全自動(dòng)熱量計(jì)系統(tǒng)的研制與開發(fā)

朱　帥

摘 要:本文綜合實(shí)際需要,詳細(xì)地分析熱值測(cè)量的原理和方法,設(shè)計(jì)出具有較高自動(dòng)化程度的自動(dòng)熱量計(jì),從而提高了工作效率。

關(guān)鍵詞:熱值計(jì) 自動(dòng)測(cè)量 單片機(jī)

中圖分類號(hào):TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)03-0023-01

煤作為動(dòng)力燃料,主要指標(biāo)之一是煤的發(fā)熱量。發(fā)熱量是計(jì)算熱平衡、熱效率和煤耗的依據(jù),以及鍋爐設(shè)計(jì)的參數(shù)。對(duì)熱值的精確測(cè)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(duì)能源計(jì)量意識(shí)的提高,熱量計(jì)的使用越來越被重視。應(yīng)用發(fā)熱量測(cè)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(cè)定測(cè)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。

1系統(tǒng)功能

根據(jù)實(shí)際使用的需要,系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo): 由微機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的自動(dòng)控制,系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性;能對(duì)儀器的各個(gè)部件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,自動(dòng)識(shí)別氧彈、自動(dòng)選擇熱容量;實(shí)驗(yàn)過程中溫度測(cè)量、點(diǎn)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(dòng)化,并提供自診斷系統(tǒng),確保儀器運(yùn)行正常; 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(dòng)輸入試樣質(zhì)量; 系統(tǒng)熱容量的標(biāo)定、彈筒發(fā)熱量的計(jì)算及對(duì)于煤的不同發(fā)熱量的換算,亦由計(jì)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(dòng)完成;系統(tǒng)能用于煤和油的熱值測(cè)量,并設(shè)有兩種測(cè)量公式:瑞方公式和奔特公式可選擇。

2 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 熱值測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

為適應(yīng)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)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(jì)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(duì)內(nèi)筒的充水過程,實(shí)測(cè)表明此法充水誤差小于1g,完全滿足國(guó)標(biāo)要求,因而使自動(dòng)充水成為可能。

2.2 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖

為實(shí)現(xiàn)上面所述的各項(xiàng)功能,自動(dòng)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(xiàng)功能劃分如圖2所示。溫度測(cè)量、點(diǎn)火絲檢測(cè)與控制、風(fēng)扇攪拌以及網(wǎng)絡(luò)接口由89052實(shí)現(xiàn),閥門、內(nèi)筒控制和氧彈識(shí)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(yùn)算、存儲(chǔ)、報(bào)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。

2.3 溫度參數(shù)的測(cè)量

為實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的免調(diào)整,鉑電阻測(cè)溫電路采用基于基準(zhǔn)電阻的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)算法,使得測(cè)量的精度僅與組成電橋的幾個(gè)電阻有關(guān)。

3 熱值測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(gè)系統(tǒng)操作。在計(jì)算出溫度值之前,必須測(cè)得溫度測(cè)量電路的相關(guān)參數(shù)。因此在測(cè)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(cè)得的Nt也發(fā)送到PC機(jī)后,由PC機(jī)的軟件計(jì)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(shí)驗(yàn)正處于的不同階段對(duì)之作不同處理。系統(tǒng)主程序流程如圖3:

4 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(huì)帶來發(fā)熱量的測(cè)量誤差,但它們的穩(wěn)定性會(huì)影響發(fā)熱量測(cè)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(duì)發(fā)熱量測(cè)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(shí)驗(yàn),即采取不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢定,如果測(cè)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(duì)誤差的分析,可得到提高發(fā)熱量測(cè)量精度的方法:

①盡量使測(cè)量發(fā)熱量時(shí)和標(biāo)定熱容量時(shí)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(shí)驗(yàn)過程中的機(jī)內(nèi)溫度盡可能恒定;③根據(jù)試樣發(fā)熱量估計(jì)值,適當(dāng)控制用量,使實(shí)驗(yàn)的溫升接近于標(biāo)定熱容量時(shí)的溫升。

5小結(jié)

傳統(tǒng)的熱量計(jì)主要依靠手工操作,實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣復(fù)雜,測(cè)量效率很低,因此研究微機(jī)型自動(dòng)熱量計(jì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求利用現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN總線)技術(shù)將多臺(tái)自動(dòng)熱量計(jì)組建成分布式測(cè)試系統(tǒng),由PC機(jī)作統(tǒng)一的控制和管理,各熱量計(jì)之間相互獨(dú)立,互不干擾。為使整個(gè)測(cè)量過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化,本文為此測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了功能強(qiáng)大的監(jiān)控軟件。最后分析了運(yùn)用本系統(tǒng)測(cè)量所產(chǎn)生的誤差,得到了一起傳輸特性的非線性對(duì)發(fā)熱量測(cè)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(cè)量精度的措施。

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