摘 要: 傳統(tǒng)的熱量計(jì)主要依靠手工操作,實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣復(fù)雜,測(cè)量效率很低,因此研究微機(jī)型自動(dòng)熱量計(jì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)出具有較高自動(dòng)化程度的自動(dòng)熱量計(jì),從而大大地提高了工作效率。 關(guān)鍵字: 熱值測(cè)量計(jì), 自動(dòng)測(cè)量, 現(xiàn)場(chǎng)總線, 單片機(jī) 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(dòng)力燃料,主要指標(biāo)之一是煤的發(fā)熱量。發(fā)熱量是計(jì)算熱平衡、熱效率和煤耗的依據(jù),以及鍋爐設(shè)計(jì)的參數(shù)。對(duì)熱值的精確測(cè)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(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本的目的。隨著人們對(duì)能源計(jì)量意識(shí)的提高,熱量計(jì)的使用越來越被重視。應(yīng)用發(fā)熱量測(cè)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(xué)等行業(yè)和部門測(cè)定測(cè)量煤、石油等可燃物的熱值,系統(tǒng)應(yīng)能靈活設(shè)置以適應(yīng)不同需要。 2 系統(tǒng)功能 　　 根據(jù)實(shí)際使用的需要,系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到下列各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo): 　　1. 由微機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的自動(dòng)控制,系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性; 　　2. 能對(duì)儀器的各個(gè)部件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試,自動(dòng)識(shí)別氧彈、自動(dòng)選擇熱容量; 　　3. 實(shí)驗(yàn)過程中溫度測(cè)量、點(diǎn)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(dòng)化,并提供自診斷系統(tǒng),確保儀器運(yùn)行正常; 　　4. 系統(tǒng)連入帶標(biāo)準(zhǔn)通信口的電子天平后無需人工稱重,能自動(dòng)輸入試樣質(zhì)量; 　　5. 系統(tǒng)熱容量的標(biāo)定、彈筒發(fā)熱量的計(jì)算及對(duì)于煤的不同基發(fā)熱量的換算亦由計(jì)算機(jī)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(dòng)完成; 　　6. 系統(tǒng)能用于煤和油的熱值測(cè)量,并設(shè)有兩種測(cè)量公式:瑞方公式和奔特公式可選擇。 3 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 　　 3.1 熱值測(cè)量系統(tǒng)原理框圖 　　為適應(yīng)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試的要求,機(jī)械系統(tǒng)需進(jìn)行改造,新的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)內(nèi)筒的充水過程,實(shí)測(cè)表明此法充水誤差小于1g,完全滿足國標(biāo)要求,因而使自動(dòng)充水成為可能。 [align=center] 圖1 熱值測(cè)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(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖 　　為實(shí)現(xiàn)上面所述的各項(xiàng)功能,自動(dòng)熱量系統(tǒng)采用PC、主單片機(jī)89052和從CPU 8902051協(xié)同工作的方式,各項(xiàng)功能劃分如圖2所示。溫度測(cè)量、點(diǎn)火絲檢測(cè)與控制、風(fēng)扇攪拌以及網(wǎng)絡(luò)接口由89052實(shí)現(xiàn),閥門、內(nèi)筒控制和氧彈識(shí)別等由8902051完成,PC機(jī)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(yùn)算、存儲(chǔ)、報(bào)表生成和硬拷貝輸出。PC和兩單片機(jī)之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)依據(jù)命令交互協(xié)調(diào)工作進(jìn)程。 [align=center] 圖2 熱值測(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖[/align] 3.3 溫度參數(shù)的測(cè)量 　　為實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的免調(diào)整,鉑電阻測(cè)溫電路采用基于基準(zhǔn)電阻的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)算法,使得測(cè)量的精度僅與組成電橋的幾個(gè)電阻有關(guān)。 3.3.1 溫度測(cè)量電路的原理 　　鉑電阻測(cè)溫電路如圖3所示,橋路從左至右依次為測(cè)量支路、校準(zhǔn)支路和電平偏移支路（參考支路）.其中R1和Rt組成測(cè)量支路,R0, RK、RL構(gòu)成校準(zhǔn)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(zhǔn)電阻,RK為量程高端校準(zhǔn)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(shí)連接線引起的測(cè)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(cè)溫電路[/align] 3.3.2 測(cè)量支路 　　測(cè)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(gè)模擬開關(guān)是電絕緣的,完全獨(dú)立）實(shí)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(dāng)4052接通X0時(shí),輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是NL;當(dāng)4052接通X1時(shí),輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是NH;當(dāng)4052接至X3時(shí),輸出電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是Nt。X2這一通道留作點(diǎn)火絲檢測(cè)使用。 　　測(cè)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(cè)量時(shí)引入的噪聲。 3.3.3 測(cè)量放大器 　　溫度測(cè)量電路中放大器采用美國AD公司的精密單片集成測(cè)量放大器AD620。AD620是根據(jù)典型的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(duì)內(nèi)部匹配電阻進(jìn)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(cè)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(zhǔn)電壓（VR=+1V ）供給之下,能對(duì)雙極性輸入的模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并自動(dòng)輸出極性判別信號(hào)和自動(dòng)量程控制信號(hào)。它采用了自校零技術(shù),可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定,零點(diǎn)的溫度系數(shù)<2μV/℃,模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào),輸入阻抗極高,輸入零點(diǎn)漏電流<10pA。采用字位動(dòng)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(gè)負(fù)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(cè)與控制模塊 　　點(diǎn)火絲檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是檢測(cè)連入電路的點(diǎn)火絲的電阻大小。當(dāng)點(diǎn)火絲短路時(shí),電阻值很小,斷路時(shí)阻值較大,正常時(shí)電阻值介于兩種情況之間。閥門的位置檢測(cè)采用發(fā)光二極管和光敏三極管組成的光電檢測(cè)電路。閥門和桶蓋的開關(guān)使用可逆減速電機(jī)控制,點(diǎn)火、攪拌和風(fēng)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(shí)時(shí)性和較復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力,因此依靠網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)進(jìn)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(chǎng)總線,且其傳送的信息采用短幀結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,差錯(cuò)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(dòng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。每一臺(tái)熱量計(jì)通過SJA1000和82C250連接到總線,PC機(jī)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(jī)監(jiān)控軟件組成,數(shù)據(jù)通過CAN總線由熱量計(jì)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(shí)刻監(jiān)視串口,一旦接收到數(shù)據(jù),就利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)在軟件的操作界面上以實(shí)時(shí)曲線的形式動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并用動(dòng)畫表示實(shí)驗(yàn)正處于的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置（包括算法選擇）、熱值計(jì)算、繪制溫度曲線、動(dòng)畫顯示實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印輸出等。 4 熱值測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135與單片機(jī)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(gè)系統(tǒng)操作。在計(jì)算出溫度值之前,必須測(cè)得溫度測(cè)量電路的相關(guān)參數(shù)。因此在測(cè)量溫度之前,即在預(yù)備期中單片機(jī)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(jī)。在初期、主期和末期測(cè)得的Nt也發(fā)送到PC機(jī)后,由PC機(jī)的軟件計(jì)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(jī)都是將它們當(dāng)作形式相同的數(shù)據(jù)發(fā)送至PC,PC軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)正處于的不同階段對(duì)之作不同處理。系統(tǒng)主程序流程如圖4: [align=center] 圖4 單片機(jī)主程序流程[/align] 5 誤差分析 　　 微機(jī)型量熱儀的定值輸出及增益的恒定系統(tǒng)誤差不會(huì)帶來發(fā)熱量的測(cè)量誤差,但它們的穩(wěn)定性會(huì)影響發(fā)熱量測(cè)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(duì)發(fā)熱量測(cè)量精度的影響最大,所以在使用新的量熱儀前要進(jìn)行線性度檢定實(shí)驗(yàn),即采取不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢定,如果測(cè)定結(jié)果的極差達(dá)到技術(shù)要求,則表明儀器的線性是好的。 　　根據(jù)對(duì)誤差的分析,可得到提高發(fā)熱量測(cè)量精度的方法: 　?。?） 盡量使測(cè)量發(fā)熱量時(shí)和標(biāo)定熱容量時(shí)的內(nèi)筒起始溫度相近,即二者均應(yīng)與環(huán)境溫度接近; 　?。?） 保持實(shí)驗(yàn)過程中的機(jī)內(nèi)溫度盡可能恒定: 　?。?） 根據(jù)試樣發(fā)熱量估計(jì)值,適當(dāng)控制用量,使實(shí)驗(yàn)的溫升接近于標(biāo)定熱容量時(shí)的溫升。 6 小結(jié)與本文創(chuàng)新點(diǎn) 　　本文由此實(shí)際需要出發(fā),詳細(xì)地分析熱值測(cè)量的原理和方法,設(shè)計(jì)出具有較高自動(dòng)化程度的自動(dòng)熱量計(jì),從而大大地提高了工作效率。并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求利用現(xiàn)場(chǎng)總線（CAN總線）技術(shù)將多臺(tái)自動(dòng)熱量計(jì)組建成分布式測(cè)試系統(tǒng),由PC機(jī)作統(tǒng)一的控制和管理,各熱量計(jì)之間相互獨(dú)立,互不干擾。為使整個(gè)測(cè)量過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化,本文為此測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了功能強(qiáng)大的監(jiān)控軟件。最后分析了運(yùn)用本系統(tǒng)測(cè)量所產(chǎn)生的誤差,得到了一起傳輸特性的非線性對(duì)發(fā)熱量測(cè)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(cè)量精度的措施。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 蘇文.淺談流量計(jì)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].中國儀器儀表,2002.6 　　[2] 51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]. 樓然苗, 李光飛編著. 北京航空航天大學(xué)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(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)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(jì)算機(jī)信息.2005（5）