基于溫度傳感器Pt1000的高精度量熱儀

袁開鴻，魏麗君，唐冬梅

(1．中南大學信息工程學院，湖南長沙　410083；2．湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲　412001)

0　引言

量熱儀是測量物質發(fā)熱量的精密儀器。主要用于測量煤炭、石油等物質的發(fā)熱量，其工作效率與經濟效益取決于測量儀器的的測量精度、操作方便性、試驗快捷性[1-3]等。以往量熱儀是基于單片機控制或是基于ISA總線進行數據傳輸的PC機控制，前者無法完成大量的數據處理，而且試驗不夠快捷。ISA總線的儀器能滿足實時數據采集與處理要求，但計算機主板上逐漸淘汰ISA插槽。此外，PCI局部總線在利用計算機進行數據處理和采集控制的過程中，也得到了比較廣泛的應用，且傳輸速率高、穩(wěn)定性可靠。但是以上的幾種方式，都是基于上位機和下位機操作而實現的。本文在分析現有設計的基礎上，采用CPLD器件實現了嵌入式設計，采用高精度溫度傳感器Pt1000采集溫度[4-5]，經過試驗驗證，儀器操作方便、試驗快捷，試驗結果符合國家標準。

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)產物為二氧化碳、剩余氧氣、氮氣、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行吸收，根據試樣燃燒前、后量熱系統(tǒng)產生的溫升，并對點火熱、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熱物質(苯甲酸)來確定[6-8]。

2　系統(tǒng)的硬件整體設計

系統(tǒng)硬件設計分主板卡和人機界面卡。主板卡主要完成溫度采集、點火控制與點火判斷、攪拌電機控制、氧彈識別以及故障檢測與報警等功能。人機界面卡主要完成鍵盤輸入、時鐘模塊、數據存儲、液晶顯示以及打印機輸出控制等。主板卡與人機界面卡均采用P89V669單片機和高性價比的CPLD器件ATF1508AS搭建整體硬件平臺，兩個板卡之間通過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　人機界面卡硬件框圖

3　溫度采集電路設計與A/D轉換

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

圖3　溫度采集模塊電路原理圖

根據原理圖，假設運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。

測量分內桶和外桶，因此設計2路溫度采集通道，設計采用一片四通道24位A/D轉換芯ADS1253。采用ADR444BRZ作為電壓基準芯片，為A/D采樣提供基準電壓。A/D轉換原理圖如圖4所示。ADS1253的數據輸出頻率受采樣頻率的影響，設計中采用1 MHz有源晶振經128分頻(7 812 Hz)電路得來，根據芯片資料，此時ADS1253的數據輸出頻率約20 Hz．

圖4　A/D轉換原理圖

4　溫度采樣的軟件實現

4．1初期采樣

為了進行冷卻校正的計算，需要知道點火時內筒的冷卻速度。為此，為試驗過程中設置一個初期，以其平均冷卻速度作為點火時的冷卻速度。在內筒溫度均勻一致后，準確測量出一個溫度值。測準至0．001 ℃，記為t0_Fri，同時開始記時。5 min后，再準確測一次溫度，記為t0。隨后測量并計算出V0。流程圖見圖5。

圖5　初期采樣軟件設計流程圖

4．2主期采樣

點火后，試驗進入主期。若45 s后內溫度急劇上升，則表明點火成功。流程圖見圖6。

4.3末期采樣

當內筒溫度出現下降時，試驗進入末期。從上述第一個下降溫度點開始計時，5 min后，準確測取內筒溫度，記作tn．停止攪拌，結束試驗。流程圖見圖7。

設置末期，是為了計算末期平均冷卻速度，并以該冷卻速度代表終點時的冷卻速度，作為冷卻校正值的計算之用。末期內，內筒向外筒散熱，其溫度不斷下降，因此，末期冷卻速度是一個正值。

4　試驗與測試數據分析

試驗按國標法和瑞方法分別進行。通過人機界面控制板控制主控板來完成測試。人機界面給主控板發(fā)送測試參數、測試開始命令。主控板完成初期、主期、末期的采樣及控制工作，計算測試數據結果，向人機界面控制板返回實時溫度值、測試狀態(tài)。流程圖見圖8。

通過試驗，對試驗數據進行“四舍六入五成雙”處理后可以得出，對樣重為1．300 6 g、0．700 0 g、1．004 5 g、0．704 4 g、1．280 4 g的5例樣品進行熱容量試驗，主期時間均為9 min，熱容量的平均值為10 135．77 J/K，相對標準差為0．06%，極差為15．42 J/K，各項數據均符合國家標準。此外，對樣重為0．690 9 g、0．994 2 g、1．301 8 g、1．279 7 g、0.744 2 g的5個樣品進行了發(fā)熱量的測試，測試的主期時間同樣均為9 min，發(fā)熱量平均值為26 445．17 J/g，相對標準差為0．09%，極差為53．17，測試結果符合國家標準。

5　結論

設計嚴格按照GB(T)2013—2003標準，采用高精度溫度傳感器Pt1000進行溫度采集，具有很高的穩(wěn)定性，經過測量，熱容量和發(fā)熱量主期時間穩(wěn)定，相對標準差、極差都符合國家標準。在煤炭生產、電力、石油化工、水泥以及科研等行業(yè)應用前景良好。

圖6　主期采樣軟件設計流程圖

圖7　末期采樣軟件流程圖

圖8　整機試驗流程圖

參考文獻：

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