CN1348099A - 金属熔体凝固的小波热分析方法及其分析装置 - Google Patents
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Abstract
一种金属熔体凝固的小波热分析方法,其特征在于包括将研究对象的热信号转为电信号;将电信号转化为标准电压信号;电压信号经模数(A/D)转换器转化为相应的温度数字信号;用所得的数字信号,求取特征参数值;根据特征参数值计算测试结果。其分析装置由温度传感器、信号放大器、模数(A/D)转换器、信号处理装置依次连接构成,温度传感器设在盛有金属熔体样品的样杯内。本发明采用小波变换来分析金属熔体凝固的冷却曲线,可以更准确地获得特征参数值,并将热分析拓展于铸件凝固进程特征信息的获取。其分析装置具有多种检测功能,选择相应的功能模块,可分别实现灰口铸铁的化学成分检测和性能预测、球墨铸铁球化率的预测和铝合金变质效果等。
Description
本发明涉及分析测试领域，更具体地是金属熔体凝固的小波热分析方法；本发明还涉及其分析装置。
热分析是研究物质在加热或冷却过程中的物理和化学变化的一种测试技术。金属(合金)凝固热分析是以金属凝固时的冷却曲线或微分曲线的形状及特征值为数据，来分析金属的凝固特性，从而预测其有关参数。利用热分析技术，可以测定合金的化学成分以及预测其机械性能、铸造性能、金相组织和孕育效果等。
金属熔体冷却结晶时，伴随有热量释放，这种现象被称为“热效应”。热效应使金属冷却时温度变化的连续性受到破坏，在冷却曲线上形成“拐点”和“平台”，显示出奇异的温度值。特征温度(如液相线温度和固相线温度)值的快速准确鉴别，则成为热分析测试的关键环节之一。常规的金属凝固热分析是通过自动平衡记录仪来记录和描绘冷却曲线，再由操作者根据记录仪描绘的冷却曲线来获得特征参数值，这种方法无法快速而准确地定位特征参数值。随着计算机技术的发展，人们已研究和应用了微机热分析仪。微机热分析仪对特征温度值的获取是通过斜率比较或导数为零来求得的。采用斜率比较法时，要预先设定结晶平台上的斜率，计算机按一定时间间隔采样并求取冷却曲线的斜率，当求得斜率等于设定的平台斜率时，就认为是该平台的采样点。但由于合金的成分和浇注温度差异、试样内部存在温度梯度和过冷等因素，结晶平台并不是一成不变，其斜率可能为零、也可能为负或正，造成难以用斜率比较法来求取特征温度值。同理，当冷却曲线不是平滑曲线时，采用导数的方法来求取特征温度值也面临同样的困境，仍旧会出现误判现象。(黄斌，热分析仪的合理应用，现代铸铁，1999，No.4，43-46页)。
此外，传统的热分析仪，功能比较单一，比如用于灰口铸铁的热分析仪，就不能用于铝合金性能的测定。
本发明的目的在于提供一种金属熔体凝固的小波热分析方法，采用小波变换来分析金属熔体凝固的冷却曲线，可以更准确地获得特征参数值，并将热分析拓展于铸件凝固进程特征信息的获取。
小波变换具有良好的时频局部化特性，可以对信号的任意局部进行处理。本发明根据金属凝固放出结晶潜热面出现的温度奇异的特点，采用小波变换来获得金属凝固的特征参数值。
小波热分析就是用小波变换对热信号进行处理和抽取有关的特征信息，从而得到各种热分析结论或对金属凝固过程控制提供信息依据。
本发明还涉及金属熔体凝固的小波热分析装置，该装置具有多种检测功能，选择相应的功能模块，可分别实现灰口铸铁的化学成分检测和性能预测、球墨铸铁球化率的预测和铝合金变质效果等。
本发明的金属熔体凝固的小波热分析方法包括如下步骤：
1)将研究对象的热信号转为电信号；
2)将电信号转化为标准的电压信号；
3)电压信号经模数(A/D)转换器转化为相应的温度数字信号；
4)用所得的数字信号，求取特征参数值；
5)根据特征参数值计算测试结果。
也可以利用特征参数值进行判断决策等；
对测试结果和冷却曲线也进行存储、显示、打印。
对测试结果也可以通过输出通道控制声光信号，或对铸造过程进行实时控制。
在第1)步中，可以通过温度传感元件将研究对象(即样杯中的金属或铸件)的热信号转为电信号；
在第2)步中，可以通过放大器将步骤1)中所得的电信号转化为0-5伏或0～10伏等标准电压信号；
在信号处理中，常用的数学工具有傅立叶变换。傅立叶变换适用于平稳信号，如热传导现象的稳定状态解。而最新发展起来的小波变换，则更加适合于非平稳(时变)信号。小波变换优于传统的傅立叶变换的主要之处在于具有良好的时频局部化特性，能准确地抓住瞬时信号的特征，可以聚集到信号的任意细节上。在凝固热分析中，液态金属在样杯中的冷却凝固过程是一个通过样杯向环境散热的过程，属于不稳定导热。金属试样在凝固过程中发生相变时，改变了热进程，在冷却曲线上形成了奇异点，因此可用小波来抽取冷却曲线上的奇异温度特征值。
铸件是由金属凝固而成的，在凝固过程中必然释放出热量。而构成铸件铸态组织中的各个相，都会在冷却曲线上留下相应的痕迹，因此热信息与凝固过程状态有着本质的联系，冷却曲线又被称为“冶金质量的指纹”。通过对凝固过程的热(即温度)信号进行分析(即热分析)，提取其特征值，就能对铸件凝固过程进行有效的控制。要通过热分析来实现铸件凝固过程的监控，必须实时提取冷却曲线上的特征参数。传统的热分析采用特定的样杯、要求满足牛顿冷却条件等，而在实际铸造生产中，铸件凝固过程更为复杂和多样化的，加上现场噪声的影响，铸件冷却曲线上的奇异特征点就可能变得不明显，此外生产中还有实时性要求，传统的热分析方法在此就难以胜任，而小波分析由于具有准确地抓住瞬变信号的特征，同时其快速算法也能满足实时要求，因此用来抽取铸件凝固过程的特征参数，从而为铸造过程监控提供可靠的信息依据。
本发明的热分析装置可用作铁合金、铝合金和其它合金的热分析。
本发明的金属熔体凝固的小波热分析装置由温度传感器、信号放大器、模数(A/D)转换器、信号处理装置依次连接构成，温度传感器设在盛有金属熔体样品的样杯内。
其工作原理如下：样杯中的金属或铸件的热信号通过温度传感器转为电信号，通过信号放大器将电信号转化为标准电压信号，该电压信号经模数(A/D)转换器转化为相应的温度数字信号，信号处理装置用小波方法处理所得的数字信号，求取特征参数值，同时根据特征参数值计算测试结果或进行判断决策等。
所述信号处理装置可以是单片机，或台计算机，可以连接外围设备如显示器、打印机，使测试结果和冷却曲线可通过显示器显示、通过打印机打印。也可以输出通道控制声光信号，或控制金属熔体或铸件。
本发明应用小波分析可更准确地获得金属凝固过程的特征参数，因而可获得更精确的热分析结果，同时也可为铸件凝固过程的监控提供信息依据，能有效地提高铸件的质量和生产率。本发明集多种合金的热分析于一体，具有更好的价格性能比。传统的热分析没有动态分析和实时在线的控制功能，本发明拓展了传统的热分析的应用范围。
图1是本发明金属熔体凝固的小波热分析装置结构方框图。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明的分析装置由温度传感器、信号放大器3、模数(A/D)转换器4、信号处理装置5依次连接构成，温度传感器2设在盛有金属熔体或铸件样品的样杯1内。信号处理装置5是一计算机，与显示器6、打印机7连接。并可通过输出通道8控制声光信号9，或控制金属熔体或铸件凝固。
实施例2
以测定灰口铸铁化学成分为例来说明小波热分析实施方案。
经回归分析，碳当量(CE)、碳含量(C)和硅含量(Si)的计算公式分别为：
CE＝a-bTL (1)
C(％)＝dTS-eTL-f (2)
Si(％)＝g-hTS (3)
式中的a、b、d、e、f、g和h均为常数。这些常数与试验条件有关，其中一组数据为：a＝14.48、b＝0.00885、d＝0.01693、e＝0.00796、f＝6.05、g＝68.649、h＝0.06007。
从式(1)-(3)可见，只要求得液相线温度TL和固相线温度TS，就可以计算出碳当量和碳硅含量了。
本例测试的对象是灰口铸铁，因此首先要选择灰口铸铁的测试软件模块，然后按如下步骤进行：a)将灰口铸铁熔液浇入加有碲的样杯，样杯中的温度传感元件将热信号转化为电信号；b)放大器将步骤a)中所得的电信号转化为0～5V的电压信号；c)该电压信号经模数(A/D)转换器转化为相应的温度数字信号；d)计算机用小波方法处理步骤c)所得的数字信号(其中包括数字滤波)，求得液相线温度TL和固相线温度TS，并记录冷却曲线；e)根据液相线温度TL和固相线温度TS按式(1)-(3)分别计算出碳当量、碳含量和硅含量；以及f)对测试结果和冷却曲线进行存储、显示、打印，如果碳当量或碳硅含量不符合要求，就给出警告信号，通知操作人员调整铸铁的化学成分。
Claims (6)
1、一种金属熔体凝固的小波热分析方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将研究对象的热信号转为电信号；
2)将电信号转化为标准电压信号；
3)电压信号经模数(A/D)转换器转化为相应的温度数字信号；
4)用所得的数字信号，求取特征参数值；
5)根据特征参数值计算测试结果。
2、根据权利要求1所述的金属熔体凝固的小波热分析方法，其特征在于还包括对测试结果和冷却曲线进行存储、显示、打印。
3、根据权利要求1或2所述的金属熔体凝固的小波热分析方法，其特征在于所述标准电压信号为0～5伏或0～10伏。
4、使用权利要求1所述分析方法的金属熔体凝固的小波热分析装置，其特征在于由温度传感器、信号放大器、模数(A/D)转换器、信号处理装置依次连接构成，温度传感器设在盛有金属熔体样品的样杯内。
5、根据权利要求4所述的金属熔体凝固的小波热分析装置，其特征在于信号处理装置是单片机，或计算机。
6、根据权利要求5所述的金属熔体凝固的小波热分析装置，其特征在于信号处理装置连接显示器、打印机。
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