基于PT1000的自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)

李嵐

摘要：目的：介紹一種基于PT1000的自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)。方法：改變傳統(tǒng)上下位機(jī)控制的方法，采用可編程邏輯器件，將主控制卡和人機(jī)界面兩部分分開控制，采用SPI通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，內(nèi)外筒溫度采集均采用高精度的溫度傳感器PT1000采集，試驗(yàn)過程中，對于初期、主期以及末期的溫度采集以及C值的算法均按照試驗(yàn)的要求設(shè)置，試驗(yàn)環(huán)境采用高精度恒溫系統(tǒng)，盡量避免由環(huán)境溫差引起的誤差。結(jié)果：經(jīng)過瑞方法和國標(biāo)法對熱容量和發(fā)熱量的測試，測試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論：本設(shè)計(jì)方法可行。具有良好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PT1000；自動量熱儀；發(fā)熱量；熱容量

中圖分類號：TP334.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8306-02

發(fā)熱量是衡量煤的質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是衡量煤的計(jì)價(jià)的主要依據(jù)。我國是產(chǎn)煤大國，需要精密快速的量熱儀來測量煤的發(fā)熱量。大部分產(chǎn)品一般采用單片機(jī)控制或者上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制形式，單片機(jī)控制在現(xiàn)有條件下已經(jīng)無法完成大數(shù)據(jù)處理，處理速度慢。而ISA插槽在計(jì)算機(jī)主板上逐漸淘汰，從而影響下一代產(chǎn)品的更新。PCI局部總線傳輸速率高、穩(wěn)定性可靠，但一般都基于上下位機(jī)操作。該文采用高性價(jià)比的CPLD器件實(shí)現(xiàn)了嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用PT1000實(shí)現(xiàn)溫度采集[4][5]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用自動水循環(huán)結(jié)構(gòu)，保證了內(nèi)筒水的自動定量與水溫調(diào)節(jié)，試驗(yàn)過程中，對于初期、主期以及末期的溫度采集以及C值的算法均按照試驗(yàn)的要求設(shè)置，試驗(yàn)環(huán)境采用高精度恒溫系統(tǒng)，盡量避免由環(huán)境溫差引起的誤差。設(shè)計(jì)驗(yàn)證后儀器精度高，試制可行。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 自動量熱儀工作原理

該文中設(shè)計(jì)的量熱儀的工作原理是：稱取單位質(zhì)量的煤樣，在氧彈中經(jīng)充分燃燒，用一定質(zhì)量的水去吸收其釋放的熱量，然后采集燃燒之前和燃燒后的水溫，由PT1000測得的由溫度變化而引起的對應(yīng)的電信號進(jìn)行采集，并對系統(tǒng)進(jìn)行熱量校正，通過A/D轉(zhuǎn)換后，采用一定的數(shù)字濾波方法進(jìn)行濾波處理，并用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正后得到[6][7][8]。

2 硬件設(shè)計(jì)

其硬件原理框圖如圖1所示，主要分兩個(gè)部分：主板控制卡部分和人機(jī)界面卡部分。硬件平臺采用CPLD器件ATF1508AS，穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。

3 單元電路的設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集電路的設(shè)計(jì)

溫度采集電路對本設(shè)計(jì)而言非常重要，對溫度的采集測量是否準(zhǔn)確對儀器的測量準(zhǔn)確度影響非常大[9-10]，本設(shè)計(jì)采用了精度為0.0001℃的溫度傳感器PT1000進(jìn)行溫度采集，其原理圖如圖2。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

溫度的測量分內(nèi)桶和外桶，分兩路溫度采集通道，采用四通道24位A/D轉(zhuǎn)換芯ADS1253對采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用ADR444BRZ作為電壓基準(zhǔn)芯片，為A/D采樣提供基準(zhǔn)電壓。其原理圖如圖3和圖4所示。

4 溫度采樣流程

溫度采樣分三個(gè)流程： 初期采樣、主期采樣和末期采樣；初期采樣主要是為了采集在點(diǎn)火之前的內(nèi)筒溫度，同時(shí)，需要知道點(diǎn)火時(shí)的冷卻速度，在其溫度均勻一致后，測得其溫度值。主期采樣主要是采集點(diǎn)火后的溫度值以及點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)到45s后的溫升?？梢杂?jì)算溫升速度。當(dāng)內(nèi)筒溫度出現(xiàn)下降時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)入末期。5分鐘后，準(zhǔn)確測取內(nèi)筒溫度。停止攪拌，結(jié)束試驗(yàn)。計(jì)算冷卻速度，并以冷卻速度代表終點(diǎn)時(shí)的冷卻速度，作為冷卻校正值的計(jì)算之用。

5 試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)分析

人機(jī)界面控制板控制主控板。人機(jī)界面給主控板發(fā)送測試參數(shù)、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(jì)算測試數(shù)據(jù)結(jié)果，向人機(jī)界面控制板返回實(shí)時(shí)溫度值、測試狀態(tài)。通過試驗(yàn)。測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1所示。（檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)部分進(jìn)行了“四舍六入五成雙”處理。）

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)經(jīng)過軟硬件的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)，試制可行。在人機(jī)界面部分，后期還可以進(jìn)行觸摸屏的設(shè)計(jì)探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李英華.煤質(zhì)分析應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 胡彪，孟志強(qiáng)，胡如龍.PCI總線技術(shù)在量熱儀系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（6）：40-43.

[3] 胡彪.快速量熱儀的研究與設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[4] 單勇，徐廣立.智能自動量熱儀的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2009（1）：59-60.

[5] 崔廣潤忠，李中原.微機(jī)量熱儀的點(diǎn)火控制方式對發(fā)熱量測值的影響[J].周口師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（2）：26-28.

[6] 李樹龍，楊海生.環(huán)境對自動量熱儀測試過程中的影響分析[J].煤質(zhì)技術(shù)，2012（11）.

[7] 蔣偉，趙書俊，徐航，等.基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（15）.

[8] 陸陽，韓江紅.鉑電阻測溫系統(tǒng)溫度補(bǔ)償方法 [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2000（3）.

[9] 蔣偉.基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀的設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2010.

[10] 李平.基于單片機(jī)的恒溫式自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2011.endprint

摘要：目的：介紹一種基于PT1000的自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)。方法：改變傳統(tǒng)上下位機(jī)控制的方法，采用可編程邏輯器件，將主控制卡和人機(jī)界面兩部分分開控制，采用SPI通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，內(nèi)外筒溫度采集均采用高精度的溫度傳感器PT1000采集，試驗(yàn)過程中，對于初期、主期以及末期的溫度采集以及C值的算法均按照試驗(yàn)的要求設(shè)置，試驗(yàn)環(huán)境采用高精度恒溫系統(tǒng)，盡量避免由環(huán)境溫差引起的誤差。結(jié)果：經(jīng)過瑞方法和國標(biāo)法對熱容量和發(fā)熱量的測試，測試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論：本設(shè)計(jì)方法可行。具有良好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PT1000；自動量熱儀；發(fā)熱量；熱容量

中圖分類號：TP334.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8306-02

發(fā)熱量是衡量煤的質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是衡量煤的計(jì)價(jià)的主要依據(jù)。我國是產(chǎn)煤大國，需要精密快速的量熱儀來測量煤的發(fā)熱量。大部分產(chǎn)品一般采用單片機(jī)控制或者上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制形式，單片機(jī)控制在現(xiàn)有條件下已經(jīng)無法完成大數(shù)據(jù)處理，處理速度慢。而ISA插槽在計(jì)算機(jī)主板上逐漸淘汰，從而影響下一代產(chǎn)品的更新。PCI局部總線傳輸速率高、穩(wěn)定性可靠，但一般都基于上下位機(jī)操作。該文采用高性價(jià)比的CPLD器件實(shí)現(xiàn)了嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用PT1000實(shí)現(xiàn)溫度采集[4][5]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用自動水循環(huán)結(jié)構(gòu)，保證了內(nèi)筒水的自動定量與水溫調(diào)節(jié)，試驗(yàn)過程中，對于初期、主期以及末期的溫度采集以及C值的算法均按照試驗(yàn)的要求設(shè)置，試驗(yàn)環(huán)境采用高精度恒溫系統(tǒng)，盡量避免由環(huán)境溫差引起的誤差。設(shè)計(jì)驗(yàn)證后儀器精度高，試制可行。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 自動量熱儀工作原理

該文中設(shè)計(jì)的量熱儀的工作原理是：稱取單位質(zhì)量的煤樣，在氧彈中經(jīng)充分燃燒，用一定質(zhì)量的水去吸收其釋放的熱量，然后采集燃燒之前和燃燒后的水溫，由PT1000測得的由溫度變化而引起的對應(yīng)的電信號進(jìn)行采集，并對系統(tǒng)進(jìn)行熱量校正，通過A/D轉(zhuǎn)換后，采用一定的數(shù)字濾波方法進(jìn)行濾波處理，并用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正后得到[6][7][8]。

2 硬件設(shè)計(jì)

其硬件原理框圖如圖1所示，主要分兩個(gè)部分：主板控制卡部分和人機(jī)界面卡部分。硬件平臺采用CPLD器件ATF1508AS，穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。

3 單元電路的設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集電路的設(shè)計(jì)

溫度采集電路對本設(shè)計(jì)而言非常重要，對溫度的采集測量是否準(zhǔn)確對儀器的測量準(zhǔn)確度影響非常大[9-10]，本設(shè)計(jì)采用了精度為0.0001℃的溫度傳感器PT1000進(jìn)行溫度采集，其原理圖如圖2。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

溫度的測量分內(nèi)桶和外桶，分兩路溫度采集通道，采用四通道24位A/D轉(zhuǎn)換芯ADS1253對采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用ADR444BRZ作為電壓基準(zhǔn)芯片，為A/D采樣提供基準(zhǔn)電壓。其原理圖如圖3和圖4所示。

4 溫度采樣流程

溫度采樣分三個(gè)流程： 初期采樣、主期采樣和末期采樣；初期采樣主要是為了采集在點(diǎn)火之前的內(nèi)筒溫度，同時(shí)，需要知道點(diǎn)火時(shí)的冷卻速度，在其溫度均勻一致后，測得其溫度值。主期采樣主要是采集點(diǎn)火后的溫度值以及點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)到45s后的溫升?？梢杂?jì)算溫升速度。當(dāng)內(nèi)筒溫度出現(xiàn)下降時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)入末期。5分鐘后，準(zhǔn)確測取內(nèi)筒溫度。停止攪拌，結(jié)束試驗(yàn)。計(jì)算冷卻速度，并以冷卻速度代表終點(diǎn)時(shí)的冷卻速度，作為冷卻校正值的計(jì)算之用。

5 試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)分析

人機(jī)界面控制板控制主控板。人機(jī)界面給主控板發(fā)送測試參數(shù)、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(jì)算測試數(shù)據(jù)結(jié)果，向人機(jī)界面控制板返回實(shí)時(shí)溫度值、測試狀態(tài)。通過試驗(yàn)。測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1所示。（檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)部分進(jìn)行了“四舍六入五成雙”處理。）

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)經(jīng)過軟硬件的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)，試制可行。在人機(jī)界面部分，后期還可以進(jìn)行觸摸屏的設(shè)計(jì)探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李英華.煤質(zhì)分析應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 胡彪，孟志強(qiáng)，胡如龍.PCI總線技術(shù)在量熱儀系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（6）：40-43.

[3] 胡彪.快速量熱儀的研究與設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[4] 單勇，徐廣立.智能自動量熱儀的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2009（1）：59-60.

[5] 崔廣潤忠，李中原.微機(jī)量熱儀的點(diǎn)火控制方式對發(fā)熱量測值的影響[J].周口師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（2）：26-28.

[6] 李樹龍，楊海生.環(huán)境對自動量熱儀測試過程中的影響分析[J].煤質(zhì)技術(shù)，2012（11）.

[7] 蔣偉，趙書俊，徐航，等.基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（15）.

[8] 陸陽，韓江紅.鉑電阻測溫系統(tǒng)溫度補(bǔ)償方法 [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2000（3）.

[9] 蔣偉.基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀的設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2010.

[10] 李平.基于單片機(jī)的恒溫式自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2011.endprint

摘要：目的：介紹一種基于PT1000的自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)。方法：改變傳統(tǒng)上下位機(jī)控制的方法，采用可編程邏輯器件，將主控制卡和人機(jī)界面兩部分分開控制，采用SPI通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，內(nèi)外筒溫度采集均采用高精度的溫度傳感器PT1000采集，試驗(yàn)過程中，對于初期、主期以及末期的溫度采集以及C值的算法均按照試驗(yàn)的要求設(shè)置，試驗(yàn)環(huán)境采用高精度恒溫系統(tǒng)，盡量避免由環(huán)境溫差引起的誤差。結(jié)果：經(jīng)過瑞方法和國標(biāo)法對熱容量和發(fā)熱量的測試，測試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論：本設(shè)計(jì)方法可行。具有良好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PT1000；自動量熱儀；發(fā)熱量；熱容量

中圖分類號：TP334.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8306-02

發(fā)熱量是衡量煤的質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是衡量煤的計(jì)價(jià)的主要依據(jù)。我國是產(chǎn)煤大國，需要精密快速的量熱儀來測量煤的發(fā)熱量。大部分產(chǎn)品一般采用單片機(jī)控制或者上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制形式，單片機(jī)控制在現(xiàn)有條件下已經(jīng)無法完成大數(shù)據(jù)處理，處理速度慢。而ISA插槽在計(jì)算機(jī)主板上逐漸淘汰，從而影響下一代產(chǎn)品的更新。PCI局部總線傳輸速率高、穩(wěn)定性可靠，但一般都基于上下位機(jī)操作。該文采用高性價(jià)比的CPLD器件實(shí)現(xiàn)了嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用PT1000實(shí)現(xiàn)溫度采集[4][5]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用自動水循環(huán)結(jié)構(gòu)，保證了內(nèi)筒水的自動定量與水溫調(diào)節(jié)，試驗(yàn)過程中，對于初期、主期以及末期的溫度采集以及C值的算法均按照試驗(yàn)的要求設(shè)置，試驗(yàn)環(huán)境采用高精度恒溫系統(tǒng)，盡量避免由環(huán)境溫差引起的誤差。設(shè)計(jì)驗(yàn)證后儀器精度高，試制可行。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 自動量熱儀工作原理

該文中設(shè)計(jì)的量熱儀的工作原理是：稱取單位質(zhì)量的煤樣，在氧彈中經(jīng)充分燃燒，用一定質(zhì)量的水去吸收其釋放的熱量，然后采集燃燒之前和燃燒后的水溫，由PT1000測得的由溫度變化而引起的對應(yīng)的電信號進(jìn)行采集，并對系統(tǒng)進(jìn)行熱量校正，通過A/D轉(zhuǎn)換后，采用一定的數(shù)字濾波方法進(jìn)行濾波處理，并用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正后得到[6][7][8]。

2 硬件設(shè)計(jì)

其硬件原理框圖如圖1所示，主要分兩個(gè)部分：主板控制卡部分和人機(jī)界面卡部分。硬件平臺采用CPLD器件ATF1508AS，穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。

3 單元電路的設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集電路的設(shè)計(jì)

溫度采集電路對本設(shè)計(jì)而言非常重要，對溫度的采集測量是否準(zhǔn)確對儀器的測量準(zhǔn)確度影響非常大[9-10]，本設(shè)計(jì)采用了精度為0.0001℃的溫度傳感器PT1000進(jìn)行溫度采集，其原理圖如圖2。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

溫度的測量分內(nèi)桶和外桶，分兩路溫度采集通道，采用四通道24位A/D轉(zhuǎn)換芯ADS1253對采集的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用ADR444BRZ作為電壓基準(zhǔn)芯片，為A/D采樣提供基準(zhǔn)電壓。其原理圖如圖3和圖4所示。

4 溫度采樣流程

溫度采樣分三個(gè)流程： 初期采樣、主期采樣和末期采樣；初期采樣主要是為了采集在點(diǎn)火之前的內(nèi)筒溫度，同時(shí)，需要知道點(diǎn)火時(shí)的冷卻速度，在其溫度均勻一致后，測得其溫度值。主期采樣主要是采集點(diǎn)火后的溫度值以及點(diǎn)火時(shí)間點(diǎn)到45s后的溫升?？梢杂?jì)算溫升速度。當(dāng)內(nèi)筒溫度出現(xiàn)下降時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)入末期。5分鐘后，準(zhǔn)確測取內(nèi)筒溫度。停止攪拌，結(jié)束試驗(yàn)。計(jì)算冷卻速度，并以冷卻速度代表終點(diǎn)時(shí)的冷卻速度，作為冷卻校正值的計(jì)算之用。

5 試驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)分析

人機(jī)界面控制板控制主控板。人機(jī)界面給主控板發(fā)送測試參數(shù)、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(jì)算測試數(shù)據(jù)結(jié)果，向人機(jī)界面控制板返回實(shí)時(shí)溫度值、測試狀態(tài)。通過試驗(yàn)。測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1所示。（檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)部分進(jìn)行了“四舍六入五成雙”處理。）

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)經(jīng)過軟硬件的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)，試制可行。在人機(jī)界面部分，后期還可以進(jìn)行觸摸屏的設(shè)計(jì)探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李英華.煤質(zhì)分析應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 胡彪，孟志強(qiáng)，胡如龍.PCI總線技術(shù)在量熱儀系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（6）：40-43.

[3] 胡彪.快速量熱儀的研究與設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[4] 單勇，徐廣立.智能自動量熱儀的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2009（1）：59-60.

[5] 崔廣潤忠，李中原.微機(jī)量熱儀的點(diǎn)火控制方式對發(fā)熱量測值的影響[J].周口師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（2）：26-28.

[6] 李樹龍，楊海生.環(huán)境對自動量熱儀測試過程中的影響分析[J].煤質(zhì)技術(shù)，2012（11）.

[7] 蔣偉，趙書俊，徐航，等.基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（15）.

[8] 陸陽，韓江紅.鉑電阻測溫系統(tǒng)溫度補(bǔ)償方法 [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2000（3）.

[9] 蔣偉.基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀的設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2010.

[10] 李平.基于單片機(jī)的恒溫式自動量熱儀的研究與設(shè)計(jì)[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)碩士論文，2011.endprint