袁開鴻，魏麗君，唐冬梅

(1．中南大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙　410083；2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲　412001)

0　引言

量熱儀是測(cè)量物質(zhì)發(fā)熱量的精密儀器。主要用于測(cè)量煤炭、石油等物質(zhì)的發(fā)熱量，其工作效率與經(jīng)濟(jì)效益取決于測(cè)量?jī)x器的的測(cè)量精度、操作方便性、試驗(yàn)快捷性[1-3]等。以往量熱儀是基于單片機(jī)控制或是基于ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜C機(jī)控制，前者無法完成大量的數(shù)據(jù)處理，而且試驗(yàn)不夠快捷。ISA總線的儀器能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理要求，但計(jì)算機(jī)主板上逐漸淘汰ISA插槽。此外，PCI局部總線在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和采集控制的過程中，也得到了比較廣泛的應(yīng)用，且傳輸速率高、穩(wěn)定性可靠。但是以上的幾種方式，都是基于上位機(jī)和下位機(jī)操作而實(shí)現(xiàn)的。本文在分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用CPLD器件實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)計(jì)，采用高精度溫度傳感器Pt1000采集溫度[4-5]，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，儀器操作方便、試驗(yàn)快捷，試驗(yàn)結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

1　系統(tǒng)原理

量熱儀的工作原理是：稱取一定量的分析煤樣在充有過量氧氣的氧彈中充分燃燒，其終態(tài)產(chǎn)物為二氧化碳、剩余氧氣、氮?dú)?、硫酸、硝酸、液態(tài)水和固態(tài)的灰，所釋放的熱量用定量的水進(jìn)行吸收，根據(jù)試樣燃燒前、后量熱系統(tǒng)產(chǎn)生的溫升，并對(duì)點(diǎn)火熱、量熱系統(tǒng)與外界環(huán)境發(fā)生的熱交換等附加熱進(jìn)行校正后求得試樣的彈筒發(fā)熱量，其量熱系統(tǒng)熱容量通過在相似條件下燃燒一定量的基準(zhǔn)熱物質(zhì)(苯甲酸)來確定[6-8]。

2　系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分主板卡和人機(jī)界面卡。主板卡主要完成溫度采集、點(diǎn)火控制與點(diǎn)火判斷、攪拌電機(jī)控制、氧彈識(shí)別以及故障檢測(cè)與報(bào)警等功能。人機(jī)界面卡主要完成鍵盤輸入、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示以及打印機(jī)輸出控制等。主板卡與人機(jī)界面卡均采用P89V669單片機(jī)和高性價(jià)比的CPLD器件ATF1508AS搭建整體硬件平臺(tái)，兩個(gè)板卡之間通過SPI總線通訊。其硬件原理框圖如圖1與圖2。

圖1　主板卡硬件框圖

圖2　人機(jī)界面卡硬件框圖

3　溫度采集電路設(shè)計(jì)與A/D轉(zhuǎn)換

量熱儀的測(cè)量精度直接反映在溫升的測(cè)量精度上，因此是否能對(duì)溫升進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量對(duì)儀器的測(cè)量精度影響非常大[9-11]，在采集內(nèi)、外桶溫度時(shí)，采用了精度為0．000 1 ℃的溫度傳感器Pt1000進(jìn)行溫度采集，其原理圖如圖3。

圖3　溫度采集模塊電路原理圖

根據(jù)原理圖，假設(shè)運(yùn)放反向輸入端的電位為V-，同相輸入端的電位為V+，輸出端的電壓為Vo，AVCC為+5 V DC電源，IP1為Pt1000溫度傳感器接口。由電路原理圖以及運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”可知：

(1)

V+=V-

(2)

(3)

(4)

式中Rt為Pt1000溫度傳感器端的電阻值。

測(cè)量分內(nèi)桶和外桶，因此設(shè)計(jì)2路溫度采集通道，設(shè)計(jì)采用一片四通道24位A/D轉(zhuǎn)換芯ADS1253。采用ADR444BRZ作為電壓基準(zhǔn)芯片，為A/D采樣提供基準(zhǔn)電壓。A/D轉(zhuǎn)換原理圖如圖4所示。ADS1253的數(shù)據(jù)輸出頻率受采樣頻率的影響，設(shè)計(jì)中采用1 MHz有源晶振經(jīng)128分頻(7 812 Hz)電路得來，根據(jù)芯片資料，此時(shí)ADS1253的數(shù)據(jù)輸出頻率約20 Hz．

圖4　A/D轉(zhuǎn)換原理圖

4　溫度采樣的軟件實(shí)現(xiàn)

4．1初期采樣

為了進(jìn)行冷卻校正的計(jì)算，需要知道點(diǎn)火時(shí)內(nèi)筒的冷卻速度。為此，為試驗(yàn)過程中設(shè)置一個(gè)初期，以其平均冷卻速度作為點(diǎn)火時(shí)的冷卻速度。在內(nèi)筒溫度均勻一致后，準(zhǔn)確測(cè)量出一個(gè)溫度值。測(cè)準(zhǔn)至0．001 ℃，記為t0_Fri，同時(shí)開始記時(shí)。5 min后，再準(zhǔn)確測(cè)一次溫度，記為t0。隨后測(cè)量并計(jì)算出V0。流程圖見圖5。

圖5　初期采樣軟件設(shè)計(jì)流程圖

4．2主期采樣

點(diǎn)火后，試驗(yàn)進(jìn)入主期。若45 s后內(nèi)溫度急劇上升，則表明點(diǎn)火成功。流程圖見圖6。

4.3末期采樣

當(dāng)內(nèi)筒溫度出現(xiàn)下降時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)入末期。從上述第一個(gè)下降溫度點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，5 min后，準(zhǔn)確測(cè)取內(nèi)筒溫度，記作tn．停止攪拌，結(jié)束試驗(yàn)。流程圖見圖7。

設(shè)置末期，是為了計(jì)算末期平均冷卻速度，并以該冷卻速度代表終點(diǎn)時(shí)的冷卻速度，作為冷卻校正值的計(jì)算之用。末期內(nèi)，內(nèi)筒向外筒散熱，其溫度不斷下降，因此，末期冷卻速度是一個(gè)正值。

4　試驗(yàn)與測(cè)試數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)按國標(biāo)法和瑞方法分別進(jìn)行。通過人機(jī)界面控制板控制主控板來完成測(cè)試。人機(jī)界面給主控板發(fā)送測(cè)試參數(shù)、測(cè)試開始命令。主控板完成初期、主期、末期的采樣及控制工作，計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，向人機(jī)界面控制板返回實(shí)時(shí)溫度值、測(cè)試狀態(tài)。流程圖見圖8。

通過試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行“四舍六入五成雙”處理后可以得出，對(duì)樣重為1．300 6 g、0．700 0 g、1．004 5 g、0．704 4 g、1．280 4 g的5例樣品進(jìn)行熱容量試驗(yàn)，主期時(shí)間均為9 min，熱容量的平均值為10 135．77 J/K，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為0．06%，極差為15．42 J/K，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)樣重為0．690 9 g、0．994 2 g、1．301 8 g、1．279 7 g、0.744 2 g的5個(gè)樣品進(jìn)行了發(fā)熱量的測(cè)試，測(cè)試的主期時(shí)間同樣均為9 min，發(fā)熱量平均值為26 445．17 J/g，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為0．09%，極差為53．17，測(cè)試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照GB(T)2013—2003標(biāo)準(zhǔn)，采用高精度溫度傳感器Pt1000進(jìn)行溫度采集，具有很高的穩(wěn)定性，經(jīng)過測(cè)量，熱容量和發(fā)熱量主期時(shí)間穩(wěn)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、極差都符合國家標(biāo)準(zhǔn)。在煤炭生產(chǎn)、電力、石油化工、水泥以及科研等行業(yè)應(yīng)用前景良好。

圖6　主期采樣軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖7　末期采樣軟件流程圖

圖8　整機(jī)試驗(yàn)流程圖

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