螺压工艺药料温度测试系统

林 强，裴东兴，张 瑜，于文松

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051;2.国营第二四七厂，山西 太原 030051)

0 引 言

研究螺压工艺中药料熔融状态的温度变化规律，对于生产效率和安全有重要的意义。螺压过程是利用螺杆输送，并在输送过程中实现药料的塑化。根据药料的变化特征可将螺杆分为喂料段、过渡段和均化段[1]。

特别是均化段的温度要严格控制，温度过高会使药料发生燃烧甚至爆炸，温度过低会使药料线性流动性变差，无法塑化成型导致产量降低。整个过程中药料处于熔融态，直接测试容易损坏传感器。

目前国内测试温度多用热电阻作为测温元件，在表面直接测试不能接触到熔融态的物料，具有适用范围广、结构简单、较易制作、测温范围较宽等优点，但其测得的温度记录曲线波动频繁，成不规则锯齿状，断线频繁，温度补偿偏差大。在此类传感器测温技术上又发展有外推法测温，在被测对象测温部位开一个盲孔，将传感器安装在距被测点内壁一定距离处，测取该处温度，但该方法仍然存在温度场畸变所导致的误差。还有使用非接触式测温法，但红外热成像在复杂机械内部温度测量的领域仍为研究阶段，理论上可以测得成型过程物料温度场完成变化图，但其测试受测量距离、环境水气、烟尘等外界因素影响较为严重，仍有许多难题需要克服。

针对以上问题，本文在机体内壁安装传感器，采用接触式测温技术，传感器直接接触到熔融态药料，可以更加精确地测试出药料温度。同时采用集成温度传感器补偿法可以使系统体积更小、可靠性更高。

1 测试系统设计

1.1 被测信号分析

在正常情况下，据资料记载机体温度为60～80 ℃，螺杆温度 65～85 ℃，前锥、后锥温度 65～85 ℃，成型体 65～85 ℃，针及针架 60～80 ℃，温度变化缓慢需要长时间精确测试。螺杆的转速调整至4 r/min时，机头压力约为18 MPa，机体内药料处于熔融态，属于恶劣环境。研究表明，在诸多的工艺温度中，影响螺压机产量的主要因素是机体温度。机体温度的适当降低，实际上增加了药料与机体的摩擦系数，有利于提高产量，故本系统选择在机体处进行温度测试。

测试难度主要有以下2个因素：

1）药料由固体颗粒逐渐塑化成熔融态，流动性增加。熔融药料挤压时间较长，同时还可能伴随以药料组分的挥发和热分解，如果不控制好温度，可能导致燃烧或爆炸。

2）螺压机结构复杂，机体比较厚，处于高压环境，传感器难以接触内部并且易受到剪切力的损坏。

针对以上问题，为了使测试结果更加精准，专门设计了一套供测试使用的螺压机机体，机体的前锥体与卡环之间有打好的孔可以安装传感器，并研制了接触式测温系统[2]。系统具有测试时间长、存储容量大、精确度高等优点，满足对高温下熔融态药料温度的直接测定。

1.2 测试系统结构及原理

该测试系统原理框图如图1所示。本文热电偶选用了镍铬-镍硅热电偶，响应速度快，测量范围–50～200 ℃，允许误差±0.4 ℃，实现被测信号的采集[3-4]。热电偶输出的电压值通过放大滤波和冷结补偿，再经模数转换变为二进制数字量，存储到内部Flash内。

Flash容量为1 Gb，单通道测试时间长达64 h，多点测试多通道采集也完全满足测试要求。为了实现长时间的测试，系统功耗必须严格控制。整个电路的电源工作状态都由电源管理模块控制，当测试系统开机后只有电源管理电路工作，系统功耗极低。数据采集结束后及时关闭信号调理模块和A/D转换模块，可以使系统功耗降低90%[5-6]。热电偶在高压剪切力下极易损坏无法使用，故对其使用环氧胶灌封在顶端形成一个水平面，再安装螺纹直接连接到机体，敏感头可以直接接触到被测物体表面，并可有效防止传感器损坏。

图1 测试系统原理框图

为了使系统的体积小、可靠性高，选用集成温度传感器补偿法。AD8497专为测量和放大K型热电偶信号而优化，输出是一个与热电偶测量结温（TMJ）成正比的电压,由传递函数导出输出电压为

其中UREF为用户输入电压。

热电偶信号非常小，必须经过相当大的增益放大后才能被大部分ADC适当采样。AD8497内置一个固定增益的仪表放大器，能够针对K型热电偶产生5 mV/℃的输出电压。测量范围–25～295 ℃，环境温度范围–25～100 ℃[7]。

系统控制电路采用CPLD与单片机组成双控制器，负责对电源管理的通断电操作、系统工作模式的触发、A/D转换、数据读写与擦除以及与上位机通信的控制。可以实现闪存的快速读写，进而实现较高的采样频率。覆盖之前对Flash擦除操作时，采集的数据可以存储到单片机内部的Flash单元，降低了系统功耗，实现长时间采集并记录数据，电路还采用多通道设计可实现多点同时测试互不干扰。

1.3 测试系统状态图

对于复杂的系统，为了使设计过程简单化，本文建立“状态图”的设计概念[8]。根据状态设计方法把测试过程分解为不同的工作状态，可以对整个系统的工作过程和功能实现过程更加直观地分析，检验测试系统是否完全满足技术要求及状态的转换能否实现、是否满足实用性与低成本的要求等。本测试系统的状态转换图如图2所示。

图2 测试系统状态转换图

2 测试系统的标定

热电偶利用导体或半导体材料的热电效应，将温度的变化转换为电动势的变化[9]。不同热电偶输出的电动势与温度之间的关系也有差别，这就需要在测试之前对测试系统进行标定。

1）标定方法

用传感器在模拟环境下测试一系列的温度，将标准水银温度计和热电偶传感器同时放入恒温槽中，等恒温槽中的水银温度计示数稳定后，用放大镜读取温度计数值并记录，再从上位机得到一系列A/D输出的数字量，最后用最小二乘法拟合出传感器的灵敏度[10]。

2）标定数据

本文利用最小二乘法对测试系统进行标定，标定数据如表1所示。

表1 系统标定数据

将表中数据经过最小二乘法直线得到拟合方程为：y=0.087 24x–189.76，灵敏度为 0.087 24 bit/℃，截距为–189.76，拟合绝对系数R2=0.998 9。系统拟合直线如图3所示。

图3 系统拟合直线图

由图可知，标定后的曲线能比较明显地反映出热电偶有良好的线性度，得出的标定数据与标准热电偶分度表相差不大，从这两点上看使用热电偶测试性能是可靠的。

3 数据处理与分析

3.1 测点的选择

采用接触式测温方案，热电偶安装在盛装药料的螺压机机体内壁光滑的孔内，使传感器直接接触到熔融态的药料。安装时传感器顶部螺纹处应有铜制垫圈保护，并保持传感器顶部与机体内壁水平防止传感器被剪切应力损坏。电路系统采用微体积设计和抗干扰设计，设计调理电路消除干扰信号，同时对系统外部保护壳体进行几何设计，对硬件电路中的数字电路部分与模拟部分进行隔离，减少系统本身干扰信号产生的可能性。

3.2 数据分析

安装好机体与测试系统，对螺压过程中熔融态物料温度进行实测，测试数据经处理后得到温度与时间变化图，如图4所示。

图4 机体温度变化曲线

以上数据测得的是螺压机对双基药挤压成型时温度随时间变化的过程，测试时间为1 h，采样频率为1.2 kHz。系统存储容量大、记录时间长，信号调理电路对信号进行了有效滤波使得噪声降低。由图可知，温度记录曲线波动小、无断线，采用集成温度补偿法不但减小了系统体积还使测试更加精准。从上述结果可以看出，螺压机前期温度一直在上升，在25 min以后温度逐渐趋于稳定并维持在72 ℃左右。由于双基药料具有燃烧爆炸的性质，所以要防止局部温度过高引起药料分解，防止撞击、摩擦以避免引起火花而发生燃烧爆炸事故[11]。此次测试螺杆转速为12～15 r/min，温度正常，对调整到合适的转速，使药料间留有合适的间隙有一定意义。

4 结束语

通过对螺旋压伸成型工艺中熔融态药料温度的测试，验证了该系统和传感器对熔融态物质温度测试研究的科学性，同时对传感器进行了标定，准确计算出了药料的温度。测试结果表明在误差允许的范围内，该测试系统测得的数据连续性较好，系统稳定性较高，论证了该系统对熔融态物质温度直接测试的可行性。针对挤压过程中药料着火率较高，对调节加料速度和螺杆转速从而降低着火率有指导意义，并且此系统成本低廉操作简便，对生产安全和螺压机工艺结构的改进有一定的参考价值。