黃　俊

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院　株洲　412001）

1　引言

水分是一項(xiàng)重要的煤質(zhì)指標(biāo)，它在煤的基礎(chǔ)理論研究和加工利用中都具有重要的作用。在煤炭貿(mào)易上，煤的水分是一個(gè)重要的計(jì)質(zhì)和計(jì)量指標(biāo)［1～2］。在煤質(zhì)分析中，煤的水分是進(jìn)行不同基的煤質(zhì)分析結(jié)果換算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［3～4］。

水分測(cè)試大部分采用紅外加熱管加熱或者采用鼓風(fēng)干燥箱來測(cè)量，升溫速率低，通氮方式單一，近年來，為了提高升溫速率，設(shè)計(jì)中采用光波加熱的方式越來越多，取得了較好的效果［5～9］。但是在處理時(shí)間上依然較長，容易受到環(huán)境的影響，本文在此研究的基礎(chǔ)上，將加熱方式改為光波+微波加熱的方式，大大提高了升溫速率，減小了由于環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響［10］。通過對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)而成的快速水分儀進(jìn)行分析水分精密度試驗(yàn)、分析水分準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)、￠6全水分精密度實(shí)驗(yàn)、￠6全水分準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2　測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

稱取一定量的煤樣，置于加熱爐內(nèi)，煤中水分子在熱能的作用下，使水分迅速蒸發(fā)，根據(jù)煤樣干燥后的質(zhì)量損失計(jì)算全水分或分析基水分。

3　儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　硬件整體框圖設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)包括以下主要模塊：單片機(jī)控制模塊、光波+微波加熱管加熱模塊、熱電偶測(cè)溫模塊、AD采樣模塊、超溫、斷偶硬件保護(hù)模塊、通氮?dú)饽K、電源模塊等。其硬件框圖如圖1所示。

圖1　儀器硬件設(shè)計(jì)整體框圖

3.2　主要硬件電路模塊設(shè)計(jì)

3.2.1熱電偶測(cè)溫模塊

圖2　熱電偶測(cè)溫模塊原理圖

采用K型熱電偶測(cè)溫（考慮采用防損效果好的鎧裝熱電偶），前級(jí)放大器采用AD620運(yùn)算放大器，放大器的放大倍數(shù)取50.4倍。冷端溫度由測(cè)溫芯片LM75A測(cè)得。

3.2.2A-D采樣模塊

A-D采樣芯片采用ADS1110A0IDBVT，該芯片價(jià)格較低，體積小，外圍元器件少，精度高（16位）。

圖3　AD采樣模塊

3.2.3光波加熱管控制電路與硬件超溫保護(hù)

采用2根加熱管，每根加熱管1.25KW。單片機(jī)輸出調(diào)制波到可控硅進(jìn)行加熱管功率調(diào)節(jié)。2根加熱管并聯(lián)之后與可控硅串聯(lián)連接，同時(shí)與超溫、斷偶硬件保護(hù)繼電器串聯(lián)，再通過開關(guān)和保險(xiǎn)絲接入AC220V電網(wǎng)中（其中的1根加熱管與1個(gè)繼電器串聯(lián)連接，能單獨(dú)斷開自身電源）。采用2根加熱管可能有利于較細(xì)的溫度控制，如果采用1根2.5KW的加熱管能夠達(dá)到同樣的效果，將考慮只用1根加熱管。為了防止溫度過沖，在電路設(shè)計(jì)中增加了硬件超溫保護(hù)電路。

圖4　加熱管連接示意圖

圖5　硬件超溫保護(hù)電路

圖6　燃燒爐熱電偶電路

圖7　加熱電源判斷電路

4　儀器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儀器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由CAN通訊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、溫度模塊、AD轉(zhuǎn)換、異常檢測(cè)幾個(gè)部分組成。CAN通訊完成與上、下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)驗(yàn)?zāi)K自主的完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)所需要執(zhí)行的部件和相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)，溫度模塊則主要是通過查表方式計(jì)算和校正溫度、同時(shí)通過PID算法實(shí)現(xiàn)控溫。AD轉(zhuǎn)換模塊則由單片機(jī)自動(dòng)處理此過程，軟件只需對(duì)相關(guān)寄存器作相應(yīng)配置；異常檢測(cè)模塊則是程序主循環(huán)中定時(shí)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷，如出現(xiàn)異常則上傳異常信息，同時(shí)鎖定相應(yīng)的動(dòng)作部件直到故障解除，其溫度模塊和AD模塊設(shè)計(jì)流程圖分別如圖8和圖9所示。

圖8　溫度模塊流程圖

圖9　AD模塊流程圖

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

5　試驗(yàn)

通過軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)本光波水分測(cè)試器儀進(jìn)行分析水空氣干燥法精密度試驗(yàn)、分析水空氣干燥法準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)、￠6全水空氣干燥法精密度實(shí)驗(yàn)、￠6全水空氣干燥法準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)、分析水通氮干燥法精密度實(shí)驗(yàn)、分析水通氮干燥法準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)、￠6全水通氮干燥法精密度實(shí)驗(yàn)、￠6全水通氮干燥法準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

6　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的光波水分測(cè)試儀測(cè)試整盤同種樣品的精密度符合國標(biāo)要求，無系統(tǒng)偏差。

分別選擇高、中、低水分煤試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本光波水分測(cè)試儀測(cè)試分析水分、￠6全水分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與紅外加熱管加熱的水分儀相比具有效率更高的特點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果均符合國標(biāo)要求。

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