智能化微機(jī)型熱值測(cè)量計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言　　

煤作為動(dòng)力燃料,主要指標(biāo)之一是煤的發(fā)熱量。發(fā)熱量是計(jì)算熱平衡、熱效率和煤耗的依據(jù),以及鍋爐設(shè)計(jì)的參數(shù)。對(duì)熱值的精確測(cè)量關(guān)系到能源的開采和有效利用。依照熱值能確定使用燃料的多少,達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。隨著人們對(duì)能源計(jì)量意識(shí)的提高,熱量計(jì)的使用越來(lái)越被重視。應(yīng)用發(fā)熱量測(cè)定儀己成為普遍。為了適用于電力、煤炭、造紙、石化、水泥、農(nóng)牧、醫(yī)藥科研、教學(xué)等行業(yè)和部門測(cè)定測(cè)量煤、石油等可燃物的熱值,系統(tǒng)應(yīng)能靈活設(shè)置以適應(yīng)不同需要。

2 系統(tǒng)功能　　

根據(jù)實(shí)際使用的需要,系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到下列各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo): 　　

1. 由微機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)控制,系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性; 　　

2. 能對(duì)儀器的各個(gè)部件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,自動(dòng)識(shí)別氧彈、自動(dòng)選擇熱容量; 　　

3. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度測(cè)量、點(diǎn)火、攪拌、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程判斷、結(jié)果打印、數(shù)據(jù)貯存、頂蓋升降全過(guò)程自動(dòng)化,并提供自診斷系統(tǒng),確保儀器運(yùn)行正常; 　　

4. 系統(tǒng)連入帶標(biāo)準(zhǔn)通信口的電子天平后無(wú)需人工稱重,能自動(dòng)輸入試樣質(zhì)量; 　　

5. 系統(tǒng)熱容量的標(biāo)定、彈筒發(fā)熱量的計(jì)算及對(duì)于煤的不同基發(fā)熱量的換算亦由計(jì)算機(jī)根據(jù)操作人員輸入的各種已知含硫量或含氫量以及水分含量自動(dòng)完成; 　　

6. 系統(tǒng)能用于煤和油的熱值測(cè)量,并設(shè)有兩種測(cè)量公式:瑞方公式和奔特公式可選擇。

3 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)　　

3.1 熱值測(cè)量系統(tǒng)原理框圖 　　

為適應(yīng)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試的要求,機(jī)械系統(tǒng)需進(jìn)行改造,新的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖如圖1。由2, 3, 4. 9構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng),其中泵、上下閥由電子電路控制完成進(jìn)水、灌水和放水,而量杯4制作成特殊形狀,以容積法替代稱重法完成對(duì)內(nèi)筒的充水過(guò)程,實(shí)測(cè)表明此法充水誤差小于1g,完全滿足國(guó)標(biāo)要求,因而使自動(dòng)充水成為可能。 [align=center]
圖1 熱值測(cè)量系統(tǒng)原理框圖 1.外筒 2.泵 3.上閥 4.量杯 5.溫度傳感器 6.攪拌器 7.內(nèi)筒 8.氧彈 9.下閥[/align] 　　3.2 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖 　　

為實(shí)現(xiàn)上面所述的各項(xiàng)功能,自動(dòng)熱量系統(tǒng)采用PC、主單片機(jī)89052和從CPU 8902051協(xié)同工作的方式,各項(xiàng)功能劃分如圖2所示。溫度測(cè)量、點(diǎn)火絲檢測(cè)與控制、風(fēng)扇攪拌以及網(wǎng)絡(luò)接口由89052實(shí)現(xiàn),閥門、內(nèi)筒控制和氧彈識(shí)別等由8902051完成,PC機(jī)則完成樣重采樣和各89052數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)、報(bào)表生成和硬拷貝輸出。PC和兩單片機(jī)之間通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)依據(jù)命令交互協(xié)調(diào)工作進(jìn)程。


圖2 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖　

3.3 溫度參數(shù)的測(cè)量 　　

為實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的免調(diào)整,鉑電阻測(cè)溫電路采用基于基準(zhǔn)電阻的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)算法,使得測(cè)量的精度僅與組成電橋的幾個(gè)電阻有關(guān)。 　　

3.3.1 溫度測(cè)量電路的原理 　　

鉑電阻測(cè)溫電路如圖3所示,橋路從左至右依次為測(cè)量支路、校準(zhǔn)支路和電平偏移支路（參考支路）.其中R1和Rt組成測(cè)量支路,R0, RK、RL構(gòu)成校準(zhǔn)支路,R3和R4構(gòu)成參考支路。Rt為鉑電阻傳感器,RL為量程低端校準(zhǔn)電阻,RK為量程高端校準(zhǔn)電阻,R0、R1、RK、RL采用精密線繞電阻。鉑電阻傳感器采用4線接法,以降低環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)連接線引起的測(cè)量誤差,r0、r1、r2、r3為傳感器的輸入連接線電阻。A為放大器,ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖3 鉑電阻測(cè)溫電路　

3.3.2 測(cè)量支路 　　

測(cè)量電路中多路開關(guān)S的切換由雙4選1模擬開關(guān)4052（內(nèi)部的兩個(gè)模擬開關(guān)是電絕緣的,完全獨(dú)立）實(shí)現(xiàn),4052的輸出直接接至放大器的輸入端。4052的Y0, Y1, Y3都接到電橋的參考支路上,則當(dāng)4052接通X0時(shí),輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是NL;當(dāng)4052接通X1時(shí),輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是NH;當(dāng)4052接至X3時(shí),輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是Nt。X2這一通道留作點(diǎn)火絲檢測(cè)使用。 　　

測(cè)量支路（既4052的X3通道）串接電阻IR5后通過(guò)電容IC5接到地,目的是消除測(cè)量時(shí)引入的噪聲。 　　

3.3.3 測(cè)量放大器 　　

溫度測(cè)量電路中放大器采用美國(guó)AD公司的精密單片集成測(cè)量放大器AD620。AD620是根據(jù)典型的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)改進(jìn)而成的一種單片儀表放大器,是一種完整的差分或減法放大系統(tǒng),由于對(duì)內(nèi)部匹配電阻進(jìn)行了精密激光修整,所以具有優(yōu)良的線性度和共模抑制。它僅用一只外接電阻設(shè)置增益,范圍為2～1000單位增益無(wú)需外接電阻。 　　

3.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器 　　

溫度測(cè)量電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)Intersil公司的ICL7135。ICL7135為全MOS工藝4位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。在單極性基準(zhǔn)電壓（VR=+1V ）供給之下,能對(duì)雙極性輸入的模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并自動(dòng)輸出極性判別信號(hào)和自動(dòng)量程控制信號(hào)。它采用了自校零技術(shù),可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定,零點(diǎn)的溫度系數(shù)<2μV/℃,模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào),輸入阻抗極高,輸入零點(diǎn)漏電流<10pA。采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式,一次A/D轉(zhuǎn)換完畢其數(shù)據(jù)輸出選通脈沖輸出端（STB）輸出5個(gè)負(fù)脈沖,分別選通高位到低位的BCD碼數(shù)據(jù)輸出。 　　

3.4 系統(tǒng)檢測(cè)與控制模塊 　　

點(diǎn)火絲檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)連入電路的點(diǎn)火絲的電阻大小。當(dāng)點(diǎn)火絲短路時(shí),電阻值很小,斷路時(shí)阻值較大,正常時(shí)電阻值介于兩種情況之間。閥門的位置檢測(cè)采用發(fā)光二極管和光敏三極管組成的光電檢測(cè)電路。閥門和桶蓋的開關(guān)使用可逆減速電機(jī)控制,點(diǎn)火、攪拌和風(fēng)扇的接通由雙向可控硅控制。 　　

3.5 網(wǎng)絡(luò)接口模塊 　　

由于系統(tǒng)要求有一定的實(shí)時(shí)性和較復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力,因此依靠網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)行處理將是適宜的?？刂凭钟蚓W(wǎng)CAN是一種具有多主通信能力的現(xiàn)場(chǎng)總線,且其傳送的信息采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,差錯(cuò)率低,能很好地滿足系統(tǒng)的要求。因此本系統(tǒng)采用CAN總線搭建分布式的自動(dòng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。每一臺(tái)熱量計(jì)通過(guò)SJA1000和82C250連接到總線,PC機(jī)則通過(guò)RS232-CAN外置轉(zhuǎn)換卡連接至總線上。 　　

3.6 數(shù)據(jù)處理模塊 　　

數(shù)據(jù)處理模塊主要由PC機(jī)監(jiān)控軟件組成,數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線由熱量計(jì)經(jīng)RS232-CAN外置轉(zhuǎn)換卡傳送到PC。監(jiān)控軟件采用多線程方式時(shí)刻監(jiān)視串口,一旦接收到數(shù)據(jù),就利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)在軟件的操作界面上以實(shí)時(shí)曲線的形式動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并用動(dòng)畫表示實(shí)驗(yàn)正處于的實(shí)驗(yàn)階段。數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是:操作串口收發(fā)命令與數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置（包括算法選擇）、熱值計(jì)算、繪制溫度曲線、動(dòng)畫顯示實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印輸出等。

4 熱值測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　

A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135與單片機(jī)采用中斷方式連接,在中斷INT0的中斷服務(wù)程序中完成整個(gè)系統(tǒng)操作。在計(jì)算出溫度值之前,必須測(cè)得溫度測(cè)量電路的相關(guān)參數(shù)。因此在測(cè)量溫度之前,即在預(yù)備期中單片機(jī)通過(guò)模擬開關(guān)4052接到電路的不同位置,A/D轉(zhuǎn)換依次得NH、NL,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至PC機(jī)。在初期、主期和末期測(cè)得的Nt也發(fā)送到PC機(jī)后,由PC機(jī)的軟件計(jì)算,并通過(guò)解鉑電阻傳感器的二次傳輸方程得到溫度值。不論是NH、NL還是Nt,單片機(jī)都是將它們當(dāng)作形式相同的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC,PC軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)正處于的不同階段對(duì)之作不同處理。系統(tǒng)主程序流程如圖4

圖4 單片機(jī)主程序流程

5 誤差分析　　

微機(jī)型量熱儀的定值輸出及增益的恒定系統(tǒng)誤差不會(huì)帶來(lái)發(fā)熱量的測(cè)量誤差,但它們的穩(wěn)定性會(huì)影響發(fā)熱量測(cè)量精度。定值輸出溫漂系數(shù)、單位增益溫漂系數(shù)描述了這種影響的大小。儀器傳輸特性的非線性對(duì)發(fā)熱量測(cè)量精度的影響最大,所以在使用新的量熱儀前要進(jìn)行線性度檢定實(shí)驗(yàn),即采取不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢定,如果測(cè)定結(jié)果的極差達(dá)到技術(shù)要求,則表明儀器的線性是好的。 　　

根據(jù)對(duì)誤差的分析,可得到提高發(fā)熱量測(cè)量精度的方法: 　　

（1） 盡量使測(cè)量發(fā)熱量時(shí)和標(biāo)定熱容量時(shí)的內(nèi)筒起始溫度相近,即二者均應(yīng)與環(huán)境溫度接近; 　　

（2） 保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的機(jī)內(nèi)溫度盡可能恒定: 　　

（3） 根據(jù)試樣發(fā)熱量估計(jì)值,適當(dāng)控制用量,使實(shí)驗(yàn)的溫升接近于標(biāo)定熱容量時(shí)的溫升。

6 小結(jié)與本文創(chuàng)新點(diǎn)　　

本文由此實(shí)際需要出發(fā),詳細(xì)地分析熱值測(cè)量的原理和方法,設(shè)計(jì)出具有較高自動(dòng)化程度的自動(dòng)熱量計(jì),從而大大地提高了工作效率。并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求利用現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN總線）技術(shù)將多臺(tái)自動(dòng)熱量計(jì)組建成分布式測(cè)試系統(tǒng),由PC機(jī)作統(tǒng)一的控制和管理,各熱量計(jì)之間相互獨(dú)立,互不干擾。為使整個(gè)測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化,本文為此測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了功能強(qiáng)大的監(jiān)控軟件。最后分析了運(yùn)用本系統(tǒng)測(cè)量所產(chǎn)生的誤差,得到了一起傳輸特性的非線性對(duì)發(fā)熱量測(cè)量精度影響最大的結(jié)論,并就誤差來(lái)源提出了若干提高測(cè)量精度的措施。