全自动热量计系统的研制与开发

朱　帅

摘 要:本文综合实际需要,详细地分析热值测量的原理和方法,设计出具有较高自动化程度的自动热量计,从而提高了工作效率。

关键词:热值计 自动测量 单片机

中图分类号:TP23文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0023-01

煤作为动力燃料,主要指标之一是煤的发热量。发热量是计算热平衡、热效率和煤耗的依据,以及锅炉设计的参数。对热值的精确测量关系到能源的开采和有效利用。依照热值能确定使用燃料的多少,达到节约能源、降低生产成本的目的。随着人们对能源计量意识的提高,热量计的使用越来越被重视。应用发热量测定仪己成为普遍。为了适用于电力、煤炭、造纸、石化、水泥、农牧、医药科研、教学等行业和部门测定测量煤、石油等可燃物的热值,系统应能灵活设置以适应不同需要。

1系统功能

根据实际使用的需要,系统应达到各项技术指标: 由微机实现测量过程的自动控制,系统具有良好的可扩展性;能对仪器的各个部件进行自动测试,自动识别氧弹、自动选择热容量;实验过程中温度测量、点火、搅拌、数据处理、过程判断、结果打印、数据贮存、顶盖升降全过程自动化,并提供自诊断系统,确保仪器运行正常; 系统连入带标准通信口的电子天平后无需人工称重,能自动输入试样质量; 系统热容量的标定、弹筒发热量的计算及对于煤的不同发热量的换算,亦由计算机根据操作人员输入的各种已知含硫量或含氢量以及水分含量自动完成;系统能用于煤和油的热值测量,并设有两种测量公式:瑞方公式和奔特公式可选择。

2 热值测量系统硬件电路设计

2.1 热值测量系统原理框图

为适应系统自动测试的要求,机械系统需进行改造,新的机械系统设计示意图如图1。由2, 3,4,9构成水循环系统,其中泵、上下阀由电子电路控制完成进水、灌水和放水,而量杯4制作成特殊形状,以容积法替代称重法完成对内筒的充水过程,实测表明此法充水误差小于1g,完全满足国标要求,因而使自动充水成为可能。

2.2 热值测量系统硬件原理框图

为实现上面所述的各项功能,自动热量系统采用PC、主单片机89052和从CPU 8902051协同工作的方式,各项功能划分如图2所示。温度测量、点火丝检测与控制、风扇搅拌以及网络接口由89052实现,阀门、内筒控制和氧弹识别等由8902051完成,PC机则完成样重采样和各89052数据收集、数据处理、数据运算、存储、报表生成和硬拷贝输出。PC和两单片机之间通过CAN网络依据命令交互协调工作进程。

2.3 温度参数的测量

为实现温度测量的免调整,铂电阻测温电路采用基于基准电阻的动态校准算法,使得测量的精度仅与组成电桥的几个电阻有关。

3 热值测量系统软件设计

A/D转换器ICL7135与单片机采用中断方式连接,在中断INT0的中断服务程序中完成整个系统操作。在计算出温度值之前,必须测得温度测量电路的相关参数。因此在测量温度之前,即在预备期中单片机通过模拟开关4052接到电路的不同位置,A/D转换依次得NH、NL,并通过网络发送至PC机。在初期、主期和末期测得的Nt也发送到PC机后,由PC机的软件计算,并通过解铂电阻传感器的二次传输方程得到温度值。不论是NH、NL还是Nt,单片机都是将它们当作形式相同的数据发送至PC,PC软件根据实验正处于的不同阶段对之作不同处理。系统主程序流程如图3:

4 误差分析

微机型量热仪的定值输出及增益的恒定系统误差不会带来发热量的测量误差,但它们的稳定性会影响发热量测量精度。定值输出温漂系数、单位增益温漂系数描述了这种影响的大小。仪器传输特性的非线性对发热量测量精度的影响最大,所以在使用新的量热仪前要进行线性度检定实验,即采取不同质量的标准物质进行检定,如果测定结果的极差达到技术要求,则表明仪器的线性是好的。

根据对误差的分析,可得到提高发热量测量精度的方法:

①尽量使测量发热量时和标定热容量时的内筒起始温度相近,即二者均应与环境温度接近;②保持实验过程中的机内温度尽可能恒定;③根据试样发热量估计值,适当控制用量,使实验的温升接近于标定热容量时的温升。

5小结

传统的热量计主要依靠手工操作,实验步骤烦琐复杂,测量效率很低,因此研究微机型自动热量计具有重大的现实意义。根据实际应用要求利用现场总线(CAN总线)技术将多台自动热量计组建成分布式测试系统,由PC机作统一的控制和管理,各热量计之间相互独立,互不干扰。为使整个测量过程实现自动化、智能化,本文为此测量系统设计出了功能强大的监控软件。最后分析了运用本系统测量所产生的误差,得到了一起传输特性的非线性对发热量测量精度影响最大的结论,并就误差来源提出了若干提高测量精度的措施。

参考文献:

[1] 张萌.基于嵌入式系统的全自动热量计的设计与实现[D].中南大学,2007.

[2] 周仲康,潘娟琴,都学军.国产热量计测定煤发热量存在问题分析[J].煤质技术,2005.

[3]刘华,吴秋瑞,王硕禾,崔跃华.基于单总线技术的热量表的研制[J].微计算机信息,2005,(5).

[4] 董炜,王俊杰,杨士元.单总线测温系统[J].自动化仪表,2005.

[5] 刘晓晖,刘能一.提高自动热量计测试精度和稳定性的改进措施[J].煤质技术, 2008.

[6] 宋青林,崔铮,夏善红,陈绍凤.一种用于薄膜热容测量的微热量计的设计与制作[J].微纳电子技术, 2003.

[7] 江娟,孙蔚旻.全自动热量计在固体废物热值测定中的应用[J].分析仪器,2004.

[8] 姬建伟,宋家友.C8051F350在恒温式自动量热仪设计中的应用[J].传感器与微系统,2007.