快速水分測試儀的研究與設計

劉 歡，鄧 婷

（湖南科技職業技術學院 湖南 長沙 410004）

快速水分測試儀的研究與設計

劉 歡，鄧 婷

（湖南科技職業技術學院 湖南 長沙 410004）

水分是一項重要的煤質指標，它在煤的基礎理論研究和加工利用中都具有重要的作用，水分測試大部分采用紅外加熱管加熱或者采用鼓風干燥箱來測量，升溫速率低，通氮方式單一，當前為了提高升溫速率，設計中采用光波加熱的方式越來越多，取得了較好的效果，但是在處理時間上依然較長，容易受到環境的影響，本文在此研究的基礎上，將加熱方式改為光波+微波加熱的方式，大大提高了升溫速率，減小了由于環境對測試結果的影響。通過對改進設計而成的快速水分儀進行分析水分精密度試驗、分析水分準確度實驗，測試結果符合國家標準，試制可行。

快速水分儀；煤質分析；光波加熱；微波加熱

水分是一項重要的煤質指標，它在煤的基礎理論研究和加工利用中都具有重要的作用。在煤炭貿易上，煤的水分是一個重要的計質和計量指標。在煤質分析中，煤的水分是進行不同基的煤質分析結果換算的基礎數據。

水分測試大部分采用紅外加熱管加熱或者采用鼓風干燥箱來測量，升溫速率低，通氮方式單一，近年來，為了提高升溫速率，設計中采用光波加熱的方式越來越多，取得了較好的效果[1-3]，但是在處理時間上依然較長，容易受到環境的影響，文中在此研究的基礎上，將加熱方式改為光波+微波加熱的方式，大大提高了升溫速率，減小了由于環境對測試結果的影響[4-7]。通過對改進設計而成的快速水分儀進行分析水分精密度試驗、分析水分準確度實驗驗證。

1 測試系統的工作原理

稱取一定量的煤樣，置于加熱爐內，煤中水分子在熱能的作用下，使水分迅速蒸發，根據煤樣干燥后的質量損失計算全水分或分析基水分[8-10]。

2 儀器的硬件系統設計

2.1 硬件整體框圖設計

整個硬件系統包括以下主要模塊：單片機控制模塊、光波+微波加熱管加熱模塊、熱電偶測溫模塊、AD采樣模塊、超溫、斷偶硬件保護模塊、通氮氣模塊、電源模塊等[11-12]。其硬件框圖如圖1所示。2.2 主要硬件電路模塊設計

圖1 儀器硬件設計整體框圖

2.2.1 熱電偶測溫模塊

采用K型熱電偶測溫 （考慮采用防損效果好的鎧裝熱電偶），前級放大器采用AD620運算放大器，放大器的放大倍數取50.4倍。冷端溫度由測溫芯片LM75A測得[13-15]。熱電偶測溫模塊原理圖如圖2所示。

2.2.2 A-D采樣模塊

A-D采樣芯片采用ADS1110A0IDBVT，該芯片價格較低，體積小，外圍元器件少，精度高（16位）。電路原理圖如圖3所示。

圖2 熱電偶測溫模塊原理圖

圖3 AD采樣模塊

2.2.3 光波加熱管控制電路與硬件超溫保護

采用2根加熱管，每根加熱管1.25 kW。單片機輸出調制波到可控硅進行加熱管功率調節。加熱管連接示意圖如圖4所示，2根加熱管并聯之后與可控硅串聯連接，同時與超溫、斷偶硬件保護繼電器串聯，再通過開關和保險絲接入AC220V電網中 （其中的1根加熱管與1個繼電器串聯連接，能單獨斷開自身電源）。

采用2根加熱管可能有利于較細的溫度控制，如果采用1根2.5 kW的加熱管能夠達到同樣的效果，將考慮只用1根加熱管。為了防止溫度過沖，在電路設計中增加了硬件超溫保護電路。硬件超溫保護電路如圖5所示。

圖4 加熱管連接示意圖

圖5 硬件超溫保護電路

3 儀器的軟件系統設計

儀器的軟件系統設計由CAN通訊、實驗模塊、

溫度模塊、AD轉換、異常檢測幾個部分組成。CAN通訊完成與上、下位機的數據交換，實驗模塊自主的完成整個實驗所需要執行的部件和相關的數據采集、監測，溫度模塊則主要是通過查表方式計算和校正溫度、同時通過PID算法實現控溫。AD轉換模塊則由單片機自動處理此過程，軟件只需對相關寄存器作相應配置；異常檢測模塊則是程序主循環中定時對系統相關狀態進行判斷，如出現異常則上傳異常信息，同時鎖定相應的動作部件直到故障解除，其溫度模塊和AD模塊設計流程圖分別如圖6和如圖7所示。

圖6 溫度模塊流程圖

圖7 AD模塊流程圖

4 試 驗

通過軟硬件設計，對本光波水分測試器儀進行分析水空氣干燥法精密度試驗、分析水空氣干燥法準確度實驗、分析水通氮干燥法精密度實驗、分析水通氮干燥法準確度實驗驗證，其試驗數據如下。

4.1 分析水分精密度實驗

實驗條件：單次加熱4 s中途停止2 s加熱時間：第一次300 s，第二次250 s，第三次250 s，遞增250 s恒溫點：80℃ ，測試數據如表1所示。

4.2 分析水分準確度實驗

實驗條件：單次加熱4 s中途停止2 s加熱時間：第一次300 s，第二次250 s，第三次250 s，遞增250 s恒溫點：80℃ 測試數據如表2所示。

表1 分析水分精密度實驗數據表

表2 分析水分準確度實驗數據表

5 結 論

文中設計的光波水分測試儀測試整盤同種樣品的精密度符合國標要求，無系統偏差。分別選擇高、中、低水分煤試樣進行實驗，本光波水分測試儀測試分析水分的實驗結果與紅外加熱管加熱的水分儀相比具有效率更高的特點，測試結果均符合國標要求。

[1]陳棣湘，唐鶯，潘孟春.高精度智能定硫儀的設計[J].儀器儀表學報，2008，29（6）：1307-1309.

[2]束慧，陳衛兵.智能定硫儀的設計[J].儀表技術，2005（4）:41-42.

[3]陳冬梅.紅外定硫儀測量信號的處理方法[J].儀表技術，2004（3）:39-40.

[4]栗紅生.基于P89C668單片機的智能定硫儀系統設計[J].微計算機與信息，2012，28（4）：38-41.

[5]張明榮，劉發友，王德龍，等.簡易紅外定硫儀的研究與應用[J].山東冶金，2002，21（10）:8-10.

[6]栗紅生.快速智能定硫儀系統淺析[J].中國儀器儀表，2004（11）:25-27.

[7]毛文.對智能定硫儀測試的一種方法[J].中國計量2002，10（6）:50-51.

[8]王宇.葉家瑋.謝振東.交通流仿真系統軟件設計

Research and design of fast moisture tester

LIU Huan，DENG Ting
（Hunan Vocational College of Technology，Changsha 410004，China）

Water is an important quality index，it has an important role in the study of basic theory and processing of coal utilization in water testing，most of the infrared heating tube heating or drying box to measure，low heating rates，nitrogen through a single mode，in recent years，as the increasing of heating rate，the light wave heating more and more design，achieved good results，but in the processing time is still long，easily influenced by environment，based on this study，the heating methods to the wave and microwave heating method，greatly improving the heating rate，reduces the environmental impact on the test results.Analysis of precision test analysis of water，water accuracy experiments，results in line with national standard test，trial production feasible.

rapid moisture meter；quality analysis；wave heating；microwave heating

TN21

：A

：1674－6236（2017）01-0132-04

2016-01-10稿件編號：201601062

劉 歡（1981—），女，遼寧錦州人，碩士，講師。研究方向：電氣自動化，工業機器人技術。