汪友华，李发展，刘成成

基于LabVIEW的电磁感应加热带材温度监测系统

汪友华，李发展，刘成成

（河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130）

为了得到加热器出口处带材温度的分布情况，设计了一套基于LabVIEW的电磁感应加热带材温度监测系统。该系统由红外温度传感器、电流变送器、CompactDAQ平台和显示器组成。测量了45钢在不同温度下的辐射率，采用最小二乘法将数据分段拟合成解析函数，并将表达式通过公式节点写入程序。系统通过NI CompactDAQ硬件平台以及LabVIEW软件，对感应加热器出口处带材的温度进行采集和处理，实现温度的实时显示和数据存储。实验结果表明该系统性能稳定，具有较高的测温精度和实用价值。

感应加热；温度监测；虚拟仪器；辐射率；数据存储

与传统的燃料加热相比，感应加热具有升温速度快、加热效率高、环境污染小等优点[1]。在感应加热过程中，存在着感应加热器出口处沿带材宽度方向上温度分布不均匀的问题，因此对感应加热器出口处带材的温度分布进行实时监测具有十分重要的意义。

目前在生产和实验中，常使用红外热像仪对带材温度进行监测，但带材辐射率随温度变化较明显，从而产生了较大的原理性测量误差。NI CompactDAQ是一个坚固耐用的便携式数据采集平台，它将连接和信号调理功能与模块化I/O相集成，可直接连接传感器或信号[2]。NI CompactDAQ与NI LabVIEW软件相结合，可用于采集、分析、显示和管理测量数据[3]。本文根据加热过程中测温环境和要求，设计了一种基于LabVIEW的电磁感应加热带材温度监测系统。

1 带材辐射率的测量与处理

本文测得了45钢在不同温度下的辐射率。根据辐射率随温度变化的规律，采用最小二乘法对实验数据进行分段拟合，得到0~200 ℃和200~400 ℃两种情况下辐射率随温度变化的数学模型。

1.1 辐射率测量装置

本文将45钢加工成为长100 mm、宽50 mm、厚度为2 mm的长方形钢片。使用砂纸将样品表面打磨至光滑，并用酒精清洗带材表面除去灰尘和氧化层。45钢的辐射率测量装置如图1所示，将清洁完成后的样品放入到高温电阻炉中进行加热，分别由热电偶和红外温度传感器测量其温度。

图1 辐射率测量装置

K型热电偶测温为接触式测温，需要将热电偶固定在样品上。本文中热电偶的冷端补偿设为常量，为环境温度20 ℃。红外温度传感器在工作时，垂直于样品表面1 m放置。红外温度传感器和热电偶的输出信号通过CompactDAQ平台进行采集，经过数据处理后转化为温度值，通过计算得到被测样品辐射率的大小，将其显示在前面板上并记录下来。从20 ℃至400 ℃，每隔10 ℃测得一组45钢在此温度下的辐射率大小，故本文共测到39组数据。

1.2 辐射率曲线

测得的45钢在不同温度下的辐射率曲线如图2所示。带材的辐射率随着温度的升高而逐渐增大，且在不同的温度范围内其增长速率有较为明显的差异。相对于20~200 ℃温度范围，从200 ℃升高至400 ℃过程中，辐射率随温度变化速度较快。由此可知，辐射率是影响红外测温准确性的重要因素。当温度变化时，必须同时将辐射率的变化考虑进去，否则将造成较大的误差，导致测量的温度不准确，影响带材的加工质量。

图2 辐射率随温度变化曲线

1.3 曲线拟合

两组数据拟合的标准差RMSE都小于0.012，相关系数接近于1，拟合的精度较高。辐射率拟合曲线如图3所示。

图3 辐射率拟合曲线

2 系统硬件设计

本设计用于对连续运动带材进行电磁感应加热系统的加热器出口处带材的温度分布进行实时监测。如图4所示，电磁感应加热系统主要由传动装置、纠偏装置、感应加热器、测温装置、冷却装置和电源等构成。金属带材从传动机构A端传输至感应加热器，测温装置监测加热完成后带材的温度，后经冷却装置再传输到B端。

图4 电磁感应加热系统

在感应加热过程中，带材始终保持匀速运动，接触式测温不能满足要求，因此采用红外测温的方式。温度监测系统的硬件结构如图5所示，由红外温度传感器、电流变送器、NI 9220数据采集卡、NI CDAQ- 9132控制器和显示器组成。

图5 温度监测系统硬件结构

红外温度传感器由24 V直流电源供电，光谱范围为8~14 μm，光学分辨率为30∶1，测温范围为0~ 1200 ℃，输出为4~20 mA直流电流信号。电流变送器将4~20 mA的直流电流转化成2~10 V的电压，还可以有效地实现磁电隔离。NI 9220有16模拟差分通道，每个通道都提供±10 V的测量范围，以及16位测量精度。CDAQ‑9132用于控制定时、同步、数据传输和嵌入式监测[6]。

为测得带材宽度方向上的温度分布，将多支红外温度传感器垂直带材表面并排放置，使带材处在传感器的视场之内。红外温度传感器将带材表面的温度转化成电流信号，电流变送器将电流信号转化成可供NI 9220数据采集卡采集的电压信号，经NI CDAQ-9132控制器完成滤波、运算和处理等，实现温度的数据采集、实时显示与数据储存等功能。

3 系统软件设计

LabVIEW作为虚拟仪器软件开发工具，在数据采集和人机交互方面有着十分明显的优势[7]。系统使用LabVIEW软件编写感应加热带材温度监测程序，主要包括通道和采样设置、数据的处理和显示、报表的生成等功能。

3.1 通道和采样设置

本文所设计的系统采用10支红外温度传感器采集带材表面的温度，因此采样通道为NI 9220的10路差分输入。采集参数的设置包括物理通道的选择，以及采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置、采样最大最小值。通过对采集卡通道和参数的设置，完成温度同步数据的采集后交由控制器处理。

3.2 数据的处理与显示

NI CDAQ-9132控制器对采集到的数据进行处理并将其显示在前面板上，其程序框图如图6所示。通过LabVIEW内的数字滤波器对采集到的电压信号进行滤波，消除杂散干扰信号，再经过数值运算将其转换成温度值。编程的过程中考虑辐射率的影响，因此在程序中引入公式节点，在代码框内编写C语言代码，将所做的拟合函数表达式写入程序，从而将红外温度传感器测得的温度值换算成带材的实际温度。带材温度分布情况可以通过带材的最高温度、最低温度，平均温度3个参数来表示。因此，软件设计中需要对10个采样点的温度值进行分析，计算上述各个参数值，并绘制出带材温度分布曲线。

图6 数据处理与显示程序框图

3.3 数据报表

温度监测系统还需将每一时刻的温度数据同步写入Excel文档保存，方便后续的统计和分析。如图7(a)所示，程序框图由1个While循环结构和2个条件结构组成，开始采样时，外部的条件结构执行选择器标签为真的程序。While循环的移位寄存器每采样1次，移位寄存器内的数值自动加1，将系统在数据保存时间内循环采样的次数除以移位寄存器的数值，若余数为0，则内部条件结构执行为真的程序。此时，带材的平均温度、最低温度、最高温度的数据保存至移位寄存器。

如图7(b)所示，停止采样，While循环结构上移位寄存器在相应时间段内存储的数据将以二维数组的形式写入以当前时间命名的电子表格文件。若是存在相应的保存路径，最内层的条件结构执行选择器标 签为真的程序，直接写入数据。若是文件和文件夹不存在，最内层的条件结构选择器为假，创建新的保存路径。

图7 生成数据报表程序框图

4 实验结果

在实验中，使用10支红外温度传感器测300 mm宽的45钢带材，为使被测目标全部位于传感器的视场内，每一支传感器测温范围的直径为30 mm。将传感器固定在支架上，并用三脚架将支架固定，传感器与带材之间的距离为90 cm。在感应加热过程中，带材温度监测系统的前面板界面如图8所示。通道和采样设置界面可以选择物理通道，更改采样率和采样数。红外温度传感器采集到的温度数值波形以及温度分布曲线、带材的最高温度、最低温度以及平均温度都可以直观显示出来。

图8 温度监测系统前面板

5 结语

本文通过NI CompactDAQ平台和LabVIEW软件，设计并实现了电磁感应加热带材温度监测系统。该系统实现了温度数据的采集、处理、显示以及存储等多种功能，并解决了红外测温方式下带材辐射率随温度变化而改变的问题。该系统能够实时监测加热过程中带材温度的变化情况，提高金属热加工的质量，在生产和实验过程都取得了不错的效果。

[1] 汪友华，郭春福，陈龙，等.横向磁通感应加热带材温度场的计算分析[J]. 金属热处理，2017, 42(11): 178–182.

[2] 胡仁喜，高海宾. LabVIEW2010虚拟仪器从入门到精通[M].北京:机械工业出版社，2012.

[3] 张丙才，刘琳，高广峰，等.基于LabVIEW的数据采集与信号处理[J]. 仪表技术与传感器，2007(12): 74–75.

[4] 薛生虎，李文军，李芳红，等.辐射测温在钢铁工业中的应用及发射率对测量的影响[J]. 计量学报，2010, 31(5): 445– 449.

[5] 张建奇.红外物理[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[6] 李菲，江世明. 基于LabVIEW的温度测量系统设计[J].现代电子技术，2014, 37(6): 114–116.

[7] 陆红阳，陆绮荣，牛秦洲.基于DAQ及LabVIEW的虚拟逻辑分析仪[J]. 仪表技术与传感器，2007(12): 14–16.

Temperature monitoring system for electromagnetic induction heating strip based on LabVIEW

WANG Youhua, LI Fazhan, LIU Chengcheng

(Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province, State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to obtain the distribution of strip temperature at the outlet of heater, a temperature monitoring system for electromagnetic induction heating strip based on LabVIEW is designed. This system consists of the infrared temperature sensor, current transducer, CompactDAQ platform and display. The radiance of 45 steel at different temperatures is measured, the data are fitted into analytical functions by the least square method, and the expressions are written into the program through formula nodes. Through NI CompactDAQ hardware platform and LabVIEW software, the system collects and processes the temperature of strip at the outlet of induction heater and realizes real-time temperature display and data storage. The experimental results show that this system has stable performance, high temperature measurement accuracy and practical value.

induction heating; temperature monitoring; virtual instrument; radiation rate; data storage

TG156.7

A

1002-4956(2019)09-0073-04

2019-02-09

国家自然科学基金项目（51877065）资助

汪友华（1964—），男，江西九江，博士，教授，主要研究方向为横向磁通感应加热。

E-mail: 15122060661@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.019