陈国凡,陈清华
(安徽理工大学,淮南 232001)
松散物料导热系数的测定,目前的方案较多,笔者通过分析对比,得出以下特点:大多数测试装置体积较大,不适用于某些场合;温度测试和控制多半采用PLC加特殊模块的方式,花费昂贵且不利于集成和拓展功能;温度测点只有一个,不利于消除环境干扰的偶然误差[1~4]。
基于上述原因,我们设计了便携式测试系统,采用多分布传感器采集温度,利用单片机对数据进行处理,减小了体积,降低了成本,提高了精度。
本测试装置由:盛料桶、高精度稳压电源、加热棒、单片机系统、温度传感器和笔记本电脑组成,系统组成如图1所示,实物图如图2所示。
图1 系统组成图
图2 系统实物图
测试时,在盛料桶里放入松散物料(颗粒半径小于10mm),单片机系统先测定环境温度并传输到计算机,然后驱动高精度稳压器用加热棒对松散物料进行恒功率加热,加热过程中单片机系统实时读取三个传感器采集的温度信号,计算平均值并实时传输到计算机,计算机内使用Labview编程实现平行热线法算法将松散物料的导热系数计算并显示出来。
盛料桶用来盛放需要测定导热系数的松散物料,加热棒用来对物料进行恒功率加热,其三维图如图3所示。盛料桶由安徽理工大学实习机械厂加工。温度传感器测头到加热棒中心距离为15±1mm,符合GB10297-88规定。温度传感器型号为DS18b20,美国DALLAS公司生产,精度可达0.0625度,符合GB10297-88规定的温度误差0.1度的要求,本装置在桶内均匀布置三个测头,安放3只DS18b20温度传感器以减小测量误差提高精度。
图3 盛料桶和加热棒三维图
单片机系统由AT89S52单片机、MAX232电平转换芯片、九针串口接头、上电复位电路、晶振电路、供电USB接口等组成、电路图如图4所示。单片机系统程序流程如图5所示。
图4 单片机系统电路图
计算机操作界面通过Labview编程实现[5],可设定采样间隔时间,显示实时温度、环境温度t0、测试温度t1、测试温度t2、温度曲线图以及计算导热系数。计算机操作界面如图6所示。
上位机程序由串口通信程序和导热系数计算算法程序构成。串口通信程序如图7所示,该程序由串口设置模块、写串口模块、读串口模块、关闭串口模块、数据转换与标定模块组成,与单片机系统串口通信程序配合,形成一个串口通讯协议,实现了单片机系统和上位机间的实时数据交换。
图5 单片机系统程序流程
图6 计算机操作界面
图7 串口通信程序
上位机导热系数计算算法程序流程如图8所示,先测定环境温度,然后在60秒间隔内两次测试加热温度,再计算温差比值,查表计算指数积分,最后计算导热系数。
基于Labview软件实现了上述算法,其G语言程序如图9所示。
使用淮南矿业集团孔李煤矿松散煤样进行测试,实测热线温升数据如表1所示。
图8 程序流程图
图9 部分G语言程序
经计算其导热系数为0.14231,与文献[1]用交叉热线法的测试结果0.14319很相近,相对误差0.61%,测试结果比较满意。
1)本测试装置使用平行热线法测松散物料导热系数,系统的关键参数符合国家标准,能有效地提高测量精度。
表1 热线温升数据
2)本装置为便携式,结构紧凑,操作方便。
3)温度采集为多分布数字温度传感器,能进一步减小测量误差,提高精度。
本测试装置结构紧凑、测试精度高、操作过程简单和使用范围广泛,可用于各种非金属固体松散物料导热系数的测定。
[1] 陈清华, 张国枢, 秦汝祥, 等. 热线法同时测松散煤体导热系数及热扩散率[J]. 中国矿业大学学报, 2009, 38(3):336-340.
[2] 唐明云, 张国枢, 戴广龙, 等.热线法测定松散煤体导热系数装置改进设计[J]. 煤矿安全, 2008(7):55-57.
[3] 李建伟,葛岭梅,徐精彩. 松散煤体导热系数测定实验[J].辽宁工程技术大学学报,2004, 23(1): 4-8.
[4] SUN Ji-ping, SONG Shu. Recognition of Spontaneous Combustion in Coal Mines Based on Genetic Clustering[J].Journal of China University of Mining and Technology,2006, 16(1): 42-45.
[5] 杨乐平, 李海涛, 肖相生, 等.LabVIEW程序设计与应用[M].电子工业出版社, 2001.