數(shù)字化智能液體汽化熱測(cè)量系統(tǒng)研制*

郭 茜

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

王國余

(江蘇大學(xué)理學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

邱俊峰

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

數(shù)字化智能液體汽化熱測(cè)量系統(tǒng)研制*

郭 茜

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

王國余

(江蘇大學(xué)理學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

邱俊峰

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)傳統(tǒng)的液體汽化熱測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程繁瑣、測(cè)量誤差大的不足，設(shè)計(jì)和制作了一種基于單片機(jī)開發(fā)的數(shù)字化智能液體汽化熱測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該測(cè)量系統(tǒng)以K60單片機(jī)為核心，用壓力傳感器精確測(cè)量液體質(zhì)量，單片機(jī)閉環(huán)控制可控硅的接入電阻使加熱器恒壓加熱液體，排出的液體蒸氣的質(zhì)量由單片機(jī)A/D采集的電壓變化量并結(jié)合均值濾波實(shí)時(shí)計(jì)算得出，對(duì)干擾與誤差進(jìn)行去噪與優(yōu)化處理.

汽化熱測(cè)量 單片機(jī) PID控制 均值濾波

1 引言

汽化熱是物質(zhì)的一種物理性質(zhì).物質(zhì)由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化的過程稱為汽化.單位質(zhì)量的液體汽化為同溫度的蒸氣時(shí)所吸收的熱量叫做液體的汽化熱.汽化熱的測(cè)量大部分采用電熱混合冷凝法.混合冷凝法在實(shí)驗(yàn)時(shí)將汽化了的水蒸汽通過導(dǎo)管輸入冷凝器中，蒸汽在冷凝器中凝結(jié)，測(cè)出冷凝水的質(zhì)量和冷凝過程中放出的熱量，就可以測(cè)出水的汽化熱.用這種方法測(cè)量水的汽化熱不僅設(shè)備復(fù)雜，操作也不方便，而且測(cè)量結(jié)果的不確定度也比較大[1].

隨著電子技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式芯片被應(yīng)用到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)之中，使原本操作復(fù)雜、難于控制、測(cè)量精度不足的實(shí)驗(yàn)變得簡單可靠、易于操作.因此，本文提出一種基于K60單片機(jī)的數(shù)字處理液體汽化熱測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)電壓控制以及實(shí)時(shí)質(zhì)量的測(cè)量均由數(shù)字系統(tǒng)自動(dòng)完成.操作者既可以根據(jù)OLED顯示屏的讀數(shù)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算汽化熱，也可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)直接讀出由單片機(jī)計(jì)算出的汽化熱數(shù)值.

2 實(shí)驗(yàn)原理

汽化熱與汽化時(shí)的溫度有關(guān)，液體的汽化熱隨著溫度的升高而減小.以測(cè)定水在沸騰時(shí)的汽化熱為例介紹本裝置的實(shí)驗(yàn)原理.

電加熱器中裝有適量水，接通電源，調(diào)節(jié)電壓為U1，待水沸騰并穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，同時(shí),讀出電子秤的示數(shù)m1，經(jīng)過時(shí)間t后，再次讀出電子秤的示數(shù)m2，儀器向外界散發(fā)的熱量為Q1.

根據(jù)能量守恒定律，電壓源做功

(1)

調(diào)節(jié)電壓為U2，重復(fù)上面的步驟，得到數(shù)據(jù)m3，m4和Q2.同樣可得

(2)

由于兩次加熱時(shí)間相同且外界環(huán)境變化不明顯時(shí)，可把兩次散熱近似看作相同，即

Q1=Q2

(3)

式(1)-(2)得到水的汽化熱

(4)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)裝置主要由3部分構(gòu)成：電壓控制模塊、質(zhì)量采集模塊以及實(shí)時(shí)顯示模塊.裝置的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.

圖1 裝置系統(tǒng)框圖

為了提高測(cè)量精度，本實(shí)驗(yàn)裝置在硬件上選擇精度較高、反應(yīng)較為靈敏的傳感器，如SPT205B精密電壓互感器、高精度HX711AD采集模塊等；在軟件上采用一系列經(jīng)典控制算法對(duì)干擾與誤差進(jìn)行去噪與優(yōu)化處理，如均值濾波算法、PID閉環(huán)控制算法[2]等.

3.1 電壓控制模塊

電壓控制模塊包括空氣開關(guān)、可控硅調(diào)壓裝置、舵機(jī)、電加熱器(塑料水壺和電熱絲)、SPT205B電壓互感器、GBJ2510整流橋和電源插座.

其原理圖如圖2所示，閉合空氣開關(guān)，打開單片機(jī)控制電路，設(shè)定需要的電壓.此時(shí)，單片機(jī)會(huì)不斷采集并聯(lián)在電加熱器兩側(cè)經(jīng)電壓互感器等比例縮小后，再經(jīng)過整流橋整流后的實(shí)時(shí)電壓值，然后經(jīng)過折算得到真實(shí)電壓值，將此時(shí)的電壓真實(shí)值與想要達(dá)到的目標(biāo)值進(jìn)行比較，運(yùn)用PID算法，控制舵機(jī)的打角，從而控制可控硅的接入電阻，最終實(shí)現(xiàn)控制電壓的目的.

圖2 電壓控制模塊原理圖

電壓的控制采用PID算法，此算法對(duì)電壓變化的時(shí)效性要求很高，在采樣電阻兩端并聯(lián)上濾波電容會(huì)使交流電壓變成直流電壓，此舉雖然易于單片機(jī)測(cè)量，卻會(huì)使電壓變化的時(shí)效性大大降低，無法滿足控制的要求.因此，本裝置采用均值濾波算法.

交流電的周期為0.02 s，整流后周期變?yōu)樵瓉淼囊话耄?.01 s.K60單片機(jī)的定時(shí)中斷PIT可以達(dá)到1 μs的精度，通過示波器測(cè)量，在10 ms內(nèi)K60的A/D采集可以達(dá)到40次.因此，本裝置利用PIT定時(shí)中斷，每隔40 ms中斷一次，每次中斷期間進(jìn)行40次A/D采集，即整流后的一個(gè)周期，然后對(duì)采集到的40個(gè)值取平均，得到電壓的平均值，最后根據(jù)平均值與有效值的換算公式

(5)

計(jì)算出實(shí)時(shí)電壓值.

3.2 質(zhì)量采集模塊

質(zhì)量采集模塊由壓敏電阻和高精度HX711AD采集模塊構(gòu)成.

質(zhì)量采集模塊的原理如圖3所示，將5 V直流電源接在電橋的上端和下端，將電橋的左端和右端接在HX711AD采集模塊上，打開單片機(jī)控制電路.

圖3 質(zhì)量采集模塊原理圖

單片機(jī)向HX711發(fā)送A/D采集指令，HX711會(huì)檢測(cè)電橋左右兩端的差分電壓，采集完成后，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)差分電壓的數(shù)值計(jì)算出此時(shí)物體的質(zhì)量.

HX711內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，本裝置采用A通道128增益采集差分電壓的數(shù)值.DOUT為數(shù)據(jù)輸出管腳，PD_SCK為串口時(shí)鐘管腳.當(dāng)DOUT為高電平時(shí)，表明芯片還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)PD_SCK應(yīng)置為低電平.當(dāng)DOUT變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，表明芯片已經(jīng)準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)PD_SCK應(yīng)輸入25個(gè)時(shí)鐘脈沖.第一個(gè)時(shí)鐘脈沖讀出數(shù)據(jù)的最高位，第二個(gè)時(shí)鐘脈沖讀出數(shù)據(jù)的次高位，直至第24個(gè)時(shí)鐘脈沖完成24位數(shù)據(jù)的傳輸.第25個(gè)時(shí)鐘脈沖用來選擇下一次A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益.

圖4 HX711內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于差分電壓很小(毫伏級(jí))，非常容易受到外界的干擾，因此，對(duì)采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波非常重要.經(jīng)過分析和測(cè)試，采用限幅濾波和眾數(shù)濾波可以較好地解決這一問題.具體方法如圖5所示.

3.3 實(shí)時(shí)顯示模塊

實(shí)時(shí)顯示模塊由OLED液晶屏構(gòu)成.

OLED液晶屏具備自發(fā)光、不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，具有許多LCD顯示屏不可比擬的優(yōu)勢(shì).其工作原理如圖6所示.

只需將OLED液晶屏的引腳與K60的對(duì)應(yīng)引腳相連接，調(diào)用相關(guān)函數(shù)便可以實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖5 濾波程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

裝置設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證儀器的可靠性.

以水作為待測(cè)液體，注入實(shí)驗(yàn)裝置.查閱相關(guān)資料可知水在100 ℃時(shí)的汽化熱為2 256.69 kJ/kg，由電橋法[4]測(cè)量出電熱絲的阻值為42.3 Ω.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.根據(jù)式(4)計(jì)算出相應(yīng)的測(cè)量值如表2所示.其中，序號(hào)1和2是對(duì)照實(shí)驗(yàn)，僅改變測(cè)試時(shí)間；1和3也是對(duì)照實(shí)驗(yàn)，僅改變測(cè)試電壓的差值.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最大誤差為-70.0 J/g，最小誤差為36.7 J/g，平均誤差為-31.6 J/g，誤差滿足測(cè)量精度要求.由對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以看出：在一定范圍內(nèi)，測(cè)量精度隨著測(cè)試時(shí)間的增加而提高，隨著測(cè)試電壓差值的減小而降低.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)過不斷調(diào)試和改進(jìn)，成功開發(fā)出基于K60單片機(jī)的智能液體汽化熱測(cè)量系統(tǒng).測(cè)試結(jié)果表明：該裝置的測(cè)量值與理論值之間的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，說明本裝置的精度較高.運(yùn)用單片機(jī)控制實(shí)驗(yàn)全程使實(shí)驗(yàn)易于操作，除了水，其他無毒液體的汽化熱均可由該裝置測(cè)量，具有很好的應(yīng)用前景.

1 孫現(xiàn)亭，姬鵬飛，萬明理. 汽化熱實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì). 河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，24(2)：71～73

2 劉國海，楊年法. 自動(dòng)控制原理. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014

3 王正林，龔純，何倩. 精通MATLAB科學(xué)計(jì)算. 北京：電子工業(yè)出版社，2007

4 許伯強(qiáng)，王紀(jì)俊，曹國榮，等. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn). 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)出版社，2011

Development on the Digital Intelligent Liquid Vaporization Heat Measurement System

Guo Qian

(School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu 212013)

Wang Guoyu

(Faculty of Science，Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu 212013)

Qiu Junfeng

(School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu 212013)

The traditional liquid vaporization heat measurement installation have some deficiencies. Firstly, the complicate installation make experiment difficult to do. Secondly, the error it committed is large. Thus, we design and make a digital intelligent liquid vaporization heat measurement system based on SCM, in order to improve the intelligence and controllability. The system based on K60 SCM use the pressure sensor to measure the mass of liquid. K60 controls the access resistance by closed loop control to keep heater working at constant voltage. Furthermore, the mass of vapor can be calculate in real time, calculated through a variation of voltage gathered by A/D and average filter, which can remove the noise and interference.

liquid vaporization heat measurement；SCM；PID control；average filter

*江蘇大學(xué)高等教育教改研究課題，項(xiàng)目編號(hào)：2015JGYB043

郭茜(1996- )，女，在讀本科生，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置.

王國余(1968- )，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn).

2016-10-20)