一種鐵水成份分析系統(tǒng)中離散型函數拐點的運算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及的技術領域為分析及測量控制技術，具體涉及一種對鑄造企業(yè)爐前鐵 液多種參數的快速檢測及管理的儀器，即智能鐵水管理儀。 二、
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著機械零件對強度性能要求的不斷提高，一些新型鑄鐵材料的研制與 應用受到了廣泛的重視，而鐵水質量的好壞直接決定了鑄件的性能。目前我國多數中小鑄 造企業(yè)爐前鐵水質量的控制還是憑爐工的經驗，由于鐵水成份控制不當，因此經常出現鑄 件批量報廢的現象。而爐前檢測鐵水質量最好辦法是熱分析法，但目前市場的熱分析儀由 于在分析方法上存在瑕疵，很多場合不能勝任，因而市場急需一種高性能的熱分析儀，以滿 足材料工業(yè)發(fā)展的需求，為此我們對現有的熱分析儀的平臺尋找方法進行了改進，推出了 最新一代的熱分析儀器--智能鐵水管理儀。 三、

【發(fā)明內容】

[0003] 由于智能鐵水管理儀在數據采集中得到的溫度值是一系列的離散點，為精確找到 鐵水冷卻曲線的特征溫度點，程序中采用離散型函數的拐點法，其離散點拐點算法的方法 如下：
[0004] 根據拐點特性，在拐點前后曲線的上升（或下降）的趨勢不一樣，如圖一所示。若 P = (PO, f (PO))為該曲線的拐點，A、B點為P前任意兩點，C、D為P后任意兩點，則有判別 式：
[0005] (KAB-KBP) X (KPC-KCD) < 0 ; (1)
[0006] 其中 KAB、KBP、KPC、KCD、為直線 AB、BP、PC、CD 的斜率。
[0007] 利用判別式（1)即可獲得曲線拐點的算法，對于區(qū)間[a，b]上的函數f(x)，為求其 拐點，先將區(qū)間[a，b]分割為小區(qū)間，小區(qū)間長度最大者Λ趨于〇,設分點分別為Χ〇、Χ1。。。 Xi。。。Xn-I，對應溫度的縱座標為 f(X0)，f(Xl)，。。。f(Xi)，。。。f (Xn-I)，如圖二所示，如 果拐點處于Xi-I與Xi(i = 3、4、5。。。n-3)之間根據判別式（1)有：
[0009] 由于在智能鐵水管理儀的數據采集程序中其時間間隔是相等的，因此（2)可簡化 為：
[0010] F(K) = (f (Xi-I)+f(Xi-3)-2f(Xi-2)) X (f (Xi)+f(Xi+2)-2f(Xi+l)) <0 (3)
[0011] 若判別式⑵或（3)在i = m處成立，則說明拐點位于Xm Xm-I之間，顯然當Δ - 0 時，則Xm - Ρ0,即m充分大時，（Xm，Ym)近似等于P = (PO, f (PO))。 四、
【附圖說明】
[0012] 1、圖⑴：拐點不意圖
[0013] 2、圖⑵：拐點計算不意圖
[0014] 3、圖⑶拐點計算流程圖 五、
【具體實施方式】
[0015] 由于鐵水冷卻溫度曲線的特征點，就是曲線的拐點，由于過共晶鐵水凝固開始時 因析出初生石墨所釋放的結晶潛熱較少，不足以較長時間抵銷樣杯的散熱，故液相線溫度 平臺（TL)很短，當配料不當時，TL更難找到，原來的熱分析儀器找冷卻曲線的溫度平臺用 的都是平臺法，即設定一個溫度誤差范圍，當連續(xù)幾個點在誤差范圍內，認為找到平臺，因 此往往造成儀器測量失敗。在弄清了離散型函數拐點計算的基本原理后，結合到實際工程， 在分析程序中，按照拐點算法的基本原理，將儀器的一次分析過程，以相等的時間間隔采集 溫度變送器的信號，在對信號值平滑濾波的基礎上，將其轉換成對應的溫度值保存到數據 庫，且使其采樣間隔△ t能滿足分析要求，這樣得到的數據就是一組以時間Xi為橫軸，以鐵 水溫度值f (Xi)為縱軸的離散點，將得到的各座標點依次代入拐點判別式（3)，并判斷代入 的公式的點是否是拐點，當發(fā)現F(K)小于0時，程序結束判斷，同時指出溫度曲線的第一個 特征值--液相線溫度平臺TL。離散點拐點計算的流程圖見圖（3)
[0016] 當然由于儀器使用現場環(huán)境比較復雜，有可能鐵水冷卻曲線在固相線平臺到來之 前會發(fā)現幾個拐點，因此程序還要對幾個拐點進行判斷，找出最大者作為液相線溫度平臺。
[0017] 實施例1 :實例：本發(fā)明所涉及的離散點拐點算法，在我公司最新開發(fā)HXD-6C智能 鐵水管理儀中使用后，效果十分明顯。我們對用平臺法尋找判斷溫度平幾種熱分析儀（如 上海的經濟弄熱分析儀（QuiK-Lab-C型）、浙江的FT300鐵水熱分析義），在江蘇萊鑫化工 機械有限公司及南京邦富鑄造有限公司對三臺儀器在同一現場進行了比對測試，測試共進 行了 10天，每天每臺儀器分析二爐鐵水，每爐分析三個樣，這樣每臺儀器10天共分析了 60 個試樣。比對分三種情況：1、平臺尋找的可靠性2、分析測試時間3、測量成份的準確性。其 結果如下：A)平臺尋找的成功率：HXD-6C為100% ;QuiK-Lab-C型為90% ;FT300為88。 33% B)分析測試時間：HXD-6C平均為115秒，最快90秒出結果，而QuiK-Lab-C及FT300 均為240秒左右。C)測量成分的準確性：碳用氣體容量法判定，硅用光電比色法判定，因為 這兩種方法是國家規(guī)定的仲裁方法。從測試結果來看三臺儀器所測的碳（C)含量均符合 GB223. 69-97標準規(guī)定的誤差范圍，而硅（Si)含量三臺熱分析儀的測量結果均比用光電比 色法分析的結果低，QuiK-Lab-C儀器，平均低2. 5%，HXD-6C及FT300平均低3. 5%。通過 這一實驗我們對硅計算公式做了調整。從以上可以看到用離散函數拐點法替代平臺法找液 相溫度平是成功的，它不但提高了找平臺的靈敏度，尤其是節(jié)約了試樣的分析時間，提高了 工作效率。
[0018] 實施例2 :由于目前國內大多數鑄造企業(yè)熔煉鐵水都是使用工頻爐、中頻爐或電 弧爐，而這些設備都是屬于高能耗設備，就拿較小的1噸電爐來說，1小時所消耗的電量有 600KW若是大一點的爐子或電弧爐，1小時的耗電量要幾千千瓦甚至幾萬千瓦，可見這些企 業(yè)均是高耗能企業(yè)，因此他們對節(jié)能降耗是非常重視的。通過拐點算法的應用，使熱分析 儀器尋找液線溫度平臺的靈敏度顯著提高，大大節(jié)省了樣品的分析時間，由于分析時間的 縮短，就可以加快鐵水配料進度，縮短鐵水在爐內的等待時間，這樣不但提高了工作效率， 還為企業(yè)節(jié)約了生產成本，比如,很小的1噸電爐,若每天燒10爐鐵水,每爐測一個樣品，由 于分析時間縮短，還可以節(jié)省20秒鐘，而20分鐘節(jié)約的電量是：200度，則一個月就可節(jié)約 6000度電，若1度電是0。5元，就可為企業(yè)節(jié)約成本3000元。由此可見，本發(fā)明的應用，將 間接為企業(yè)帶來可觀的經濟效益。
【主權項】
1. 一種鐵水成份分析系統(tǒng)中離散型函數拐點的運算方法，其特征是屬鑄造企業(yè)的爐前 快速分析儀器，主要功能是精確測量鐵水的碳、硅含量、球墨鑄鐵的球化率、并根據測量出 的特征溫度點自動計算出鑄件的硬度、抗拉強度等參數及按照用戶設定的鑄件目標成分， 計算出鐵水的添加料，從而實現鐵水的自動質量管理。2. 根據權利要求1所述鐵水成份分析系統(tǒng)中離散型函數拐點的運算方法，其特征是離 散型函數拐點算法在儀器分析程序中的作用是幫助儀器精確找到鐵水冷卻曲線中的液相 線溫度平臺TL，液相線溫度平臺直接參加分析結果的計算，因此是影響儀器的測量精度和 分析結果最重要參數之一。3. 根據權利要求1所述鐵水成份分析系統(tǒng)中離散型函數拐點的運算方法，其基本原理 是：在數學上，拐點的計算一般是通過計算函數二階導數的零點及其不存在的點的方法來 實現的。但在實際檢測鐵水溫度變化時，獲得的僅是一系列離散點，難以找到合適的函數 與之吻合，因而不能通過計算二階導數來求取拐點，只能通過凹凸性質變化獲得拐點，根據 拐點特性，在拐點前后曲線上升或下降的趨勢是不一樣的，若在曲線上有A、B、P、C、D五個 點，其中P是拐點，A、B是P前任意兩個點，C、D是P后任意兩個點，則有判別式：F(K)= (KAB-KBP)X(KPC-KCD) <0,其中KAB、KBPKPCKCD是直線六83?、？(：、0)的斜率，利用拐點 判別式，即可獲得曲線拐點的算法，對于區(qū)間[a，b]上的函數f(x)，為求其拐點，先將區(qū)間 [a，b]分割為小區(qū)間，小區(qū)間長度最大者Λ趨于0,設分點分別為X0、X1。。。Xi。。。Xn-1， 對應溫度的縱座標為f(X〇)，f(Xl)，。。。f(Xi)，。。。f(Xn-l)，如果拐點處于Xi-1與Xi(i =3、4、5。。。n-3)之間，且點與點之間的間隔是相等的，則根據拐點判別式，可將其推廣到 一般有： F(K) =(f(Xi-l)+f(Xi-3)-2f(Xi-2))X(f(Xi)+f(Xi+2)-2f(Xi+1)) <0 若一般判別式在i=m處成立，則說明拐點位于XmXm-1之間，顯然當Δ- 0時，則Xm-P0,即m充分大時，（Xm，Ym)近似等于P= (P0，f(P0))。在實際工程應用中，由于鐵水 的冷卻溫度曲線的特征點，就是曲線的拐點，因此分析程序中，按照拐點算法的基本原理， 將儀器的一次分析過程，以相等的時間間隔采集溫度變送器的信號，并將其轉換成對應的 溫度值保存到數據庫，且使其采樣間隔Λt能滿足分析要求，這樣得到的數據就是一組以 時間Xi為橫軸，以鐵水溫度值f(Xi)為縱軸的離散點，將得到的各座標點依次代入拐點判 別式，并判斷代入的公式的點是否是拐點，當發(fā)現F(K)小于0時，程序結束判斷，同時指出 溫度曲線的第一個特征值--液相線溫度平臺TL。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于鐵水成份分析系統(tǒng)中的離散型函數拐點的運算方法。由于鑄造企業(yè)爐前使用的鐵水分析儀，其原理均是采用熱分析方法研制的，而熱分析的關鍵技術就是要找準鐵水冷卻過程中所呈現出來的特征溫度點，而特征點之一的液相線溫度平臺，由于直接參加C、Si成份計算，因而是非常重要的儀器參數。但由于過共晶鐵水凝固開始時因析出初生石墨所釋放的結晶潛熱較少，不足以較長時間抵銷樣杯的散熱，故液相線溫度平臺(TL)很短，而以前的熱分析儀，是用經典的平臺法尋找，平臺法對溫度平臺的要求較高，因此在較多場合都會造成測試失敗。而本發(fā)明所使用的方法是采用離散函數拐點算法進行尋找的，該方法對平臺要求相對較低，在儀器中使用后達到滿意效果，提高了熱分析儀器的實用性和可靠性，使熱分析儀器上了一個新的臺階。
【IPC分類】G01N25/00
【公開號】CN105301032
【申請?zhí)枴緾N201410266882
【發(fā)明人】徐隨山, 楊立新, 李國林
【申請人】南京華欣分析儀器制造有限公司
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2014年6月13日