid steamer. It consists of K type thermocouples which were packaged by stainless steel, multi-channel temperature acquisition module and temperature acquisition program written by LabVIEW. Vapor temperature was measured by unpackaged thermocouple and packaged thermocouple respectively. The results showed that the measurement accuracy of unpackaged thermocouple was affected significantly by the chemical vapor. Measurement error of 1.7 degree centigrade occurred after 70 hours' application in acid vapor and 70 hours' application in alkaline vapor.However, the measurement error is only 0.4 degree centigrade when using the packaged thermocouple. The result showed that the developed system was suitable for the temperature measurement of chemical vapor in rapid steamer.

Rapid steamer; Temperature measurement; LabVIEW

TS194.36

B

1001-7003(2012)03-0024-04

2011-10-31

杨承帅(1986－ )，男，硕士研究生，研究方向为数字化纺织技术。通讯作者：孟凯，讲师，mk2009@suda.edu.cn。