智能化微机型热值测量计系统设计

1 引言　　

煤作为动力燃料,主要指标之一是煤的发热量。发热量是计算热平衡、热效率和煤耗的依据,以及锅炉设计的参数。对热值的精确测量关系到能源的开采和有效利用。依照热值能确定使用燃料的多少,达到节约能源、降低生产成本的目的。随着人们对能源计量意识的提高,热量计的使用越来越被重视。应用发热量测定仪己成为普遍。为了适用于电力、煤炭、造纸、石化、水泥、农牧、医药科研、教学等行业和部门测定测量煤、石油等可燃物的热值,系统应能灵活设置以适应不同需要。

2 系统功能　　

根据实际使用的需要,系统应达到下列各项技术指标: 　　

1. 由微机实现测量过程的自动控制,系统具有良好的可扩展性; 　　

2. 能对仪器的各个部件进行自动测试,自动识别氧弹、自动选择热容量; 　　

3. 实验过程中温度测量、点火、搅拌、数据处理、过程判断、结果打印、数据贮存、顶盖升降全过程自动化,并提供自诊断系统,确保仪器运行正常; 　　

4. 系统连入带标准通信口的电子天平后无需人工称重,能自动输入试样质量; 　　

5. 系统热容量的标定、弹筒发热量的计算及对于煤的不同基发热量的换算亦由计算机根据操作人员输入的各种已知含硫量或含氢量以及水分含量自动完成; 　　

6. 系统能用于煤和油的热值测量,并设有两种测量公式:瑞方公式和奔特公式可选择。

3 热值测量系统硬件电路设计　　

3.1 热值测量系统原理框图 　　

为适应系统自动测试的要求,机械系统需进行改造,新的机械系统设计示意图如图1。由2, 3, 4. 9构成水循环系统,其中泵、上下阀由电子电路控制完成进水、灌水和放水,而量杯4制作成特殊形状,以容积法替代称重法完成对内筒的充水过程,实测表明此法充水误差小于1g,完全满足国标要求,因而使自动充水成为可能。 [align=center]
图1 热值测量系统原理框图 1.外筒 2.泵 3.上阀 4.量杯 5.温度传感器 6.搅拌器 7.内筒 8.氧弹 9.下阀[/align] 　　3.2 热值测量系统硬件原理框图 　　

为实现上面所述的各项功能,自动热量系统采用PC、主单片机89052和从CPU 8902051协同工作的方式,各项功能划分如图2所示。温度测量、点火丝检测与控制、风扇搅拌以及网络接口由89052实现,阀门、内筒控制和氧弹识别等由8902051完成,PC机则完成样重采样和各89052数据收集、数据处理、数据运算、存储、报表生成和硬拷贝输出。PC和两单片机之间通过CAN网络依据命令交互协调工作进程。


图2 热值测量系统硬件原理框图　

3.3 温度参数的测量 　　

为实现温度测量的免调整,铂电阻测温电路采用基于基准电阻的动态校准算法,使得测量的精度仅与组成电桥的几个电阻有关。 　　

3.3.1 温度测量电路的原理 　　

铂电阻测温电路如图3所示,桥路从左至右依次为测量支路、校准支路和电平偏移支路（参考支路）.其中R1和Rt组成测量支路,R0, RK、RL构成校准支路,R3和R4构成参考支路。Rt为铂电阻传感器,RL为量程低端校准电阻,RK为量程高端校准电阻,R0、R1、RK、RL采用精密线绕电阻。铂电阻传感器采用4线接法,以降低环境温度发生变化时连接线引起的测量误差,r0、r1、r2、r3为传感器的输入连接线电阻。A为放大器,ADC为模数转换器。

图3 铂电阻测温电路　

3.3.2 测量支路 　　

测量电路中多路开关S的切换由双4选1模拟开关4052（内部的两个模拟开关是电绝缘的,完全独立）实现,4052的输出直接接至放大器的输入端。4052的Y0, Y1, Y3都接到电桥的参考支路上,则当4052接通X0时,输出电压对应的数字量是NL;当4052接通X1时,输出电压对应的数字量是NH;当4052接至X3时,输出电压对应的数字量是Nt。X2这一通道留作点火丝检测使用。 　　

测量支路（既4052的X3通道）串接电阻IR5后通过电容IC5接到地,目的是消除测量时引入的噪声。 　　

3.3.3 测量放大器 　　

温度测量电路中放大器采用美国AD公司的精密单片集成测量放大器AD620。AD620是根据典型的三运放结构改进而成的一种单片仪表放大器,是一种完整的差分或减法放大系统,由于对内部匹配电阻进行了精密激光修整,所以具有优良的线性度和共模抑制。它仅用一只外接电阻设置增益,范围为2～1000单位增益无需外接电阻。 　　

3.3.4 A/D转换器 　　

温度测量电路中模数转换器采用美国Intersil公司的ICL7135。ICL7135为全MOS工艺4位半双积分式A/D转换器。在单极性基准电压（VR=+1V ）供给之下,能对双极性输入的模拟电压进行A/D转换,并自动输出极性判别信号和自动量程控制信号。它采用了自校零技术,可保证零点在常温下的长期稳定,零点的温度系数<2μV/℃,模拟输入可以是差动信号,输入阻抗极高,输入零点漏电流<10pA。采用字位动态扫描BCD码输出方式,一次A/D转换完毕其数据输出选通脉冲输出端（STB）输出5个负脉冲,分别选通高位到低位的BCD码数据输出。 　　

3.4 系统检测与控制模块 　　

点火丝检测的实质是检测连入电路的点火丝的电阻大小。当点火丝短路时,电阻值很小,断路时阻值较大,正常时电阻值介于两种情况之间。阀门的位置检测采用发光二极管和光敏