快速水分測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

劉 歡，鄧 婷

（湖南科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

快速水分測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)

劉 歡，鄧 婷

（湖南科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

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，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(lái)測(cè)量，升溫速率低，通氮方式單一，當(dāng)前為了提高升溫速率，設(shè)計(jì)中采用光波加熱的方式越來(lái)越多，取得了較好的效果，但是在處理時(shí)間上依然較長(zhǎng)，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。通過(guò)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)，測(cè)試結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，試制可行。

快速水分儀；煤質(zhì)分析；光波加熱；微波加熱

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)。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)。

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(lái)測(cè)量，升溫速率低，通氮方式單一，近年來(lái)，為了提高升溫速率，設(shè)計(jì)中采用光波加熱的方式越來(lái)越多，取得了較好的效果[1-3]，但是在處理時(shí)間上依然較長(zhǎng)，容易受到環(huán)境的影響，文中在此研究的基礎(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[4-7]。通過(guò)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)驗(yàn)證。

1 測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

稱(chēng)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[8-10]。

2 儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 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：?jiǎn)纹瑱C(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[11-12]。其硬件框圖如圖1所示。2.2 主要硬件電路模塊設(shè)計(jì)

圖1 儀器硬件設(shè)計(jì)整體框圖

2.2.1 熱電偶測(cè)溫模塊

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[13-15]。熱電偶測(cè)溫模塊原理圖如圖2所示。

2.2.2 A-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）。電路原理圖如圖3所示。

圖2 熱電偶測(cè)溫模塊原理圖

圖3 AD采樣模塊

2.2.3 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1.25 kW。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)。加熱管連接示意圖如圖4所示，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(guò)開(kāi)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(kāi)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2.5 kW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(guò)沖，在電路設(shè)計(jì)中增加了硬件超溫保護(hù)電路。硬件超溫保護(hù)電路如圖5所示。

圖4 加熱管連接示意圖

圖5 硬件超溫保護(hù)電路

3 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(guò)查表方式計(jì)算和校正溫度、同時(shí)通過(guò)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(guò)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6和如圖7所示。

圖6 溫度模塊流程圖

圖7 AD模塊流程圖

4 試 驗(yàn)

通過(guò)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)、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)驗(yàn)證，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

4.1 分析水分精密度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：?jiǎn)未渭訜? s中途停止2 s加熱時(shí)間：第一次300 s，第二次250 s，第三次250 s，遞增250 s恒溫點(diǎn)：80℃ ，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 分析水分準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：?jiǎn)未渭訜? s中途停止2 s加熱時(shí)間：第一次300 s，第二次250 s，第三次250 s，遞增250 s恒溫點(diǎn)：80℃ 測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 分析水分精密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 分析水分準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的光波水分測(cè)試儀測(cè)試整盤(pán)同種樣品的精密度符合國(guó)標(biāo)要求，無(wú)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(guó)標(biāo)要求。

[1]陳棣湘，唐鶯，潘孟春.高精度智能定硫儀的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（6）：1307-1309.

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[8]王宇.葉家瑋.謝振東.交通流仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Research and design of fast moisture tester

LIU Huan，DENG Ting
（Hunan Vocational College of Technology，Changsha 410004，China）

Water is an important quality index，it has an important role in the study of basic theory and processing of coal utilization in water testing，most of the infrared heating tube heating or drying box to measure，low heating rates，nitrogen through a single mode，in recent years，as the increasing of heating rate，the light wave heating more and more design，achieved good results，but in the processing time is still long，easily influenced by environment，based on this study，the heating methods to the wave and microwave heating method，greatly improving the heating rate，reduces the environmental impact on the test results.Analysis of precision test analysis of water，water accuracy experiments，results in line with national standard test，trial production feasible.

rapid moisture meter；quality analysis；wave heating；microwave heating

TN21

：A

：1674－6236（2017）01-0132-04

2016-01-10稿件編號(hào)：201601062

劉 歡（1981—），女，遼寧錦州人，碩士，講師。研究方向：電氣自動(dòng)化，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。