一种基于无碲样杯的铸铁热分析系统的制作方法

本发明涉及铸铁热分析设备领域，具体涉及一种基于无碲样杯的铸铁热分析系统。

背景技术：

现有的热分析装置主要是由样杯、支架、温度采集装置、以及数据处理装置组成。样杯作为一次性消耗产品，消耗量较大，现有的支架与样杯的固定和拆卸需要人工完成，效率低，且现有的样杯通常为加碲样杯，冷却曲线无过冷现象，不利于铸铁试样的回用，也不利于反映铸铁凝固的真实情况。且现有的支架通常结构简单，且安装和拆卸较为繁琐，不利于提高分析过程整体的效率，工作现场采集的温度值容易受到干扰，导致采集数据有偏差，进而导致冷却曲线的绘制受到影响，造成铁液的性能分析的准确性受到影响。公开号为cn102706921b的专利文件公开了一种消除铸铁热分析曲线干扰的滤波方法，设定滤波窗口，对窗口内的曲线分情况进行滤波，最终完成对热分析曲线的滤波。本发明滤波方法热分析曲线上的每个温度点首先判断属于毛刺、尖峰还是本身的温度突变。对于毛刺和尖峰干扰进行滤除，而本身的温度突变予以保留。因此，经过该滤波处理后，在去除毛刺的同时，保留了温度的突变信息，平滑了热分析曲线，提高了碳、硅含量分析精度。该专利中的优化方式单一，效果有限，无法从采集到处理进行全面的优化。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于无碲样杯的铸铁热分析系统，通过无碲样杯采集真实的凝固过程中的温度值，配合数字滤波模块、冷却曲线绘制模块、微分计算模块、微分曲线绘制模块，获取准确的特征参数，进而进行准确的性能预报。

本发明所要解决的技术问题为：

(1)如何获得真实准确的特征参数，进而保证准确分析出的铸铁的性能参数。

(2)如何降低更换无碲样本的更换的工作量，提高整体效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于无碲样杯的铸铁热分析系统，包括无碲样杯、变送器模块、样杯支架、数字滤波模块、冷却曲线绘制模块、微分计算模块、微分曲线绘制模块、特征参数获取模块、性能预报模块、显示模块；

所述无碲样杯用于存储铁液，并通过内部的热电偶采集铸铁凝固过程中的温度值；

所述样杯支架用于固定和更换无碲样杯；

所述变送器模块获取无碲样杯中的热电偶采集的温度值，用于对接收的温度值进行温度补偿、信号放大、模数转换后的得到预处理温度数据，并将预处理温度数据输出至数字滤波模块；

所述数字滤波模块通过均值滤波法对预处理温度数据进行数字滤波，得到滤波后的温度数据，并将滤波后的温度数据发送至冷却曲线绘制模块；

所述冷却曲线绘制模块根据滤波后的温度数据绘制出冷却曲线，并将冷却曲线输出至显示模块；

所述微分计算模块根据滤波后的温度数据计算冷却曲线对应的一阶微分曲线上点的微分值，并将微分值发送至微分曲线绘制模块；

所述微分曲线绘制模块根据接收的微分值绘制出一阶微分曲线，并将一阶微分曲线输出至显示模块，将冷却曲线与一阶微分曲线显示在同一坐标系中；

所述特征参数获取模块根据冷却曲线与一阶微分曲线的对应关系，确定冷却曲线上的特征参数，其中特征参数包括液相线温度tl；共晶开始温度ten；固相线温度ts；共晶转变的最低温度teu；共晶生长的最高温度ter；共晶的过冷度δt；共晶的再辉温度rec；

所述性能预报模块根据预设的热分析回归方程模型，计算出碳当量、碳含量、硅含量、抗拉强度、布氏硬度、石墨共晶团数、球化率。

进一步的，所述数字滤波模块的对采集的温度值进行数字滤波的具体步骤如下：

按照采集的时间顺序对温度值进行编号并排序，并记录温度值的数量为q；将任意编号连续的k个温度值分到同一数组内，并计算该数组的平均值作为第i个点滤波后的温度数据，i的值为该数组中的最小编号，共得到p＝q-k+1个滤波后的温度数据；

公式表达为式中，tm(i)为第i个点滤波后的温度数据，tu为编号为u的温度值，k为同一数组中温度值的个数，n为温度值的总数。

进一步的，微分计算模块根据滤波后的温度数据计算冷却曲线对应的一阶微分曲线上点的微分值的具体方法为：

按照采集的时间顺序对滤波后的温度数据进行编号，并记录温度值的数量为p；将任意编号连续的k个温度值分到同一数组内，将该数组中编号最大的滤波后的温度数据与该数组中编号最小的滤波后的温度数据之差与对应的时间之差作为第i个点的微分值，i的值为该数组中的最小编号，共得到h＝p-k+1个滤波后的温度数据；

公式表达为式中，f(ti)为冷却曲线上时间ti对应的一阶微分值，ti+k-1和ti分别为冷却曲线上时间ti+k-1和ti对应的温度值，n为滤波后的温度数据的个数。

进一步的，所述无碲样杯包括杯体，所述杯体为四棱台型，所述杯体对应四棱台下底的端面开设有四棱台型的冷却槽，且冷却槽的内壁固定连接有热电偶元件，所述杯体对应四棱台上底的端面开设有对应热电偶元件的长条形的卡槽，所述无碲样杯在倒置堆叠时，热电偶元件位于卡槽中，所述卡槽的两侧内壁均设有不少于两个连接槽，且连接槽的内壁设有数据输出端口，所述数据输出端口与热电偶元件通过数据线缆连接；

所述样杯支架包括底板，所述底板通过支撑杆连接有存储箱，且存储箱空腔的横截面与无碲样杯的开口端的横截面相同，所述存储箱中存储有倒置堆叠在一起的无碲样杯，所述存储箱的下端面开设有通孔，所述通孔活动插接有第一伸缩装置的伸缩端，所述第一伸缩装置固定连接在底板上，所述存储箱的其中一个侧壁开设置有仓门，仓门与存储箱铰接，所述存储箱与仓门平行的侧壁的上端设置有活动板，堆叠在一起的无碲样杯的顶端不超过活动板的转动轴线，且活动板的转动轴线距转轴的距离大于杯体的高度，所述活动板与存储箱弹性转动连接，所述存储箱与仓门垂直的两个外侧壁的上端分别固定连接有步进电机和第二伸缩装置，所述步进电机的输出端固定连接有第一连接齿轮，所述第一连接齿轮啮合有第二连接齿轮，所述第二连接齿轮固定连接在转轴的一端，所述转轴与存储箱仓门所在侧壁平行设置，所述转轴的另一端固定连接有锁定轮，所述锁定轮滑动连接有锁定片，所述锁定片固定连接在第二伸缩装置的伸缩端，所述转轴的侧壁上固定连接有沿转轴轴线方向设置的连接板，所述连接板与卡槽可拆卸连接，所述转轴转动套接有两个平行设置的套板，所述套板固定连接在存储箱的上端面，所述存储箱的内部设有安装板，所述安装板的一端面固定连接有四个呈矩阵分布的推杆，推杆与堆叠在一起的无碲样杯的内底壁相抵触，所述安装板的另一端面与第一伸缩装置的伸缩端固定连接；

所述连接板的内部开设有与连接槽匹配的滑动槽，所述滑动槽的内部滑动连接有两个电磁板，两个所述电磁板通过弹簧连接，且两个电磁板通电后产生斥力，电磁板远离弹簧的端面固定连接有限位块，限位块活动插接在连接槽中，所述限位块中嵌有与数据输出端口一一对应的数据接收端口。

进一步的，四个所述推杆所呈矩阵的形状和大小均与杯体的冷却槽的内底壁相同。

进一步的，所述杯体距冷却槽的开口端越近，杯体的侧壁越薄。

本发明的有益效果：

(1)将多个无碲样杯倒置堆叠在一起，并放入存储箱中，使四个推杆与最下方的无碲样杯的内壁抵触，热电偶元件位于下方无碲样杯的卡槽内能够有效降低堆叠的高度，同时保护热电偶元件，提高稳定性和元件的保护性能；通过第一伸缩装置、电磁板、步进电机的配合，实现使数据输出端口与数据接收端口连接的同时完成无碲样杯的安装和固定，稳定性好，且无需工作人员反复手动安装，能够提高分析的效率。

(2)通过无碲样杯内部的热电偶采集凝固阶段的温度值，有利于反映铸铁凝固的真实情况，通过结合过冷度δt和再辉温度δt为热分析提供更丰富的判断依据，配合数字滤波模块，对采集的温度值进行数字滤波，降低环境对数据采集准确度的干扰，并对滤波后的温度数据进行冷却曲线和一阶微分曲线，根据一阶微分曲线与冷却曲线一一对应的原理，准确的获取各个特征参数，提高了铁液成分炉前快速热分析的准确度，根据预设的热分析回归方程模型，配合各个特征参数，得到铸铁的详细性能。

(3)在完成分析后，通过第二伸缩装置、锁定轮、锁定片、步进电机、电磁板的配合，使无碲样杯被甩出，掉落至地面，完成无碲样杯的拆卸，重复操作即可实现无碲样杯的更换。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的无碲样杯的立体图；

图3是本发明的无碲样杯的立体剖视图；

图4是本发明的无碲样杯与样杯支架的连接时的正面立体图；

图5是本发明的无碲样杯与样杯支架的连接时的反面立体图；

图6是本发明的样杯支架的局部结构爆炸图；

图7是样杯支架内部装有无碲样杯时的局部立体剖视图；

图8是卡槽与连接板的内部结构连接示意图。

图中：杯体1、热电偶元件2、卡槽3、连接槽4、底板5、支撑杆6、第一伸缩装置7、存储箱8、仓门9、活动板10、步进电机11、第一连接齿轮12、第二连接齿轮13、转轴14、套板15、连接板16、滑动槽1601、电磁板1602、限位块1603、数据接收端口1604、锁定轮17、锁定片18、第二伸缩装置19、安装板20、推杆21。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8所示，本实施例提供了一种基于无碲样杯的铸铁热分析系统，包括无碲样杯、变送器模块、样杯支架、数字滤波模块、冷却曲线绘制模块、微分计算模块、微分曲线绘制模块、特征参数获取模块、性能预报模块、显示模块；

无碲样杯用于存储铁液，并通过内部的热电偶采集铸铁凝固过程中的温度值；无碲样杯相比加碲样杯多出一个ter，且无碲样杯的teu要明显高于加碲样杯；

样杯支架用于固定和更换无碲样杯；

变送器模块获取无碲样杯中的热电偶采集的温度值，用于对接收的温度值进行温度补偿、信号放大、模数转换后的得到预处理温度数据，并将预处理温度数据输出至数字滤波模块；

数字滤波模块通过均值滤波法对预处理温度数据进行数字滤波，得到滤波后的温度数据，并将滤波后的温度数据发送至冷却曲线绘制模块；

在实际测量时，由于现场各种干扰源会造成采集的数据有随机波动，因此需要对采集后的温度值进行相应的数值滤波，数字滤波模块的对采集的温度值进行数字滤波的具体步骤如下：

按照采集的时间顺序对温度值进行编号并排序，并记录温度值的数量为q；将任意编号连续的k个温度值分到同一数组内，如k＝8，并计算该数组的平均值作为第i个点滤波后的温度数据，i的值为该数组中的最小编号，共得到p＝q-k+1个滤波后的温度数据；

公式表达为式中，tm(i)为第i个点滤波后的温度数据，tu为编号为u的温度值，k为同一数组中温度值的个数，n为温度值的总数。采用数字滤波后，可以有效的消除周期性的干扰，且精度高，稳定性好。

冷却曲线绘制模块根据滤波后的温度数据绘制出冷却曲线，并将冷却曲线输出至显示模块；滤波后的冷却曲线除了teu和ter容易求得外，其他特征参数都不能准确地从冷却曲线中得到，也不能对铁液的结晶和成核过程进行定量分析。

微分计算模块根据滤波后的温度数据计算冷却曲线对应的一阶微分曲线上点的微分值，并将微分值发送至微分曲线绘制模块；

微分计算模块根据滤波后的温度数据计算冷却曲线对应的一阶微分曲线上点的微分值的具体方法为：

按照采集的时间顺序对滤波后的温度数据进行编号，并记录温度值的数量为p；将任意编号连续的k个温度值分到同一数组内，将该数组中编号最大的滤波后的温度数据与该数组中编号最小的滤波后的温度数据之差与对应的时间之差作为第i个点的微分值，i的值为该数组中的最小编号，共得到h＝p-k+1个滤波后的温度数据；

公式表达为式中，f(ti)为冷却曲线上时间ti对应的一阶微分值，ti+k-1和ti分别为冷却曲线上时间ti+k-1和ti对应的温度值，n为滤波后的温度数据的个数。

微分曲线绘制模块根据接收的微分值绘制出一阶微分曲线，并将一阶微分曲线输出至显示模块，将冷却曲线与一阶微分曲线显示在同一坐标系中；借助一阶微分曲线与它的冷却曲线是一一对应的关系，不仅能准确地确定冷却曲线上的各特征参数，还且还能制定冷却过程中各阶段的温度变化情况。

特征参数获取模块根据冷却曲线与一阶微分曲线的对应关系，确定冷却曲线上的特征参数，其中特征参数包括液相线温度tl、共晶开始温度ten、固相线温度ts、共晶转变的最低温度teu、共晶生长的最高温度ter、共晶的过冷度δt、共晶的再辉温度rec；

液相线温度tl对应着冷却曲线上凝固阶段的第一个转折点；

共晶开始温度ten对应着一阶微分曲线上tl所对应点之后局部最小值；

固相线温度ts对应着一阶微分曲线在共晶最高温度所对应点之后的局部最小值，是分辨石墨形态的重要的特征参数之一；

共晶转变的最低温度teu对应着凝固阶段一阶微分曲线与零轴相交的第一个点；

共晶生长的最高温度ter对应着凝固阶段一阶微分曲线与零轴相交的第二个点；

共晶的过冷度δt的计算公式为δt＝teu-ten；

共晶的再辉温度rec的计算公式为rec＝ter-teu；

性能预报模块根据预设的热分析回归方程模型，计算出碳当量、碳含量、硅含量、抗拉强度、布氏硬度、石墨共晶团数、球化率。具体如下：

碳当量的模型为：ce＝13.9767-0.0084tl；

碳含量的模型为：c＝0.02925teu-0.01739ter+0.00616tl-2.60237；

硅含量的模型为：si＝41.31143+0.000804tl-0.02729teu-0.02676ter；

共晶度的模型为：sc＝c÷(4.3-si/3)；

石墨共晶团数的模型为：neu＝1.5573tl-21.9520△t-1550.27；

抗拉强度的模型为：mpa＝0.9302tl-0.3930rec-1046.100；

布氏硬度的模型为：hbs＝0.6475tl+1.399△t-237.0499；

球化率的模型为：sg＝1168.36587-0.93784teu-2.84566rec；

每秒时间最大下降温度，时间(秒)：dt/dt；

采用无碲样杯进行温度值的采集，有利于反映铸铁凝固的真实情况，再结合过冷度δt和再辉温度rec为热分析提供更丰富的判断依据，配合数字滤波模块，对采集的温度值进行数字滤波，降低环境对数据采集准确度的干扰，并对滤波后的温度数据进行冷却曲线的绘制，再根据冷却曲线绘制出一阶微分曲线，根据一阶微分曲线与冷却曲线一一对应的原理，准确的获取各个特征参数，提高了铁液成分炉前快速热分析的准确度。

无碲样杯包括杯体1，杯体1为四棱台型，杯体1对应四棱台下底的端面开设有四棱台型的冷却槽，且冷却槽的内壁固定连接有热电偶元件2，杯体1对应四棱台上底的端面开设有对应热电偶元件2的长条形的卡槽3，无碲样杯在倒置堆叠时，热电偶元件2位于卡槽3中，卡槽3的两侧内壁均设有不少于两个连接槽4，且连接槽4的内壁设有数据输出端口，数据输出端口与热电偶元件2通过数据线缆连接；普通样杯由于内部的热电偶元件2的存在，无法进行堆放，而无碲样杯采用上宽下窄的设计，配合卡槽3可以倒置堆叠，且能够有效降低堆叠的高度，同时保护热电偶元件2，提高稳定性和元件的保护性能；

样杯支架包括底板5，底板5通过支撑杆6连接有存储箱8，且存储箱8空腔的横截面与无碲样杯的开口端的横截面相同，使无碲样杯只在纵向移动，存储箱8中存储有倒置堆叠在一起的无碲样杯，通过在存储箱8内存放无碲样杯增加整个样杯支架的稳定性，且便于实现样杯的更换，存储箱8的下端面开设有通孔，通孔活动插接有第一伸缩装置7的伸缩端，第一伸缩装置7可采用线性马达，第一伸缩装置7固定连接在底板5上，存储箱8的其中一个侧壁开设置有仓门9，可从仓门9放入无碲样杯，仓门9与存储箱8铰接，存储箱8与仓门9平行的侧壁的上端设置有活动板10，堆叠在一起的无碲样杯的顶端不超过活动板10的转动轴线，上方留有足够空间使固定后的无碲样杯进行转动，且活动板10的转动轴线距转轴14的距离大于杯体1的高度，活动板10与存储箱8弹性转动连接，如采用弹性合页对活动板10和存储箱8进行连接，实现弹性转动，活动板10未受力时，活动板10与存储箱8的侧壁齐平，且在存储箱8与仓门9垂直的两个外侧壁的上端分别固定连接有步进电机11和第二伸缩装置19，第二伸缩装置19可采用线性马达，步进电机11的输出端固定连接有第一连接齿轮12，第一连接齿轮12啮合有第二连接齿轮13，第二连接齿轮13固定连接在转轴14的一端，转轴14与存储箱8仓门9所在侧壁平行设置，转轴14的另一端固定连接有锁定轮17，锁定轮17由高摩擦系数材料制成，如碳纤维摩擦材料，锁定轮17滑动连接有锁定片18，同样由高摩擦系数材料制成，锁定轮17与锁定片18抵触产生的摩擦力将锁定轮17锁死，防止转动，锁定片18固定连接在第二伸缩装置19的伸缩端，转轴14的侧壁上固定连接有沿转轴14轴线方向设置的连接板16，连接板16与卡槽3可拆卸连接，转轴14转动套接有两个平行设置的套板15，套板15固定连接在存储箱8的上端面，存储箱8的内部设有安装板20，安装板20的一端面固定连接有四个呈矩阵分布的推杆21，推杆21与堆叠在一起的无碲样杯的内底壁相抵触，安装板20的另一端面与第一伸缩装置7的伸缩端固定连接；

连接板16的内部开设有与连接槽4匹配的滑动槽1601，滑动槽1601的内部滑动连接有两个电磁板1602，两个电磁板1602通过弹簧连接，且两个电磁板1602通电后产生斥力，电磁板1602远离弹簧的端面固定连接有限位块1603，限位块1603活动插接在连接槽4中，限位块1603中嵌有与数据输出端口一一对应的数据接收端口1604。数据接收端口1604与变送器模块连接。

四个推杆21所呈矩阵的形状和大小均与杯体1的冷却槽的内底壁相同。能够更稳定的推动无碲样杯。

杯体1距冷却槽的开口端越近，杯体1的侧壁越薄。由于是四棱台结构，开口端的铁液较多，靠近杯低的铁液较少，因此为了避免杯口和杯底的温差过大，因此通过调节壁厚来提高杯口的散热效率，保证不会温差过大。

本实施例的具体工作过程如下：

1)将多个无碲样杯倒置堆叠在一起，并放入存储箱8中，使四个推杆21与最下方的无碲样杯的内壁抵触，热电偶元件2位于下方无碲样杯的卡槽3内能够有效降低堆叠的高度，同时保护热电偶元件2，提高稳定性和元件的保护性能；启动第一伸缩装置7，将倒置堆叠在一起的无碲样杯向上推动，此时连接板16位于转轴14的正下方，第一伸缩装置7将最上方的无碲样杯抬高至一定高度，第一伸缩装置7伸长的长度与储存的无碲样杯的数量成反比，使连接板16插入最上方的无碲样杯的卡槽3内，此时将两个电磁板1602通电，产生的斥力克服弹簧的拉力，将限位块1603推入连接槽4中，使数据输出端口与数据接收端口1604连接，使最上方的无碲样杯与连接板16固定，此时第一伸缩装置7缩回初始长度，使堆叠在一起的无碲样杯与连接在连接板16上的无碲样杯分离，此时启动步进电机11，同时第二伸缩装置19缩短，使锁定轮17与锁定片18不再抵触，而步进电机11带动第一连接齿轮12转动，进而带动第二连接齿轮13转动，进而使转轴14转动，带动连接在连接板16上的无碲样杯向活动板10方向转动180°，将无碲样杯的方向调节为正向放置，完成方向调节后，第二伸缩装置19伸长，使锁定轮17与锁定片18重新抵触，通过摩擦力保证无碲样杯不会转动，此时即完成无碲样杯的固定。

2)无碲样杯完成固定后，将铁液注入无碲样杯中，通过内部的热电偶采集凝固阶段的温度值，有利于反映铸铁凝固的真实情况，通过结合过冷度δt和再辉温度rec为热分析提供更丰富的判断依据，经变送器模块处理后，配合数字滤波模块，对采集的温度值进行数字滤波，降低环境对数据采集准确度的干扰，并对滤波后的温度数据进行冷却曲线的绘制，再根据冷却曲线绘制出一阶微分曲线，根据一阶微分曲线与冷却曲线一一对应的原理，准确的获取各个特征参数，提高了铁液成分炉前快速热分析的准确度，根据预设的热分析模型，配合各个特征参数，得到铸铁的碳当量、碳含量、硅含量、抗拉强度、布氏硬度、石墨共晶团数、球化率。即完成铸铁的热分析。

3)在完成分析后，控制第二伸缩装置19缩短，使锁定轮17与锁定片18不再抵触，此时步进电机11带动连接在连接板16上的无碲样杯向仓门9的方向转动，转动角度为60°，在转动开始时，将两个电磁板1602断电，弹簧的拉力将限位块1603从连接槽4中出，使连接板16与无碲样杯不再连接，此时由于惯性，无碲样杯被甩出，掉落至地面，随后步进电机11反向转动240°，使重新回到连接板16位于转轴14的正下方，重复1-3，即可实现无碲样杯的更换。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。