智能微機(jī)型熱值測量計系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
　　煤作為動力燃料,主要指標(biāo)之一是煤的發(fā)熱量。發(fā)熱量是計算熱平衡、熱效率和煤耗的依據(jù),以及鍋爐設(shè)計的參數(shù)。對熱值的精確測量關(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。隨著人們對能源計量意識的提高,熱量計的使用越來越被重視。應(yīng)用發(fā)熱量測定儀己成為普遍。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)和部門測定測量煤、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)實際使用的需要,系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到下列各項技術(shù)指標(biāo):
　　1. 由微機(jī)實現(xiàn)測量過程的自動控制,系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性;
　　2. 能對儀器的各個部件進(jìn)行自動測試,自動識別氧彈、自動選擇熱容量;
　　3. 實驗過程中溫度測量、點火、攪拌、數(shù)據(jù)處理、過程判斷、結(jié)果打印、數(shù)據(jù)貯存、頂蓋升降全過程自動化,并提供自診斷系統(tǒng),確保儀器運行正常;
　　4. 系統(tǒng)連入帶標(biāo)準(zhǔn)通信口的電子天平后無需人工稱重,能自動輸入試樣質(zhì)量;
　　5. 系統(tǒng)熱容量的標(biāo)定、彈筒發(fā)熱量的計算及對于煤的不同基發(fā)熱量的換算亦由計算機(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完成;
　　6. 系統(tǒng)能用于煤和油的熱值測量,并設(shè)有兩種測量公式:瑞方公式和奔特公式可選擇。

3 熱值測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 　　
3.1 熱值測量系統(tǒng)原理框圖
　　為適應(yīng)系統(tǒng)自動測試的要求,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內(nèi)筒的充水過程,實測表明此法充水誤差小于1g,完全滿足國標(biāo)要求,因而使自動充水成為可能。

圖1 熱值測量系統(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
3.2 熱值測量系統(tǒng)硬件原理框圖
　　為實現(xiàn)上面所述的各項功能,自動熱量系統(tǒng)采用PC、主單片機(jī)89052和從CPU 8902051協(xié)同工作的方式,各項功能劃分如圖2所示。溫度測量、點火絲檢測與控制、風(fēng)扇攪拌以及網(wǎng)絡(luò)接口由89052實現(xiàn),閥門、內(nèi)筒控制和氧彈識別等由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)運算、存儲、報表生成和硬拷貝輸出。PC和兩單片機(jī)之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)依據(jù)命令交互協(xié)調(diào)工作進(jìn)程。

圖2 熱值測量系統(tǒng)硬件原理框圖
 
3.3 溫度參數(shù)的測量
　　為實現(xiàn)溫度測量的免調(diào)整,鉑電阻測溫電路采用基于基準(zhǔn)電阻的動態(tài)校準(zhǔn)算法,使得測量的精度僅與組成電橋的幾個電阻有關(guān)。
3.3.1 溫度測量電路的原理
　　鉑電阻測溫電路如圖3所示,橋路從左至右依次為測量支路、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)生變化時連接線引起的測量誤差,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 鉑電阻測溫電路
 
3.3.2 測量支路
　　測量電路中多路開關(guān)S的切換由雙4選1模擬開關(guān)4052（內(nèi)部的兩個模擬開關(guān)是電絕緣的,完全獨立）實現(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,輸出電壓對應(yīng)的數(shù)字量是NL;當(dāng)4052接通X1時,輸出電壓對應(yīng)的數(shù)字量是NH;當(dāng)4052接至X3時,輸出電壓對應(yīng)的數(shù)字量是Nt。X2這一通道留作點火絲檢測使用。
　　測量支路（既4052的X3通道）串接電阻IR5后通過電容IC5接到地,目的是消除測量時引入的噪聲。
3.3.3 測量放大器
　　溫度測量電路中放大器采用美國AD公司的精密單片集成測量放大器AD620。AD620是根據(jù)典型的三運放結(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單位增益無需外接電阻。
3.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器
　　溫度測量電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國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,能對雙極性輸入的模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并自動輸出極性判別信號和自動量程控制信號。它采用了自校零技術(shù),可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定,零點的溫度系數(shù)<2μV/℃,模擬輸入可以是差動信號,輸入阻抗極高,輸入零點漏電流<10pA。采用字位動態(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)檢測與控制模塊
　　點火絲檢測的實質(zhì)是檢測連入電路的點火絲的電阻大小。當(dāng)點火絲短路時,電阻值很小,斷路時阻值較大,正常時電阻值介于兩種情況之間。閥門的位置檢測采用發(fā)光二極管和光敏三極管組成的光電檢測電路。閥門和桶蓋的開關(guān)使用可逆減速電機(jī)控制,點火、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)要求有一定的實時性和較復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力,因此依靠網(wǎng)絡(luò)將實驗數(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)場總線,且其傳送的信息采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時間短,差錯率低,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測試網(wǎng)絡(luò)。每一臺熱量計通過SJA1000和82C250連接到總線,PC機(jī)則通過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CAN總線由熱量計經(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)行計算。同時在軟件的操作界面上以實時曲線的形式動態(tài)顯示實驗數(shù)據(jù),并用動畫表示實驗正處于的實驗階段。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)、實驗參數(shù)設(shè)置（包括算法選擇）、熱值計算、繪制溫度曲線、動畫顯示實驗進(jìn)程、實驗數(shù)據(jù)管理、曲線和實驗結(jié)果的打印輸出等。

4 熱值測量系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　
      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)程序中完成整個系統(tǒng)操作。在計算出溫度值之前,必須測得溫度測量電路的相關(guān)參數(shù)。因此在測量溫度之前,即在預(yù)備期中單片機(jī)通過模擬開關(guān)4052接到電路的不同位置,A/D轉(zhuǎn)換依次得NH、NL,并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至PC機(jī)。在初期、主期和末期測得的Nt也發(fā)送到PC機(jī)后,由PC機(jī)的軟件計算,并通過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)實驗正處于的不同階段對之作不同處理。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)誤差不會帶來發(fā)熱量的測量誤差,但它們的穩(wěn)定性會影響發(fā)熱量測量精度。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發(fā)熱量測量精度的影響最大,所以在使用新的量熱儀前要進(jìn)行線性度檢定實驗,即采取不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢定,如果測定結(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)對誤差的分析,可得到提高發(fā)熱量測量精度的方法:
　?。?） 盡量使測量發(fā)熱量時和標(biāo)定熱容量時的內(nèi)筒起始溫度相近,即二者均應(yīng)與環(huán)境溫度接近;
　　（2） 保持實驗過程中的機(jī)內(nèi)溫度盡可能恒定:
　?。?） 根據(jù)試樣發(fā)熱量估計值,適當(dāng)控制用量,使實驗的溫升接近于標(biāo)定熱容量時的溫升。

6 小結(jié)與本文創(chuàng)新點
　　本文由此實際需要出發(fā),詳細(xì)地分析熱值測量的原理和方法,設(shè)計出具有較高自動化程度的自動熱量計,從而大大地提高了工作效率。并且根據(jù)實際應(yīng)用要求利用現(xiàn)場總線（CAN總線）技術(shù)將多臺自動熱量計組建成分布式測試系統(tǒng),由PC機(jī)作統(tǒng)一的控制和管理,各熱量計之間相互獨立,互不干擾。為使整個測量過程實現(xiàn)自動化、智能化,本文為此測量系統(tǒng)設(shè)計出了功能強(qiáng)大的監(jiān)控軟件。最后分析了運用本系統(tǒng)測量所產(chǎn)生的誤差,得到了一起傳輸特性的非線性對發(fā)熱量測量精度影響最大的結(jié)論,并就誤差來源提出了若干提高測量精度的措施。