新型絕熱式智能量熱儀的研制*

吳艷敏,郭凌云,丁國強(qiáng)

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,河南 鄭州450002；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 外語系,河南 鄭州450002)

我國是產(chǎn)煤大國，而衡量煤炭質(zhì)量的最重要指標(biāo)之一是其燃燒發(fā)熱量。目前國內(nèi)普遍采用以發(fā)熱量作為動力煤計(jì)價(jià)的主要依據(jù)[1]。由于煤炭的發(fā)熱量主要是利用量熱儀來測定，其測量精度和效率直接影響著煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著極其重要的作用。

傳統(tǒng)的煤發(fā)熱量分析方法是利用氧彈熱量計(jì)進(jìn)行人工測定，操作繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力[2]，并且容易產(chǎn)生偶然誤差和計(jì)算錯(cuò)誤。鑒于此，本文采用ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種新型絕熱式智能量熱儀，該系統(tǒng)以ARM微處理器為主控制單元，采用嚴(yán)格水套密封包圍工藝結(jié)構(gòu)，選用高精度的鉑電阻PT1000為溫度傳感器;采用新型A/D芯片組成四路高增益、高分辨率、低漂移特性的溫度數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路，利用分段PID控制原理設(shè)計(jì)智能量熱儀的外、內(nèi)筒水溫自動跟蹤控制算法；采用觸摸屏技術(shù)實(shí)時(shí)動態(tài)地顯示內(nèi)外筒水溫。測試結(jié)果表明，該絕熱式智能量熱儀的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

1 量熱原理

量熱儀的基本工作原理是把一定量的分析煤樣放入充有定量氧氣的氧彈中，在充足的氧氣條件下令試樣完全燃燒[3]，燃燒所放出的熱量被氧彈周圍的水(即內(nèi)桶水)吸收，從而通過內(nèi)筒水溫的變化測算出煤的發(fā)熱量。為了準(zhǔn)確測定燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量，要求內(nèi)筒與外界環(huán)境隔絕，即不發(fā)生熱交換，使燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量能夠被內(nèi)筒水完全吸收，根據(jù)熱力學(xué)公式準(zhǔn)確測出燃燒物質(zhì)的發(fā)熱量：

其中，tn、t0分別表示燃燒過程中內(nèi)筒水的終點(diǎn)溫度和初始溫度數(shù)值；G為測熱物質(zhì)的質(zhì)量；E為量熱儀的熱容量。不同的測熱設(shè)備具有不同的熱容量數(shù)值，該參數(shù)可通過式(2)進(jìn)行標(biāo)定：

其中，m為試樣質(zhì)量，q1為點(diǎn)火絲熱值，q2為添加物熱值。

熱容量一般采用具有標(biāo)準(zhǔn)熱值的苯甲酸片試樣進(jìn)行標(biāo)定，其質(zhì)量一般選取為0.9～1.1 g，發(fā)熱量的標(biāo)準(zhǔn)值為26 430 J/g。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)現(xiàn)方案

整個(gè)量熱儀系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)主機(jī)、溫度采集與轉(zhuǎn)換電路、控制器、觸摸屏等部分構(gòu)成,具體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 量熱儀結(jié)構(gòu)框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)主機(jī)

為給內(nèi)筒水提供一個(gè)穩(wěn)定的絕熱環(huán)境，實(shí)驗(yàn)主機(jī)采用新的結(jié)構(gòu)工藝，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖2所示。氧彈中的燃燒物質(zhì)燃燒發(fā)熱,導(dǎo)致內(nèi)筒水溫度升高，外筒水通過電機(jī)水泵和制冷壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)。通過外筒PT1000溫度傳感器時(shí)刻檢測外筒水溫度值，使外筒水溫度時(shí)刻跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，從而避免內(nèi)外筒水熱量的交換。在量熱儀的上蓋中增加了與外筒水循環(huán)的銅盤管，以此隔斷內(nèi)筒上部的熱量散失，同時(shí)在外筒的外部增加一層套筒，其外部由保溫材料包裹，以此隔斷外筒與外界環(huán)境的熱交換。

圖2 量熱儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3 ADC轉(zhuǎn)換電路

考慮本系統(tǒng)輸入信號的變化非常靈敏，微機(jī)控制單元接收和處理PT1000熱電偶感測的溫度數(shù)據(jù)采集速度較慢，及極低噪聲的要求，本文采用一種新型高精度24位ADC轉(zhuǎn)換芯片CS5534設(shè)計(jì)智能量熱儀的4路溫度數(shù)據(jù)采集ADC轉(zhuǎn)換器電路。

CS5534芯片是美國Cirrus Logic公司推出的一種具有極低噪音的多通道Δ-Σ型A/D轉(zhuǎn)換器，該芯片采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測量放大器，得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，精度高，動態(tài)特性寬?？删幊淘鲆娣糯笃骺墒狗糯蟊稊?shù)從1～32進(jìn)行設(shè)定(以2倍步長增加)，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。該A/D轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)靈活而簡便的同步串行接口，使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以串行方式輸出，并與 SPI、Microwire兼容[4]，串行時(shí)鐘輸入備有一個(gè)施密特觸發(fā)器。采用串行接口與中央處理器芯片通信工作，接口電路設(shè)計(jì)簡單、易于擴(kuò)展。

2.4 ARM控制器

控制器主要控制4路PT1000溫度傳感器采集內(nèi)外筒水溫度數(shù)據(jù)，檢測、顯示量熱儀的工作狀態(tài)，控制量熱儀的自動進(jìn)水和出水，控制外筒水溫度實(shí)時(shí)跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，精確控制壓縮機(jī)制冷和加熱棒加熱動作,實(shí)時(shí)控制量熱儀的工作狀態(tài),檢測燃燒物質(zhì)的燃燒狀態(tài),控制攪拌電機(jī)工作等功能,并且能夠與觸摸屏及A/D裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信,顯示通信狀態(tài)，與打印機(jī)實(shí)時(shí)通信完成試驗(yàn)結(jié)果的打印。

本文控制器采用具有ARM核的STM32F103單片機(jī)作為主控芯片。該芯片是一款基于CortexTM-M3核心的32 bit低功耗MCU[5],工作電壓為 2.0～3.6 V,主頻達(dá) 72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。具有睡眠、停機(jī)和待機(jī) 3種省電模式。內(nèi)括 12 bit的ADC、DMA控制器;支持定時(shí)器、ADC、DAC、SPI、I2C、UART 等外設(shè)；提供欠壓復(fù)位、ECC、MPU、侵入監(jiān)測、雙看門狗、32 bit CRC、I/O端口保護(hù)和JTAG熔斷器等安全功能。綜合各項(xiàng)參數(shù)，STM32是最適合本系統(tǒng)的微處理器之一。

2.5 觸摸屏

觸摸屏的作用是通過觸摸點(diǎn)檢測裝置接收觸摸信息，并將其轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)送給 CPU，同時(shí)接收、執(zhí)行CPU發(fā)來的命令。本系統(tǒng)采用威綸通公司的MT8000觸摸屏，它與控制器采用Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。觸摸屏系統(tǒng)采用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障報(bào)警等功能，并能將內(nèi)外筒水溫度狀態(tài)進(jìn)行動畫顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制算法設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、大滯后系統(tǒng)，絕熱式智能量熱儀的關(guān)鍵問題是：煤樣在燃燒過程中發(fā)出的熱量導(dǎo)致內(nèi)筒水溫度急劇升高。為杜絕內(nèi)筒水熱量與外筒間的熱傳導(dǎo)，需要實(shí)現(xiàn)外筒水溫度實(shí)時(shí)跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化。鑒于此，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了分段PID控制算法，PID參數(shù)可隨溫區(qū)的不同自動調(diào)整到最佳值。整個(gè)測溫范圍分為平衡階段和升溫階段，在平衡階段僅僅接通外筒水槽中的小加熱棒，PID控制算法驅(qū)動該加熱棒與制冷壓縮機(jī)工作狀態(tài)平衡,其平衡溫度點(diǎn)由系統(tǒng)工作需要設(shè)定；在煤樣燃燒啟動接通大加熱棒時(shí)，通過PID控制算法參數(shù)的調(diào)節(jié)作用控制外筒水溫度,并迅速跟蹤內(nèi)筒水溫度的變化，從而消除內(nèi)外筒之間水的熱交換,保證內(nèi)筒中PT1000熱電偶測得的水溫全部由煤樣燃燒引起。

3.2 STM32與A/D的數(shù)據(jù)傳送控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要完成四路PT1000溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳送控制，STM32需要實(shí)現(xiàn)對A/D數(shù)據(jù)采集通道的選擇、初始化操作、功能與時(shí)鐘設(shè)置、A/D通道的讀寫操作、采集數(shù)據(jù)計(jì)算等。本設(shè)計(jì)采用STM32操作系統(tǒng)中的SPI函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，具體程序代碼略。

3.3 STM32與MT8000觸摸屏的通信設(shè)計(jì)

MT8000觸摸屏采用Modbus協(xié)議和控制器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。Modbus通信協(xié)議只能識別按地址發(fā)送的消息，這就要求得知每個(gè)控制器的設(shè)備地址，才能執(zhí)行相應(yīng)的控制動作。如果需要回應(yīng)，則控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出，具體程序從略。

3.4 STM32的串口通信設(shè)計(jì)

STM32控制芯片支持UART串口通信、I2C通信和SPI串行通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用RS-323進(jìn)行串口通信，具體程序從略。

4 試驗(yàn)

儀器試驗(yàn)具體操作過程為：

(1)水槽加水，儀器上電，加熱棒或者壓縮機(jī)自動工作調(diào)整水槽的水溫度值，使水溫和環(huán)境溫度平衡(此時(shí)內(nèi)筒底部的閥門處于關(guān)閉狀態(tài))，外筒和水槽是連通的。

(2)當(dāng)水槽、外筒水溫和環(huán)境溫度達(dá)到一致時(shí)，打開內(nèi)筒底部的閥門開始進(jìn)水，當(dāng)水位升至內(nèi)筒壁水位計(jì)時(shí)，閥門自動關(guān)閉，內(nèi)筒水和外筒水環(huán)境斷開。此時(shí)為了滿足外筒水溫高于內(nèi)筒水溫1～1.5℃的國標(biāo)要求，加熱棒開始加熱工作，并檢測內(nèi)外筒水溫是否達(dá)到一致，若達(dá)到，則停止加熱。

(3)儀器開始攪拌5 min使內(nèi)筒水溫度分布均勻，期間外筒水在加熱棒和壓縮機(jī)的共同作用下始終沿著內(nèi)筒水溫度改變。

(4)攪拌5 min結(jié)束時(shí)，氧彈倉中煤樣點(diǎn)火，內(nèi)筒水溫度急劇上升，同時(shí)檢測到內(nèi)筒水溫度上升信號，水槽中的1 000 W加熱棒開始加熱。通過外筒與水槽的水循環(huán)，該信號立刻被外筒水溫度傳感探頭檢測到，外筒水溫度開始跟蹤內(nèi)筒水溫度急劇上升,其跟蹤曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，開始時(shí)外筒水溫度向內(nèi)筒水溫度平衡，達(dá)到兩者溫度一致時(shí),攪拌5 min使內(nèi)筒水溫度分布充分均勻，氧彈試樣點(diǎn)火后內(nèi)筒水溫度開始上升，幾乎同時(shí)外筒水溫度開始跟蹤內(nèi)筒水溫度變化，且兩者之間的跟蹤誤差最大不超過0.5℃。對于絕熱式儀器設(shè)計(jì)來說，0.5℃溫度差導(dǎo)致的熱交換基本可以忽略，因此，絕熱式量熱儀能夠很好地消除內(nèi)外筒之間的熱交換問題。內(nèi)筒水溫度不再變化時(shí)，外筒水溫度基本以小于0.1℃的超調(diào)量圍繞內(nèi)筒水溫度變化，直至試驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 跟蹤曲線

表1 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

本文開發(fā)了一種高精度的新型絕熱式智能量熱儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了水套密封包圍工藝結(jié)構(gòu)、ARM嵌入式和觸摸屏技術(shù)；采用了外筒水加熱跟蹤內(nèi)筒水溫度變化的控制模式，通過引入分段式PID控制算法提高了發(fā)熱量測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和控制精度。試驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高，且操作方便，符合市場需求。

[1]李平,姬建偉,宋家友.C8051F350在恒溫式自動量熱儀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(10):111-113.

[2]劉輝,馬凌云,何東陸.一種煤炭自動量熱儀的設(shè)計(jì)[J].工礦自動化,2007(6):97-99.

[3]陳憲.恒溫式自動量熱儀使用的若干問題分析[J].華北電力技術(shù),2001(3):38-40.

[4]申仲濤.基于CS5534的成組接地線電阻測試系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(6-2):288-290.

[5]羅超,景林,易金聰.基于STM32的便攜式海量溫濕度記錄儀設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(12):83-86.