松散物料導(dǎo)熱系數(shù)便攜式測(cè)試系統(tǒng)

陳國(guó)凡，陳清華

（安徽理工大學(xué)，淮南 232001）

0 引言

松散物料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，目前的方案較多，筆者通過分析對(duì)比，得出以下特點(diǎn)：大多數(shù)測(cè)試裝置體積較大，不適用于某些場(chǎng)合；溫度測(cè)試和控制多半采用PLC加特殊模塊的方式，花費(fèi)昂貴且不利于集成和拓展功能；溫度測(cè)點(diǎn)只有一個(gè)，不利于消除環(huán)境干擾的偶然誤差[1～4]。

基于上述原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了便攜式測(cè)試系統(tǒng)，采用多分布傳感器采集溫度，利用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減小了體積，降低了成本，提高了精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)試過程簡(jiǎn)介

本測(cè)試裝置由：盛料桶、高精度穩(wěn)壓電源、加熱棒、單片機(jī)系統(tǒng)、溫度傳感器和筆記本電腦組成，系統(tǒng)組成如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

測(cè)試時(shí)，在盛料桶里放入松散物料（顆粒半徑小于10mm），單片機(jī)系統(tǒng)先測(cè)定環(huán)境溫度并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，然后驅(qū)動(dòng)高精度穩(wěn)壓器用加熱棒對(duì)松散物料進(jìn)行恒功率加熱，加熱過程中單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取三個(gè)傳感器采集的溫度信號(hào)，計(jì)算平均值并實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)使用Labview編程實(shí)現(xiàn)平行熱線法算法將松散物料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算并顯示出來。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 盛料桶和加熱棒

盛料桶用來盛放需要測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)的松散物料，加熱棒用來對(duì)物料進(jìn)行恒功率加熱，其三維圖如圖3所示。盛料桶由安徽理工大學(xué)實(shí)習(xí)機(jī)械廠加工。溫度傳感器測(cè)頭到加熱棒中心距離為15±1mm，符合GB10297-88規(guī)定。溫度傳感器型號(hào)為DS18b20，美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)，精度可達(dá)0.0625度，符合GB10297-88規(guī)定的溫度誤差0.1度的要求，本裝置在桶內(nèi)均勻布置三個(gè)測(cè)頭，安放3只DS18b20溫度傳感器以減小測(cè)量誤差提高精度。

圖3 盛料桶和加熱棒三維圖

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)由AT89S52單片機(jī)、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片、九針串口接頭、上電復(fù)位電路、晶振電路、供電USB接口等組成、電路圖如圖4所示。單片機(jī)系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖4 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

2.3 計(jì)算機(jī)操作界面

計(jì)算機(jī)操作界面通過Labview編程實(shí)現(xiàn)[5]，可設(shè)定采樣間隔時(shí)間，顯示實(shí)時(shí)溫度、環(huán)境溫度t0、測(cè)試溫度t1、測(cè)試溫度t2、溫度曲線圖以及計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算機(jī)操作界面如圖6所示。

2.4 上位機(jī)Labview程序

上位機(jī)程序由串口通信程序和導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算算法程序構(gòu)成。串口通信程序如圖7所示，該程序由串口設(shè)置模塊、寫串口模塊、讀串口模塊、關(guān)閉串口模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與標(biāo)定模塊組成，與單片機(jī)系統(tǒng)串口通信程序配合，形成一個(gè)串口通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

圖5 單片機(jī)系統(tǒng)程序流程

圖6 計(jì)算機(jī)操作界面

圖7 串口通信程序

上位機(jī)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算算法程序流程如圖8所示，先測(cè)定環(huán)境溫度，然后在60秒間隔內(nèi)兩次測(cè)試加熱溫度，再計(jì)算溫差比值，查表計(jì)算指數(shù)積分，最后計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。

基于Labview軟件實(shí)現(xiàn)了上述算法，其G語言程序如圖9所示。

3 實(shí)驗(yàn)效果

使用淮南礦業(yè)集團(tuán)孔李煤礦松散煤樣進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)熱線溫升數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 程序流程圖

圖9 部分G語言程序

經(jīng)計(jì)算其導(dǎo)熱系數(shù)為0.14231，與文獻(xiàn)[1]用交叉熱線法的測(cè)試結(jié)果0.14319很相近，相對(duì)誤差0.61%，測(cè)試結(jié)果比較滿意。

4 結(jié)論

1）本測(cè)試裝置使用平行熱線法測(cè)松散物料導(dǎo)熱系數(shù)，系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能有效地提高測(cè)量精度。

表1 熱線溫升數(shù)據(jù)

2）本裝置為便攜式，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便。

3）溫度采集為多分布數(shù)字溫度傳感器，能進(jìn)一步減小測(cè)量誤差，提高精度。

本測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)試精度高、操作過程簡(jiǎn)單和使用范圍廣泛，可用于各種非金屬固體松散物料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定。

[1] 陳清華, 張國(guó)樞, 秦汝祥, 等. 熱線法同時(shí)測(cè)松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 38(3):336-340.

[2] 唐明云, 張國(guó)樞, 戴廣龍, 等.熱線法測(cè)定松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦安全, 2008(7):55-57.

[3] 李建偉,葛嶺梅,徐精彩. 松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2004, 23(1): 4-8.

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[5] 楊樂平, 李海濤, 肖相生, 等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社, 2001.