基于USB接口的測(cè)硫儀設(shè)計(jì)

1 引 言

含硫量高的煤，供燃燒氣化或煉焦煤使用時(shí)都會(huì)帶來(lái)很大的危害。如高硫煤用作燃料時(shí)，燃燒后所產(chǎn)生的二氧化硫氣體，不僅嚴(yán)重腐蝕鍋爐管道，而且還嚴(yán)重污染大氣；在煉焦工業(yè)中，硫分的影響更大，一方面煤中硫分高，焦炭的硫分也高，從而直接影響鋼鐵的質(zhì)量，另一方面為了脫去鋼鐵中硫，就必須在高爐中加入較多的石灰石，這樣又會(huì)減少高爐的有效容量，同時(shí)增加出渣量。因此，為了有效而經(jīng)濟(jì)地利用煤炭資源，必須了解煤中硫的含量。

采用庫(kù)侖滴定法進(jìn)行煤中硫含量的測(cè)試。以碘為滴定劑，煤樣在1150℃高溫下，煤中的硫會(huì)轉(zhuǎn)化為SO2和SO3氣體；將氣體全部導(dǎo)人電解池，SO2與水反應(yīng)生成亞硫酸，將電解碘氧化而成硫酸。儀器采用雙鉑電極指示終點(diǎn)。根據(jù)電解碘過(guò)程中所耗用的電量，由法拉第定律可以計(jì)算出煤中硫的含量：

2 儀器的構(gòu)成及工作原理

儀器由PC機(jī)、智能控制器、進(jìn)樣裝置、高溫燃燒爐、電源系統(tǒng)、空氣輸送與凈化系統(tǒng)、電解池和攪拌器等部分構(gòu)成。

PC機(jī)主要完成控制參數(shù)的設(shè)置和控制指令的發(fā)送、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、溫度和電解電流變化曲線的顯示、測(cè)量結(jié)果的存儲(chǔ)與打印等功能。

智能控制器是測(cè)硫儀的關(guān)鍵部分，它可以接收PC機(jī)通過(guò)USB接口發(fā)送來(lái)的控制指令和控制參數(shù)，與電解池、硅碳管、熱電偶等共同完成高溫爐的加熱控制與溫度測(cè)量、電解的測(cè)量與控制、試樣的送達(dá)與退出等功能，并將測(cè)量過(guò)程中的電解電流和溫度的變化情況以及電量的測(cè)量結(jié)果通過(guò)USB接口發(fā)送到PC機(jī)。

高溫燃燒爐中的加熱元件采用硅碳管，并采用熱電偶測(cè)量爐溫?？諝廨斔团c凈化系統(tǒng)由電磁泵、空氣流量計(jì)、干燥管和干燥劑組成。電解池殼體用有機(jī)玻璃制成，上蓋固定一對(duì)電解電極和一對(duì)指示電極。在電解池內(nèi)放有一磁性攪拌子，在磁力攪拌器驅(qū)動(dòng)下以約500 r／min的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，保證電解池內(nèi)電解液的狀態(tài)均勻分布。

3 智能控制器的設(shè)計(jì)

智能控制器在測(cè)硫儀中處于核心地位，完成熱電偶溫度、冷端溫度、指示電極電壓、電解電流等數(shù)據(jù)的采集以及爐溫、電解電流的控制；同時(shí)還要控制測(cè)量過(guò)程中的積分時(shí)間，并將電量的積分結(jié)果通過(guò)USB接口發(fā)送到PC機(jī)。

智能控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中帶USB接口的微控制器采用CY7C68013A，該芯片內(nèi)含一個(gè)增強(qiáng)型8052內(nèi)核和16KB的RAM，可在上電時(shí)通過(guò)串行接口將存儲(chǔ)在EEPROM內(nèi)的程序自動(dòng)加載到RAM中運(yùn)行，時(shí)鐘頻率可高達(dá)48MHz；同時(shí)它還具有一個(gè)USB2.0接口，既可以與其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)串行通訊功能，還可以通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)程序的在線更新，給系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)帶來(lái)極大的方便。

3.1 電解電流控制模塊

由于在庫(kù)侖滴定法中，硫的含量是對(duì)電解電流進(jìn)行積分的結(jié)果，因此對(duì)電解電流的合理控制和精確測(cè)量尤其重要。在測(cè)硫儀中，電解電流是根據(jù)電解電極電壓的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行控制的。當(dāng)電解電極電壓超過(guò)平衡電壓時(shí)，開始啟動(dòng)電解過(guò)程；通常情況下，電解電流與電解電極電壓成正比。由于電解電極電壓波動(dòng)較大，也可對(duì)電解電流進(jìn)行分段控制。

從微處理器輸出的電解電流數(shù)據(jù)首先通過(guò)DAC0832及I-V變換電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓，然后輸入到電壓比較器的同相端；電壓比較器的反相端接采樣電阻R，構(gòu)成負(fù)反饋。當(dāng)采樣電阻R上的電壓降低于D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓時(shí)，電壓比較器的輸出為正，由場(chǎng)效應(yīng)管和三極管構(gòu)成的復(fù)合管導(dǎo)通，采樣電阻R上的電壓降增大；當(dāng)采樣電阻R上的電壓降高于D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓時(shí)，電壓比較器的輸出為負(fù)，復(fù)合管截止，采樣電阻R上的電壓降減小。由于這一過(guò)程是通過(guò)硬件自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，采樣電阻R上的電壓降波動(dòng)極小，始終與D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓保持相等。從圖1可以看出，流過(guò)采樣電阻R的電流與流過(guò)電解池的電流是相等的，因此當(dāng)采樣電阻R保持恒定時(shí)，采樣電阻R上的電壓降與電解電流成正比，從而可以通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器對(duì)電解電流進(jìn)行控制。

由于DAC0832只有8位的轉(zhuǎn)換精度，并且存在一定的非線性，為了保證儀器的精度，電解電流的值不是直接根據(jù)微處理器送給DAC0832的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而是采用12位的A／D轉(zhuǎn)換器MAX1247進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)整個(gè)積分過(guò)程采用微處理器的定時(shí)器進(jìn)行控制，從而保證了電量積分環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度。

3.2爐溫控制模塊

為了保證測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還必須對(duì)爐溫進(jìn)行精確的測(cè)量與控制。在測(cè)硫儀中，對(duì)爐溫的測(cè)量采用了熱電偶，并利用AD 590測(cè)量環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)償。

當(dāng)爐溫在1100℃以內(nèi)時(shí)，以2s為周期，采用70％占空比的PWM信號(hào)對(duì)燃燒爐進(jìn)行加溫；當(dāng)爐溫高于1 100℃時(shí)，為了避免加熱元件的頻繁通電和斷電損傷硅碳管壽命，對(duì)爐溫進(jìn)行PID控制，其比例、積分和微分系數(shù)分別為：

KP=2.45，KI=2.5，KD=1.25 (2)

在測(cè)試過(guò)程中，爐溫穩(wěn)定地保持在(1150±2)℃。

3.3數(shù)據(jù)采集模塊

在智能控制器中，需要完成電解電極電壓、電解電流、熱偶溫度、冷端溫度這4路信號(hào)的采集。采用12位串行A／D轉(zhuǎn)換器MAX1247來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，它內(nèi)含4通道模擬開關(guān)和采樣保持電路，可將4路模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給微控制器。

電解電極電壓的幅度一般在20mV～200mV之間，并且由于直接取自電解池，在送到A／D轉(zhuǎn)換器之前，先采用精密儀表放大器將其放大，再采用隔離放大器將其與電解池隔離。熱電偶的輸出電壓非常微弱，因此采用兩級(jí)精密放大器將其放大400倍后再送入A／D；AD590用于測(cè)量熱電偶的冷端溫度，需要采用10 kΩ的精密電阻將其輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后再送入A／D；A／D轉(zhuǎn)換器的最后一路輸入信號(hào)來(lái)自采樣電阻R上的電壓降(與電解電流成正比)。

4 測(cè)試結(jié)果及精度分析

采用所設(shè)計(jì)的測(cè)硫儀分別對(duì)試樣1(標(biāo)準(zhǔn)含硫量為0.88％)和試樣2(標(biāo)準(zhǔn)含硫量為4.24％)進(jìn)行了10次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

從表中可以看出，試樣1測(cè)試結(jié)果的最大誤差為0.02％，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低硫煤(含硫量在1％以下)的誤差容限(0.05％)；試樣2測(cè)試結(jié)果的最大誤差為0.05％，也低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高硫煤(含硫量在4％以上)的誤差容限(0.2％)。

5 結(jié)束語(yǔ)

庫(kù)侖法是一種常用的硫含量測(cè)量方法。在庫(kù)侖法中，硫含量根據(jù)電解電量的積分來(lái)確定。對(duì)基于USB接口的測(cè)硫儀的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)分析了儀器的數(shù)據(jù)采集模塊、電解電流控制模塊和爐溫控制模塊，并對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，儀器的測(cè)量精度達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。