基于PT1000的自动量热仪的研究与设计

李岚

摘要：目的：介绍一种基于PT1000的自动量热仪的研究与设计。方法：改变传统上下位机控制的方法，采用可编程逻辑器件，将主控制卡和人机界面两部分分开控制，采用SPI通讯方式进行数据传递，内外筒温度采集均采用高精度的温度传感器PT1000采集，试验过程中，对于初期、主期以及末期的温度采集以及C值的算法均按照试验的要求设置，试验环境采用高精度恒温系统，尽量避免由环境温差引起的误差。结果：经过瑞方法和国标法对热容量和发热量的测试，测试结果符合国家标准。结论：本设计方法可行。具有良好的推广价值。

关键词：PT1000；自动量热仪；发热量；热容量

中图分类号：TP334.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8306-02

发热量是衡量煤的质量的重要指标，也是衡量煤的计价的主要依据。我国是产煤大国，需要精密快速的量热仪来测量煤的发热量。大部分产品一般采用单片机控制或者上下位机实现的控制形式，单片机控制在现有条件下已经无法完成大数据处理，处理速度慢。而ISA插槽在计算机主板上逐渐淘汰，从而影响下一代产品的更新。PCI局部总线传输速率高、稳定性可靠，但一般都基于上下位机操作。该文采用高性价比的CPLD器件实现了嵌入式产品设计，采用PT1000实现温度采集[4][5]，在结构设计上采用自动水循环结构，保证了内筒水的自动定量与水温调节，试验过程中，对于初期、主期以及末期的温度采集以及C值的算法均按照试验的要求设置，试验环境采用高精度恒温系统，尽量避免由环境温差引起的误差。设计验证后仪器精度高，试制可行。

1 系统工作原理

1.1 自动量热仪工作原理

该文中设计的量热仪的工作原理是：称取单位质量的煤样，在氧弹中经充分燃烧，用一定质量的水去吸收其释放的热量，然后采集燃烧之前和燃烧后的水温，由PT1000测得的由温度变化而引起的对应的电信号进行采集，并对系统进行热量校正，通过A/D转换后，采用一定的数字滤波方法进行滤波处理，并用经验公式进行修正后得到[6][7][8]。

2 硬件设计

其硬件原理框图如图1所示，主要分两个部分：主板控制卡部分和人机界面卡部分。硬件平台采用CPLD器件ATF1508AS，稳定可靠，系统可调节能力强。

3 单元电路的设计

3.1 温度采集电路的设计

温度采集电路对本设计而言非常重要，对温度的采集测量是否准确对仪器的测量准确度影响非常大[9-10]，本设计采用了精度为0.0001℃的温度传感器PT1000进行温度采集，其原理图如图2。

3.2 A/D转换电路的设计

温度的测量分内桶和外桶，分两路温度采集通道，采用四通道24位A/D转换芯ADS1253对采集的信号进行A/D转换。采用ADR444BRZ作为电压基准芯片，为A/D采样提供基准电压。其原理图如图3和图4所示。

4 温度采样流程

温度采样分三个流程： 初期采样、主期采样和末期采样；初期采样主要是为了采集在点火之前的内筒温度，同时，需要知道点火时的冷却速度，在其温度均匀一致后，测得其温度值。主期采样主要是采集点火后的温度值以及点火时间点到45s后的温升。可以计算温升速度。当内筒温度出现下降时，试验进入末期。5分钟后，准确测取内筒温度。停止搅拌，结束试验。计算冷却速度，并以冷却速度代表终点时的冷却速度，作为冷却校正值的计算之用。

5 试验与测试数据分析

人机界面控制板控制主控板。人机界面给主控板发送测试参数、测试开始命令。主控板完成初期、主期、末期的采样及控制工作，计算测试数据结果，向人机界面控制板返回实时温度值、测试状态。通过试验。测得的试验数据表1所示。（检测试验数据的小数部分进行了“四舍六入五成双”处理。）

6 结论

本设计经过软硬件的设计和试验验证，各项指标都符合国家标准，试制可行。在人机界面部分，后期还可以进行触摸屏的设计探讨。

参考文献：

[1] 李英华.煤质分析应用技术指南[M].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 胡彪，孟志强，胡如龙.PCI总线技术在量热仪系统上的应用[J].仪表技术与传感器，2008（6）：40-43.

[3] 胡彪.快速量热仪的研究与设计[D].长沙：湖南大学硕士学位论文，2008.

[4] 单勇，徐广立.智能自动量热仪的应用[J].山东煤炭科技，2009（1）：59-60.

[5] 崔广润忠，李中原.微机量热仪的点火控制方式对发热量测值的影响[J].周口师范学院学报，2003（2）：26-28.

[6] 李树龙，杨海生.环境对自动量热仪测试过程中的影响分析[J].煤质技术，2012（11）.

[7] 蒋伟，赵书俊，徐航，等.基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[J].现代电子技术，2010（15）.

[8] 陆阳，韩江红.铂电阻测温系统温度补偿方法 [J].仪器仪表学报，2000（3）.

[9] 蒋伟.基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[D].郑州：郑州大学硕士论文，2010.

[10] 李平.基于单片机的恒温式自动量热仪的研究与设计[D]. 郑州：郑州大学硕士论文，2011.endprint

摘要：目的：介绍一种基于PT1000的自动量热仪的研究与设计。方法：改变传统上下位机控制的方法，采用可编程逻辑器件，将主控制卡和人机界面两部分分开控制，采用SPI通讯方式进行数据传递，内外筒温度采集均采用高精度的温度传感器PT1000采集，试验过程中，对于初期、主期以及末期的温度采集以及C值的算法均按照试验的要求设置，试验环境采用高精度恒温系统，尽量避免由环境温差引起的误差。结果：经过瑞方法和国标法对热容量和发热量的测试，测试结果符合国家标准。结论：本设计方法可行。具有良好的推广价值。

关键词：PT1000；自动量热仪；发热量；热容量

中图分类号：TP334.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8306-02

发热量是衡量煤的质量的重要指标，也是衡量煤的计价的主要依据。我国是产煤大国，需要精密快速的量热仪来测量煤的发热量。大部分产品一般采用单片机控制或者上下位机实现的控制形式，单片机控制在现有条件下已经无法完成大数据处理，处理速度慢。而ISA插槽在计算机主板上逐渐淘汰，从而影响下一代产品的更新。PCI局部总线传输速率高、稳定性可靠，但一般都基于上下位机操作。该文采用高性价比的CPLD器件实现了嵌入式产品设计，采用PT1000实现温度采集[4][5]，在结构设计上采用自动水循环结构，保证了内筒水的自动定量与水温调节，试验过程中，对于初期、主期以及末期的温度采集以及C值的算法均按照试验的要求设置，试验环境采用高精度恒温系统，尽量避免由环境温差引起的误差。设计验证后仪器精度高，试制可行。

1 系统工作原理

1.1 自动量热仪工作原理

该文中设计的量热仪的工作原理是：称取单位质量的煤样，在氧弹中经充分燃烧，用一定质量的水去吸收其释放的热量，然后采集燃烧之前和燃烧后的水温，由PT1000测得的由温度变化而引起的对应的电信号进行采集，并对系统进行热量校正，通过A/D转换后，采用一定的数字滤波方法进行滤波处理，并用经验公式进行修正后得到[6][7][8]。

2 硬件设计

其硬件原理框图如图1所示，主要分两个部分：主板控制卡部分和人机界面卡部分。硬件平台采用CPLD器件ATF1508AS，稳定可靠，系统可调节能力强。

3 单元电路的设计

3.1 温度采集电路的设计

温度采集电路对本设计而言非常重要，对温度的采集测量是否准确对仪器的测量准确度影响非常大[9-10]，本设计采用了精度为0.0001℃的温度传感器PT1000进行温度采集，其原理图如图2。

3.2 A/D转换电路的设计

温度的测量分内桶和外桶，分两路温度采集通道，采用四通道24位A/D转换芯ADS1253对采集的信号进行A/D转换。采用ADR444BRZ作为电压基准芯片，为A/D采样提供基准电压。其原理图如图3和图4所示。

4 温度采样流程

温度采样分三个流程： 初期采样、主期采样和末期采样；初期采样主要是为了采集在点火之前的内筒温度，同时，需要知道点火时的冷却速度，在其温度均匀一致后，测得其温度值。主期采样主要是采集点火后的温度值以及点火时间点到45s后的温升。可以计算温升速度。当内筒温度出现下降时，试验进入末期。5分钟后，准确测取内筒温度。停止搅拌，结束试验。计算冷却速度，并以冷却速度代表终点时的冷却速度，作为冷却校正值的计算之用。

5 试验与测试数据分析

人机界面控制板控制主控板。人机界面给主控板发送测试参数、测试开始命令。主控板完成初期、主期、末期的采样及控制工作，计算测试数据结果，向人机界面控制板返回实时温度值、测试状态。通过试验。测得的试验数据表1所示。（检测试验数据的小数部分进行了“四舍六入五成双”处理。）

6 结论

本设计经过软硬件的设计和试验验证，各项指标都符合国家标准，试制可行。在人机界面部分，后期还可以进行触摸屏的设计探讨。

参考文献：

[1] 李英华.煤质分析应用技术指南[M].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 胡彪，孟志强，胡如龙.PCI总线技术在量热仪系统上的应用[J].仪表技术与传感器，2008（6）：40-43.

[3] 胡彪.快速量热仪的研究与设计[D].长沙：湖南大学硕士学位论文，2008.

[4] 单勇，徐广立.智能自动量热仪的应用[J].山东煤炭科技，2009（1）：59-60.

[5] 崔广润忠，李中原.微机量热仪的点火控制方式对发热量测值的影响[J].周口师范学院学报，2003（2）：26-28.

[6] 李树龙，杨海生.环境对自动量热仪测试过程中的影响分析[J].煤质技术，2012（11）.

[7] 蒋伟，赵书俊，徐航，等.基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[J].现代电子技术，2010（15）.

[8] 陆阳，韩江红.铂电阻测温系统温度补偿方法 [J].仪器仪表学报，2000（3）.

[9] 蒋伟.基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[D].郑州：郑州大学硕士论文，2010.

[10] 李平.基于单片机的恒温式自动量热仪的研究与设计[D]. 郑州：郑州大学硕士论文，2011.endprint

摘要：目的：介绍一种基于PT1000的自动量热仪的研究与设计。方法：改变传统上下位机控制的方法，采用可编程逻辑器件，将主控制卡和人机界面两部分分开控制，采用SPI通讯方式进行数据传递，内外筒温度采集均采用高精度的温度传感器PT1000采集，试验过程中，对于初期、主期以及末期的温度采集以及C值的算法均按照试验的要求设置，试验环境采用高精度恒温系统，尽量避免由环境温差引起的误差。结果：经过瑞方法和国标法对热容量和发热量的测试，测试结果符合国家标准。结论：本设计方法可行。具有良好的推广价值。

关键词：PT1000；自动量热仪；发热量；热容量

中图分类号：TP334.3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8306-02

发热量是衡量煤的质量的重要指标，也是衡量煤的计价的主要依据。我国是产煤大国，需要精密快速的量热仪来测量煤的发热量。大部分产品一般采用单片机控制或者上下位机实现的控制形式，单片机控制在现有条件下已经无法完成大数据处理，处理速度慢。而ISA插槽在计算机主板上逐渐淘汰，从而影响下一代产品的更新。PCI局部总线传输速率高、稳定性可靠，但一般都基于上下位机操作。该文采用高性价比的CPLD器件实现了嵌入式产品设计，采用PT1000实现温度采集[4][5]，在结构设计上采用自动水循环结构，保证了内筒水的自动定量与水温调节，试验过程中，对于初期、主期以及末期的温度采集以及C值的算法均按照试验的要求设置，试验环境采用高精度恒温系统，尽量避免由环境温差引起的误差。设计验证后仪器精度高，试制可行。

1 系统工作原理

1.1 自动量热仪工作原理

该文中设计的量热仪的工作原理是：称取单位质量的煤样，在氧弹中经充分燃烧，用一定质量的水去吸收其释放的热量，然后采集燃烧之前和燃烧后的水温，由PT1000测得的由温度变化而引起的对应的电信号进行采集，并对系统进行热量校正，通过A/D转换后，采用一定的数字滤波方法进行滤波处理，并用经验公式进行修正后得到[6][7][8]。

2 硬件设计

其硬件原理框图如图1所示，主要分两个部分：主板控制卡部分和人机界面卡部分。硬件平台采用CPLD器件ATF1508AS，稳定可靠，系统可调节能力强。

3 单元电路的设计

3.1 温度采集电路的设计

温度采集电路对本设计而言非常重要，对温度的采集测量是否准确对仪器的测量准确度影响非常大[9-10]，本设计采用了精度为0.0001℃的温度传感器PT1000进行温度采集，其原理图如图2。

3.2 A/D转换电路的设计

温度的测量分内桶和外桶，分两路温度采集通道，采用四通道24位A/D转换芯ADS1253对采集的信号进行A/D转换。采用ADR444BRZ作为电压基准芯片，为A/D采样提供基准电压。其原理图如图3和图4所示。

4 温度采样流程

温度采样分三个流程： 初期采样、主期采样和末期采样；初期采样主要是为了采集在点火之前的内筒温度，同时，需要知道点火时的冷却速度，在其温度均匀一致后，测得其温度值。主期采样主要是采集点火后的温度值以及点火时间点到45s后的温升。可以计算温升速度。当内筒温度出现下降时，试验进入末期。5分钟后，准确测取内筒温度。停止搅拌，结束试验。计算冷却速度，并以冷却速度代表终点时的冷却速度，作为冷却校正值的计算之用。

5 试验与测试数据分析

人机界面控制板控制主控板。人机界面给主控板发送测试参数、测试开始命令。主控板完成初期、主期、末期的采样及控制工作，计算测试数据结果，向人机界面控制板返回实时温度值、测试状态。通过试验。测得的试验数据表1所示。（检测试验数据的小数部分进行了“四舍六入五成双”处理。）

6 结论

本设计经过软硬件的设计和试验验证，各项指标都符合国家标准，试制可行。在人机界面部分，后期还可以进行触摸屏的设计探讨。

参考文献：

[1] 李英华.煤质分析应用技术指南[M].北京：中国标准出版社，2009.

[2] 胡彪，孟志强，胡如龙.PCI总线技术在量热仪系统上的应用[J].仪表技术与传感器，2008（6）：40-43.

[3] 胡彪.快速量热仪的研究与设计[D].长沙：湖南大学硕士学位论文，2008.

[4] 单勇，徐广立.智能自动量热仪的应用[J].山东煤炭科技，2009（1）：59-60.

[5] 崔广润忠，李中原.微机量热仪的点火控制方式对发热量测值的影响[J].周口师范学院学报，2003（2）：26-28.

[6] 李树龙，杨海生.环境对自动量热仪测试过程中的影响分析[J].煤质技术，2012（11）.

[7] 蒋伟，赵书俊，徐航，等.基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[J].现代电子技术，2010（15）.

[8] 陆阳，韩江红.铂电阻测温系统温度补偿方法 [J].仪器仪表学报，2000（3）.

[9] 蒋伟.基于S3C2410的恒温式自动量热仪的设计[D].郑州：郑州大学硕士论文，2010.

[10] 李平.基于单片机的恒温式自动量热仪的研究与设计[D]. 郑州：郑州大学硕士论文，2011.endprint