高精密全水分測試儀的研究與設(shè)計

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，煤的水分是一個重要的計質(zhì)和計量指標(biāo)［1～2］。在煤質(zhì)分析中，煤的水分是進行不同基的煤質(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)境對測試結(jié)果的影響［10］。通過對改進設(shè)計而成的快速水分儀進行分析水分精密度試驗、分析水分準(zhǔn)確度實驗、￠6全水分精密度實驗、￠6全水分準(zhǔn)確度實驗驗證。

2　測試系統(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)量損失計算全水分或分析基水分。

3　儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1　硬件整體框圖設(shè)計

整個硬件系統(tǒng)包括以下主要模塊：單片機控制模塊、光波+微波加熱管加熱模塊、熱電偶測溫模塊、AD采樣模塊、超溫、斷偶硬件保護模塊、通氮氣模塊、電源模塊等。其硬件框圖如圖1所示。

圖1　儀器硬件設(shè)計整體框圖

3.2　主要硬件電路模塊設(shè)計

3.2.1熱電偶測溫模塊

圖2　熱電偶測溫模塊原理圖

采用K型熱電偶測溫（考慮采用防損效果好的鎧裝熱電偶），前級放大器采用AD620運算放大器，放大器的放大倍數(shù)取50.4倍。冷端溫度由測溫芯片LM75A測得。

3.2.2A-D采樣模塊

A-D采樣芯片采用ADS1110A0IDBVT，該芯片價格較低，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

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

圖4　加熱管連接示意圖

圖5　硬件超溫保護電路

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

儀器的軟件系統(tǒng)設(shè)計由CAN通訊、實驗?zāi)K、溫度模塊、AD轉(zhuǎn)換、異常檢測幾個部分組成。CAN通訊完成與上、下位機的數(shù)據(jù)交換，實驗?zāi)K自主的完成整個實驗所需要執(zhí)行的部件和相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測，溫度模塊則主要是通過查表方式計算和校正溫度、同時通過PID算法實現(xiàn)控溫。AD轉(zhuǎn)換模塊則由單片機自動處理此過程，軟件只需對相關(guān)寄存器作相應(yīng)配置；異常檢測模塊則是程序主循環(huán)中定時對系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)進行判斷，如出現(xiàn)異常則上傳異常信息，同時鎖定相應(yīng)的動作部件直到故障解除，其溫度模塊和AD模塊設(shè)計流程圖分別如圖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　實驗數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

5　試驗

通過軟硬件設(shè)計，對本光波水分測試器儀進行分析水空氣干燥法精密度試驗、分析水空氣干燥法準(zhǔn)確度實驗、￠6全水空氣干燥法精密度實驗、￠6全水空氣干燥法準(zhǔn)確度實驗、分析水通氮干燥法精密度實驗、分析水通氮干燥法準(zhǔn)確度實驗、￠6全水通氮干燥法精密度實驗、￠6全水通氮干燥法準(zhǔn)確度實驗驗證，其試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

6　結(jié)語

本文設(shè)計的光波水分測試儀測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、低水分煤試樣進行實驗，本光波水分測試儀測試分析水分、￠6全水分的實驗結(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，測試結(jié)果均符合國標(biāo)要求。

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