摘 要: 傳統(tǒng)的熱量計主要依靠手工操作,實驗步驟煩瑣復雜,測量效率很低,因此研究微機型自動熱量計具有重大的現(xiàn)實意義。本文設(shè)計出具有較高自動化程度的自動熱量計,從而大大地提高了工作效率。 關(guān)鍵字: 熱值測量計, 自動測量, 現(xiàn)場總線, 單片機 Abstracts: The traditional method of determination has many complicated courses and always needs much work made by man. So the research of automatic calorie meter makes significant, through the detailed analysis of principle and method of measurement, an automatic measuring instrument controlled by microcomputer is designed in this paper in order to take the place of manual operations. Keywords: Calorimeter, Automatic measurement, Field-Bus, Single-chip, 1 引言 　　煤作為動力燃料,主要指標之一是煤的發(fā)熱量。發(fā)熱量是計算熱平衡、熱效率和煤耗的依據(jù),以及鍋爐設(shè)計的參數(shù)。對熱值的精確測量關(guān)系到能源的開采和有效利用。依照熱值能確定使用燃料的多少,達到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。隨著人們對能源計量意識的提高,熱量計的使用越來越被重視。應用發(fā)熱量測定儀己成為普遍。為了適用于電力、煤炭、造紙、石化、水泥、農(nóng)牧、醫(yī)藥科研、教學等行業(yè)和部門測定測量煤、石油等可燃物的熱值,系統(tǒng)應能靈活設(shè)置以適應不同需要。 2 系統(tǒng)功能 　　 根據(jù)實際使用的需要,系統(tǒng)應達到下列各項技術(shù)指標: 　　1. 由微機實現(xiàn)測量過程的自動控制,系統(tǒng)具有良好的可擴展性; 　　2. 能對儀器的各個部件進行自動測試,自動識別氧彈、自動選擇熱容量; 　　3. 實驗過程中溫度測量、點火、攪拌、數(shù)據(jù)處理、過程判斷、結(jié)果打印、數(shù)據(jù)貯存、頂蓋升降全過程自動化,并提供自診斷系統(tǒng),確保儀器運行正常; 　　4. 系統(tǒng)連入帶標準通信口的電子天平后無需人工稱重,能自動輸入試樣質(zhì)量; 　　5. 系統(tǒng)熱容量的標定、彈筒發(fā)熱量的計算及對于煤的不同基發(fā)熱量的換算亦由計算機根據(jù)操作人員輸入的各種已知含硫量或含氫量以及水分含量自動完成; 　　6. 系統(tǒng)能用于煤和油的熱值測量,并設(shè)有兩種測量公式:瑞方公式和奔特公式可選擇。 3 熱值測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 　　 3.1 熱值測量系統(tǒng)原理框圖 　　為適應系統(tǒng)自動測試的要求,機械系統(tǒng)需進行改造,新的機械系統(tǒng)設(shè)計示意圖如圖1。由2, 3, 4. 9構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng),其中泵、上下閥由電子電路控制完成進水、灌水和放水,而量杯4制作成特殊形狀,以容積法替代稱重法完成對內(nèi)筒的充水過程,實測表明此法充水誤差小于1g,完全滿足國標要求,因而使自動充水成為可能。 [align=center] 圖1 熱值測量系統(tǒng)原理框圖[/align] 1.外筒 2.泵 3.上閥 4.量杯 5.溫度傳感器 6.攪拌器 7.內(nèi)筒 8.氧彈 9.下閥 3.2 熱值測量系統(tǒng)硬件原理框圖 　　為實現(xiàn)上面所述的各項功能,自動熱量系統(tǒng)采用PC、主單片機89052和從CPU 8902051協(xié)同工作的方式,各項功能劃分如圖2所示。溫度測量、點火絲檢測與控制、風扇攪拌以及網(wǎng)絡(luò)接口由89052實現(xiàn),閥門、內(nèi)筒控制和氧彈識別等由8902051完成,PC機則完成樣重采樣和各89052數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)運算、存儲、報表生成和硬拷貝輸出。PC和兩單片機之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)依據(jù)命令交互協(xié)調(diào)工作進程。 [align=center] 圖2 熱值測量系統(tǒng)硬件原理框圖[/align] 3.3 溫度參數(shù)的測量 　　為實現(xiàn)溫度測量的免調(diào)整,鉑電阻測溫電路采用基于基準電阻的動態(tài)校準算法,使得測量的精度僅與組成電橋的幾個電阻有關(guān)。 3.3.1 溫度測量電路的原理 　　鉑電阻測溫電路如圖3所示,橋路從左至右依次為測量支路、校準支路和電平偏移支路（參考支路）.其中R1和Rt組成測量支路,R0, RK、RL構(gòu)成校準支路,R3和R4構(gòu)成參考支路。Rt為鉑電阻傳感器,RL為量程低端校準電阻,RK為量程高端校準電阻,R0、R1、RK、RL采用精密線繞電阻。鉑電阻傳感器采用4線接法,以降低環(huán)境溫度發(fā)生變化時連接線引起的測量誤差,r0、r1、r2、r3為傳感器的輸入連接線電阻。A為放大器,ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 [align=center] 圖3 鉑電阻測溫電路[/align] 3.3.2 測量支路 　　測量電路中多路開關(guān)S的切換由雙4選1模擬開關(guān)4052（內(nèi)部的兩個模擬開關(guān)是電絕緣的,完全獨立）實現(xiàn),4052的輸出直接接至放大器的輸入端。4052的Y0, Y1, Y3都接到電橋的參考支路上,則當4052接通X0時,輸出電壓對應的數(shù)字量是NL;當4052接通X1時,輸出電壓對應的數(shù)字量是NH;當4052接至X3時,輸出電壓對應的數(shù)字量是Nt。X2這一通道留作點火絲檢測使用。 　　測量支路（既4052的X3通道）串接電阻IR5后通過電容IC5接到地,目的是消除測量時引入的噪聲。 3.3.3 測量放大器 　　溫度測量電路中放大器采用美國AD公司的精密單片集成測量放大器AD620。AD620是根據(jù)典型的三運放結(jié)構(gòu)改進而成的一種單片儀表放大器,是一種完整的差分或減法放大系統(tǒng),由于對內(nèi)部匹配電阻進行了精密激光修整,所以具有優(yōu)良的線性度和共模抑制。它僅用一只外接電阻設(shè)置增益,范圍為2～1000單位增益無需外接電阻。 3.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器 　　溫度測量電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用美國Intersil公司的ICL7135。ICL7135為全MOS工藝4位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。在單極性基準電壓（VR=+1V ）供給之下,能對雙極性輸入的模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換,并自動輸出極性判別信號和自動量程控制信號。它采用了自校零技術(shù),可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定,零點的溫度系數(shù)<2μV/℃,模擬輸入可以是差動信號,輸入阻抗極高,輸入零點漏電流<10pA。采用字位動態(tài)掃描BCD碼輸出方式,一次A/D轉(zhuǎn)換完畢其數(shù)據(jù)輸出選通脈沖輸出端（STB）輸出5個負脈沖,分別選通高位到低位的BCD碼數(shù)據(jù)輸出。 3.4 系統(tǒng)檢測與控制模塊 　　點火絲檢測的實質(zhì)是檢測連入電路的點火絲的電阻大小。當點火絲短路時,電阻值很小,斷路時阻值較大,正常時電阻值介于兩種情況之間。閥門的位置檢測采用發(fā)光二極管和光敏三極管組成的光電檢測電路。閥門和桶蓋的開關(guān)使用可逆減速電機控制,點火、攪拌和風扇的接通由雙向可控硅控制。 3.5 網(wǎng)絡(luò)接口模塊 　　由于系統(tǒng)要求有一定的實時性和較復雜數(shù)據(jù)處理能力,因此依靠網(wǎng)絡(luò)將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機進行處理將是適宜的?？刂凭钟蚓W(wǎng)CAN是一種具有多主通信能力的現(xiàn)場總線,且其傳送的信息采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時間短,差錯率低,能很好地滿足系統(tǒng)的要求。因此本系統(tǒng)采用CAN總線搭建分布式的自動測試網(wǎng)絡(luò)。每一臺熱量計通過SJA1000和82C250連接到總線,PC機則通過RS232-CAN外置轉(zhuǎn)換卡連接至總線上。 3.6 數(shù)據(jù)處理模塊 　　數(shù)據(jù)處理模塊主要由PC機監(jiān)控軟件組成,數(shù)據(jù)通過CAN總線由熱量計經(jīng)RS232-CAN外置轉(zhuǎn)換卡傳送到PC。監(jiān)控軟件采用多線程方式時刻監(jiān)視串口,一旦接收到數(shù)據(jù),就利用PC機強大的數(shù)據(jù)處理能力進行計算。同時在軟件的操作界面上以實時曲線的形式動態(tài)顯示實驗數(shù)據(jù),并用動畫表示實驗正處于的實驗階段。數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是:操作串口收發(fā)命令與數(shù)據(jù)、實驗參數(shù)設(shè)置（包括算法選擇）、熱值計算、繪制溫度曲線、動畫顯示實驗進程、實驗數(shù)據(jù)管理、曲線和實驗結(jié)果的打印輸出等。 4 熱值測量系統(tǒng)軟件設(shè)計 　　 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135與單片機采用中斷方式連接,在中斷INT0的中斷服務(wù)程序中完成整個系統(tǒng)操作。在計算出溫度值之前,必須測得溫度測量電路的相關(guān)參數(shù)。因此在測量溫度之前,即在預備期中單片機通過模擬開關(guān)4052接到電路的不同位置,A/D轉(zhuǎn)換依次得NH、NL,并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至PC機。在初期、主期和末期測得的Nt也發(fā)送到PC機后,由PC機的軟件計算,并通過解鉑電阻傳感器的二次傳輸方程得到溫度值。不論是NH、NL還是Nt,單片機都是將它們當作形式相同的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC,PC軟件根據(jù)實驗正處于的不同階段對之作不同處理。系統(tǒng)主程序流程如圖4: [align=center] 圖4 單片機主程序流程[/align] 5 誤差分析 　　 微機型量熱儀的定值輸出及增益的恒定系統(tǒng)誤差不會帶來發(fā)熱量的測量誤差,但它們的穩(wěn)定性會影響發(fā)熱量測量精度。定值輸出溫漂系數(shù)、單位增益溫漂系數(shù)描述了這種影響的大小。儀器傳輸特性的非線性對發(fā)熱量測量精度的影響最大,所以在使用新的量熱儀前要進行線性度檢定實驗,即采取不同質(zhì)量的標準物質(zhì)進行檢定,如果測定結(jié)果的極差達到技術(shù)要求,則表明儀器的線性是好的。 　　根據(jù)對誤差的分析,可得到提高發(fā)熱量測量精度的方法: 　?。?） 盡量使測量發(fā)熱量時和標定熱容量時的內(nèi)筒起始溫度相近,即二者均應與環(huán)境溫度接近; 　?。?） 保持實驗過程中的機內(nèi)溫度盡可能恒定: 　　（3） 根據(jù)試樣發(fā)熱量估計值,適當控制用量,使實驗的溫升接近于標定熱容量時的溫升。 6 小結(jié)與本文創(chuàng)新點 　　本文由此實際需要出發(fā),詳細地分析熱值測量的原理和方法,設(shè)計出具有較高自動化程度的自動熱量計,從而大大地提高了工作效率。并且根據(jù)實際應用要求利用現(xiàn)場總線（CAN總線）技術(shù)將多臺自動熱量計組建成分布式測試系統(tǒng),由PC機作統(tǒng)一的控制和管理,各熱量計之間相互獨立,互不干擾。為使整個測量過程實現(xiàn)自動化、智能化,本文為此測量系統(tǒng)設(shè)計出了功能強大的監(jiān)控軟件。最后分析了運用本系統(tǒng)測量所產(chǎn)生的誤差,得到了一起傳輸特性的非線性對發(fā)熱量測量精度影響最大的結(jié)論,并就誤差來源提出了若干提高測量精度的措施。 參考文獻: 　　[1] 蘇文.淺談流量計的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].中國儀器儀表,2002.6 　　[2] 51系列單片機設(shè)計實例[M]. 樓然苗, 李光飛編著. 北京航空航天大學版社 　　[3] 陳為康,張建新,蔡忠海,等.數(shù)字式智能型電熱表的研制[J].煤氣與熱力,2001,（4）:324-325 　　[4] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,1996. 　　[5] 劉建華,吳秋瑞,王碩禾,崔躍華.基于單總線技術(shù)的熱量表的研制[J].微計算機信息.2005（5）