朱經(jīng)國 裴玲麗

(1．甘肅省計(jì)量研究院，蘭州 730050；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，蘭州 730070)

0 引言

目前車用壓縮天然氣(CNG)日益發(fā)展普及，GB 18047—2000《車用壓縮天然氣》對(duì)組分要求指標(biāo)中，水分含量是最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。如果含水量過高會(huì)引起加氣設(shè)備及汽車高壓儲(chǔ)氣罐的銹蝕，將會(huì)帶來很大的危險(xiǎn)?，F(xiàn)在大部分省份已經(jīng)強(qiáng)制規(guī)定CNG加氣站必需配置CNG水分檢測(cè)儀，否則將不予發(fā)放充氣許可證。因此，在線監(jiān)測(cè)CNG加氣站壓縮天然氣中的露點(diǎn)是必然的趨勢(shì)。但CNG水分檢測(cè)儀的準(zhǔn)確性卻無法保證。而現(xiàn)有的在線水分檢測(cè)儀校準(zhǔn)設(shè)備，使用滲透管式濕度發(fā)生器，不但成本高，體積龐大，而且每檢測(cè)一個(gè)量值耗時(shí)長，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)在線水分檢測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了發(fā)展的需求。鑒于此，根據(jù)實(shí)際需求，我們研制了適合我國國情的便攜式CNG水分檢測(cè)儀在線檢定裝置。

1 基本原理

該裝置主要由鼓泡發(fā)生器、溫控器、檢測(cè)部分、取樣部分和供電部分等組成，如圖1所示。

圖1 CNG水分檢測(cè)儀校準(zhǔn)裝置總體結(jié)構(gòu)方框圖

1.1 系統(tǒng)硬件

可編程序控制器(PLC)是一種用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字式電子系統(tǒng)。這種系統(tǒng)用可編程的存儲(chǔ)器做面向用戶指令的內(nèi)部寄存器，完成規(guī)定的功能，如邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等，通過數(shù)字或者是模擬輸入、輸出，控制各種類型的機(jī)械或過程?？删幊炭刂破骷捌渫鈬O(shè)備的設(shè)計(jì)，使它能夠非常方便地集成到控制系統(tǒng)中。因此，本次的設(shè)計(jì)將圍繞PLC展開。PLC系統(tǒng)一般由中央處理器單元、存儲(chǔ)器單元、輸入輸出單元、外圍設(shè)備及電源構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)圖

曲線擬合是指選擇適當(dāng)?shù)那€類型來擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)，并用擬合的曲線方程分析兩變量間的關(guān)系。是用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)處理方法。用解析表達(dá)式逼近離散數(shù)據(jù)的一種方法。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)或社會(huì)活動(dòng)中，通過實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)得到量x與y的一組數(shù)據(jù)對(duì)(xi，yi)(i=1，2，…m)，其中各xi是彼此不同的。人們希望用一類與數(shù)據(jù)的背景材料規(guī)律相適應(yīng)的解析表達(dá)式，y=f(x，c)來反映量x與y之間的依賴關(guān)系，即在一定意義下“最佳”地逼近或擬合已知數(shù)據(jù)。f(x，c)常稱作擬合模型 ，式中c=(c1，c2，…cn)是一些待定參數(shù)。當(dāng)c在f中線性出現(xiàn)時(shí)，稱為線性模型，否則稱為非線性模型。有許多衡量擬合優(yōu)度的標(biāo)準(zhǔn)，最常用的一種做法是選擇參數(shù)c使得擬合模型與實(shí)際觀測(cè)值在各點(diǎn)的殘差(或離差)ek=yk-f(xk，c)的加權(quán)平方和達(dá)到最小，此時(shí)所求曲線稱作在加權(quán)最小二乘意義下對(duì)數(shù)據(jù)的擬合曲線。有許多求解擬合曲線的成功方法，對(duì)于線性模型一般通過建立和求解方程組來確定參數(shù)，從而求得擬合曲線。至于非線性模型，則要借助求解非線性方程組或用最優(yōu)化方法求得所需參數(shù)才能得到擬合曲線。

1.2 系統(tǒng)軟件

利用Excel軟件來完成曲線擬合。首先建立表格，將數(shù)據(jù)輸入到單元格中，然后選擇用來制圖的數(shù)據(jù)所在的單元格區(qū)域的X、Y數(shù)據(jù)。單擊工具欄中的圖標(biāo)向?qū)О粹o，選擇散點(diǎn)圖，按圖標(biāo)向?qū)б徊讲讲僮骺傻玫皆紨?shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，如圖3所示；從圖表欄中選擇添加趨勢(shì)線或在在繪圖區(qū)域中鼠標(biāo)指向某一數(shù)據(jù)點(diǎn)來懸著添加趨勢(shì)線；在添加趨勢(shì)線的操作中，在類型項(xiàng)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)/回歸分析類型中選擇相應(yīng)的函數(shù)；在選項(xiàng)上選擇顯示公式即可得到所要擬合的函數(shù)。在運(yùn)用Excel進(jìn)行擬合時(shí)，首先根據(jù)原始數(shù)據(jù)X和Y之間的關(guān)系是直線還是曲線，決定是否需要對(duì)X和Y進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，如lnX與Y成直線關(guān)系，擬合對(duì)數(shù)曲線；如lnY與X成直線關(guān)系，擬合指數(shù)曲線；如lnX與lnY成直線關(guān)系，擬合冪函數(shù)曲線；如原始數(shù)據(jù)X和Y間呈拋物線形式或者其他多項(xiàng)式時(shí)，不需要對(duì)X和Y作數(shù)據(jù)變換，直接進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

圖3 擬合曲線圖

然而單一的公式往往存在有很大的誤差，為了提高擬合函數(shù)的準(zhǔn)確性，可以采用分段函數(shù)的方式，將所要擬合的數(shù)據(jù)細(xì)分，用更多的公式來描述數(shù)據(jù)，如表1所示擬合曲線公式表。

由分段函數(shù)可以較為準(zhǔn)確地描述表數(shù)值，這樣為以后編寫可編程控制器程序提供極大地方便。ProwerPro是用于LM系列小型PLC編程的專用軟件。它基于Windows平臺(tái)， 包含程序編輯器和仿真

表1擬合曲線公式表

調(diào)試器，是標(biāo)準(zhǔn)的可編程邏輯控制器程序開發(fā)平臺(tái)。ProwerPro提供了豐富的指令，按照功能不同可分為轉(zhuǎn)換指令、比較指令、類型轉(zhuǎn)換指令、邏輯運(yùn)算指令、外部中斷及兩相計(jì)數(shù)等51 種類型。為了便于理解和記憶，把這51種類型分為兩大類，一類是基本指令，包括全部IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指令、高等數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等，另一類是擴(kuò)展指令，包括外部中斷指令、脈沖輸出、兩相計(jì)數(shù)等與硬件端口有關(guān)的指令。

再根據(jù)指令GE(大于指令)、LE(小于指令)、GT(大于等于指令)和LT(小于等于指令)完成分段函數(shù)的編寫。

此次設(shè)計(jì)的CNG水分測(cè)定儀在線校準(zhǔn)裝置帶有恒溫功能，溫度控制程序的設(shè)計(jì)如圖4，要求溫度可以恒定在一定值 。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入電壓，控制流出電流，因此晶體管可做為電流開關(guān)，與一般機(jī)械開關(guān)不同之處在于晶體管是利用電訊號(hào)來控制，可以頻繁的而且快速的開啟或關(guān)斷，LM3104帶有6點(diǎn)晶體管輸出，這樣可以采用開關(guān)量控制溫度。

圖4 PID控制程序

控制方案采用PID控制算法。PID的輸出值使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，然而PID的輸出值無法控制LM3104的晶體管數(shù)字輸出。因此，需要對(duì)pid的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，如圖5所示。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種導(dǎo)通(ON)或關(guān)斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。導(dǎo)通時(shí)即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，關(guān)斷時(shí)即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。執(zhí)行PWM操作之前，需要在軟件中完成以下工作：1)設(shè)置提供調(diào)制方波的周期；2)在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間；3)設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳；4)啟動(dòng)定時(shí)器；5)能使PWM控制器。

圖5 PWM編碼

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。其控制程序如圖6所示，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

圖6 PWM控制程序

在主界面中顯示有溫度(即當(dāng)前檢測(cè)溫度)、含水量、溫度設(shè)定(可以設(shè)定恒溫溫度)、水分含量和露點(diǎn)。硫酸飽和水分壓法是制備一般性氣體中痕量水分標(biāo)樣的常用方法。當(dāng)硫酸濃度確定后，與其平衡的水蒸汽壓力符合克拉—克勞修斯關(guān)系式：

lgp=22.9316-10.51c-(2.458+466.7c)/T

式中，p是硫酸溫度為T(K)時(shí)的水蒸汽分壓值(MPa)；c是硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這樣一旦硫酸的濃度和溫度確定了，其飽和水分壓也就可知了。

1.3 不同地區(qū)氣體含水量的修正

由于不同地區(qū)大氣壓不同，造成鼓泡瓶輸出氣體凝固點(diǎn)不同，為了解決不同地區(qū)之間的由于大氣壓不同而帶來的對(duì)鼓泡瓶輸出的氣體含水量的影響，采用以下公式進(jìn)行修正。

干燥而清潔的氣體(通常為空氣或氮?dú)?，含水量?0×106可用高純氮?dú)?，經(jīng)過減壓及流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入鼓泡器的硫酸中，控制壓力表的讀數(shù)為0.03MPa，恒溫水浴的溫度控制在30℃±0.5℃，經(jīng)過一段時(shí)間的平衡后，由鼓泡瓶輸出的氣體即可作為校準(zhǔn)氣體使用。

1.4 儀表的主要技術(shù)指標(biāo)

輸入壓力：≤1.0MPa；輸出流量：≥800ml/min；恒溫控制：30℃±0.5℃；輸出氣體含水量：按硫酸濃度；氣體性質(zhì)：瓶裝氮?dú)?/p>

1.5 儀器性能測(cè)試

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)水分發(fā)生器在設(shè)定值12.5μL/L(90.05%硫酸)和設(shè)定值530μL/L(90.05%硫酸)，對(duì)7臺(tái)水分測(cè)定儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)定，其引用誤差見表2所示。

表2 水分發(fā)生器設(shè)定值的測(cè)量結(jié)果

2 結(jié)論

經(jīng)過中國計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)CNG水分檢測(cè)儀在線檢定裝置進(jìn)行綜合校準(zhǔn)，校準(zhǔn)條件：有水分發(fā)生器產(chǎn)生恒定的濕氣，由M4/1311DR精密露點(diǎn)儀測(cè)量露點(diǎn)值，載氣：氮?dú)?，校?zhǔn)結(jié)果見表3。

表3 CNG水分檢測(cè)儀在線檢定裝置校準(zhǔn)結(jié)果

按照不同體積分?jǐn)?shù)(μL/L)設(shè)定值，對(duì)水分測(cè)定儀校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，其結(jié)果見表4所示。

表4 CNG水分檢測(cè)儀在線校準(zhǔn)裝置濕度示值的校準(zhǔn)結(jié)果

本文研制的CNG水分檢測(cè)儀在線校準(zhǔn)裝置具有測(cè)量快速準(zhǔn)確、功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)合理的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的。

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