（测试计量技术及仪器专业论文）自动热值测量系统.pdf

塑塑盔兰堡主兰垡堡茎 摘要 煤是我国的一种基础能源，其热值的测量关系到能源的开采和有效利用。以 前的热值测量基本上是靠手工完成，测量步骤繁琐复杂，因此研究自动热量计意 义重大。本文通过对测量原理和方法的详细分析。设计了一种微机型自动热量计， 使原来依靠手工完成的实验操作尽可能地由计算机控制完成。设计不但能自动完 成整个实验过程的控制和实验数据的自动采集，并且能自动完成数据计算和实验 结果的打印输出。在此基础上，本文进一步设计出了基于现场总线技术的分布式 测试系统，将多台自动热量计置于一台p c 机的控制之下，极大地提高了测量的 效率。并利用可视化语言v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + + 设计出功能强大的系统监控 软件，以动画和实时曲线的形式动态模拟出整个实验的进程( 包括故障显示) ， 使得整个测量工作自动化、智能化。 在文章的最后部分，详细地讨论了测量误差的来源，并由此提出了提高测量 精度的若干措施。 关键词：热值自动测量现场总线分布式测试系统 a b s t r a c t a sab a s i ce n e r g yo fo u rc o u n t r y , t h ed e t e r m i n a t i o no f c a l o r i f i cv a l u eo fc o a li s v e r yi m p o r t a n tt ot h ee x c a v a t i o na n de f f i c i e n te x p l o i t a t i o no fe n e r g y t h et r a d i t i o n a l m e t h o do f d e t e r m i n a t i o nh a s m a n yc o m p l i c a t e dc o t l r s e s ea n da l w a y sn e e d sm u c hw o r k m a d e b y m a l l s ot h er e s e a r c ho f a u t o m a t i cc a l o r i em e t e rm a k e s s i g n i f i c e n t t h r o u g h t h e d e t a i l e da n a l y s i so fp r i n c i p l ea n dm e t h o do fm e a s u r e m e n t , a na u t o m a t i cm e a s u r i n g i n s t r u m e n tc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e ri no r d e rt ot a k et h e p l a c eo f m a n u a lo p e r a t i o n s t h ei n s t r u n a a n tc a na l m o s t d o e v e r yo p e r a t i o nb yi t s e l f , s u c h a st h ec o n t r o lo fe x p e r i m e n t a lp r o g r e s s , d a t ac o l l e c t i o n ，d a t a c o m p u t a t i o na n dt h e p r i n t o u t o fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，a d i s t r i b u t i n gs y s t e mo fm e a s u r e m e n t b u i l d i n g0 1 1f i e l db u si sd e s i g n e dt o o u n d e rt h ec o n t r o lo fp e r s o n a lc o m p u t e r , s e v e r a l c a l o r i em e t e r sc a nw o r k i n d e p e n d e n t l y a n ds i m u l t a n e o u s l y o nt h eo t h e r h a n d , a p o w e r f u lm e a s u r i n g a n dc o n t r o ls o t h d r ei s d e v e l o p e du s i n g v i s u a l c o m p u t e r l a n g u a g e - - - v i s u a lb a s i ca n d v i s u a lc + + t h i ss o l r w a l - ec a ns i m u l a t et h ew h o l e p r o c e s s o fe x p e r i m e n ta c c u r a t e l yt h r o u g ha n i m a t i o na n dr e a l - t i m ec u r v e , w h i c hm a k e st h e m e a s u r e m e n ta u t o m a t i ca n d i n t e l l i g e n t a tt h el a s t p a r to ft h i sp a p e r , s o m ep o s s i b l es o u r c e s eo fm e a s u r i n ga m i s sa r e d i s c u s s e d a n ds o m em e t h o d s o f i m p r o v i n g t h ea c c u r a c yo f m e a s u r m e n ta r ee x p o u n d e d t o o k e y w o r d s ： c a l o r i f i cv a l u ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n tf i e l d b u s d i s t r i b u t i n gs y s t e m o f m e a s u r e m e n t 2 忍 湖南大学硕士学位论文 自动热值测量系统 ( 摘要) 研究生蔡铁 指导老师郑舜生副教授 煤是我国的一种基础能源，其热值的测量关系到能源的开采和有效利用。以 前的热值测量基本上是靠手工完成，测量步骤繁琐复杂，因此研究自动热量计意 义重大。本文通过对测量原理和方法的详细分析，设计了一种微机型自动热量计， 使原来依靠手工完成的实验操作尽可能地由计算机控制完成。设计不但能自动完 成整个实验过程的控制和实验数据的自动采集，并且能自动完成数据计算和实验 结果的打印输出。在此基础上，本文进一步设计出了基于现场总线技术的分布式 测试系统，将多台自动热量计置于一台p c 机的控制之下，极大地提高了测量的 效率。并利用可视化语言v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + + 设计出功能强大的系统监控软 件，以动画和实时曲线的形式动态模拟出整个实验的进程( 包括故障显示) ，使得 整个测量工作自动化、智能化。 全文共分为八章。 第一章前言 主要阐述了研究自动热值测量系统的意义，并通过对照当前自动热量计的研 究现状和水平。提出了相应的设计目标和所要达到的技术指标。 第二章热值测量的基本原理和方法 在这一章中详细地分析了热值测量的基本原理和传统方法，以及自动热量计 的测量和计算方法，得出温度钡量是整个测量实验的关键。 第三章系统总体结构设计 通过对测量过程的分析，本章提出了自动热量计的设计思路，并设计出了相 关的机械结构。在此基础之上，将整个系统划分为温度测量模块、系统检测与控 制模块、网络接口模块和数据处理模块等多个功能模块，对每个模块分别进行了 分析和设计。 第四章系统硬件设计 本章从各个功能模块入手，分别提出相应的设计方案，并设计出具体的硬件 电路。 塑堕盔堂堡主兰些堡奎 第五章系统的软件流程 在本章中将系统软件分为自动热量计、网络通信卡和p c 机三大部分，并分 别设计出自动热量计的软件流程、网络通信卡的软件流程以及p c 机监控软件通 信模块的流程。 第六章系统数据处理 主要论述了自动热量计对测量数据的处理方法，以及数据上传至p c 机后， p c 机监控软件如何显示、计算和管理数据。 第七章系统的误差分析 这一章详细地讨论了测量误差的来源，得到了仪器传输特性的非线性对发热 量测量精度影响最大的结论，并提出了提高测量精度的若干措施。 第八章测试数据 该章主要列举了使用本系统进行热容量标定和热值测量的实验数据，并就实 验结果对系统作出相应的评估。 2 答辩人：蔡铁 答辩时间：2 0 0 2 3 湖南大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究意义 煤既是动力燃料，又是化工和制焦炼铁的原料，素有“工业粮食，之称。众所 周知，工业界和民间常用煤做燃料以获取热量或提供动力。在世界历史上，揭开 工业文明篇章的瓦特蒸汽机就是由煤驱动的。此外，还可把燃煤热能转化为电能 进而长途输运，这就是火力发电。火力发电占我国电结构的比重很大，在全世界 也是电能的主来源之一。 我国煤炭资源十分丰富，据预测，我国煤炭资源远景总量为5 0 5 9 2 亿吨，仅 次于独联体，居世界第二位。同时我国还是世界上最大的煤炭生产国，年产量达 1 2 亿吨，占世界煤炭总产量的l 3 ，年出口煤炭量3 0 0 0 多万吨，约占世界煤炭贸 易量的6 i l ”。未来1 5 年，我国经济将保持较快的增长速度，能源总需求也将相 应增长。2 l 世纪，天然气、石油、水电、核能以及其他能源将有长足增长，虽然 煤炭在一次能源的比例中会有所下降，但其仍将是我国的主要能源。我国是发展 中国家，目前还没有形成过分依靠石油和天然气的燃料工业和化学工业，电力主 要是煤炭发电，因此煤仍然是我国的基础能源。 衡量煤质的主要指标之一是煤的发热量。煤的发热量，又称为煤的热值，即 单位质量的煤完全燃烧所发出的热量。煤的发热量是煤按热值计价的基础指标。 煤作为动力燃料，主要是利用煤的发热量，发热量愈高，其经济价值愈大。同时 发热量也是计算热平衡、热效率和煤耗的依据，以及锅炉设计的参数。对热值的 精确测量关系到能源的开采和有效利用。依照热值能确定使用燃料的多少，达到 节约能源、降低生产成本的目的，特别是对于煤炭等行业，热值计量意义重大。 随着人们对能源计量意识的提高，热量计的使用越来越被重视，尤其在燃料贸易、 煤炭、电力等部门，燃料热值计量仪器已必不可少。 1 2 研究现状与水平 煤发热量测定方法的国家标准已实施近4 0 年，在煤炭、电力、冶金、化 工等行业，应用发热量测定仪已成为普遍。近几年来，旧型号的氧弹热量计基本 上已淘汰，用精密数显温度计替代了原来使用的贝克曼温度计，利用计算机自动 采样、数据处理、最后打印出结果替代原来繁琐的手工计时、测量及计算发展出 了自动热量计。现在自动热量计的发展很快，其应用范围、测量原理、检定条件、 l 一 塑壹奎兰婴主兰垡堡塞 技术要求与手动热量计基本相同但它简化了操作程序，只需称量样品、装氧弹， 不用调节、称量内筒的水。例如河南省鹤壁市鑫银仪器设备有限公司生产的 l r y 一2 型微机量热仪，配置恒温式量热弹筒，可对两套量热弹筒进行异步操作控 制，亦可作为单筒量热仪使用。长沙三德实业有限公司生产的自动量热仪系统可 扩展性比较小，每一台自动量热仪固定控制一定数量的氧弹热量计，如s d c m - i i i a 智能汉字量热仪( 单控型) ，由微机控制l 台s d c m - i i i a 恒温桶( 需人工调水温、 称水重、提放内筒) ：s d c m - i i i a 智能汉字量热仪( 双控型) ：由微机控制2 台 s d c m - i i i a 恒温桶( 异步工作、互不干扰，需人工调水温、称水重、提放内筒) ； s d c m i i l a 智能汉字量热仪( - - 控型) ：由微机控制3 台s d c m - i i i a 恒温桶( 异步 工作、互不干扰，需人工调水温、称水重、提放内简) 等等。国外的同类仪器中 有些已能做到对氧弹进行自动充氧，自动化程度较高。近年来，国外已生产所谓 乾式热量计，其工艺简化，测量速度快，但其价格昂贵，在我国目前尚只有少量 样机进口，并无批量使用。 1 3 研究目标 为了适用于电力、煤炭、造纸、石化、水泥、农牧、医药科研、教学等行 业和部门测定测量煤、石油等可燃物的热值，系统应能灵活设置以适应不同需要。 根据实际使用的需要，系统应达到下列各项技术指标： 1 由微机实现测量过程的自动控制，系统具有良好的可扩展性，可同时对 一台或多台( 多至4 台) 热量计进行控制测量，各热量计之间互不干扰，可随时 进行其中一台热量计的操作。 2 能对仪器的各个部件进行自动测试，自动识别氧弹、自动选择热容量。 3 实验过程中温度测量、点火、搅拌、数据处理、过程判断、结果打印、 数据贮存、顶盖升降全过程自动化，并提供自诊断系统，确保仪器运行正常，保 证点火成功并避免烧坏氧弹或仪器，出现故障时能自动报警。 4 。系统连入带标准通信口的电子天平后无需人工称重，能自动输入试样质 量。 5 系统热容量的标定、弹简发热量的计算及对于煤的不同基发热量的换算 亦由计算机根据操作人员输入的各种已知含硫量或含氢量以及水分含量自动完 成。 6 系统能用于煤和油的热值测量，并设有两种测量公式：瑞方公式和奔特 公式，可任意选择 2 湖南大学硕士学位论文 7 系统软件界面采用图形方式，动态显示实验温度变化，显示直观，操作 方便。实验结束后由打印机将测量数据和结果打印输出或以数据库形式存盘。 8 内筒测温分辨力：0 0 0 1 所测温度与真实温度之差最大不超过0 5 c 。 9 在5 o n4 5 c 范围内，每3 度变化其温升测量误差优于0 0 0 4 c 。 l o 热值测量准确度0 2 。 湖南大学硕士学位论文 第二章热值测量的基本原理和方法 2 1 基本原理 煤的发热量在氧弹热量计( 以下简称为测热系统) 中进行测定。测热系统 的结构示意图如图1 所示： 图1 1 外筒2 内筒3 搅拌器4 温度计5 氧弹 首先将质量为m ，的标样( 标准发热物质如苯甲酸) 放入氧弹中充分燃烧，测量 内筒温升为f ，则可测得系统的热容量为： e ：堡盟 ，。 式中：e 一系统热容量，j k ： m 。标准发热物质的质量，g ： 口，标准发热物质的热值，j g ； f 。燃烧前后的温升，。 然后将质量为肌，的试样( 即待测物厕放入同一系统中充分燃烧，测量其温升 ，则可得试样的热值为： q x q ：墼( 2 )= 2 - 【z j m j 式中：e 一系统热容量，j k ： m 。试样的质量，g ： q ，试样的热值，j g ： f ，试样燃烧前后的温升，。 4 一 塑堕查差堡主兰垡丝兰 在实际测量过程中，应考虑到点火丝等在燃烧过程中引起的附加热和内、外 简之间的散热。设口：、虻分别为标定时的系统附加热和散热，q 、9 2 为试样实 验过程中的附加热和散热，则上两式应修改为： e ：坠鱼二! ；亟 吼2 f ， ( 3 ) 丝生也删 f h x 实验过程中的散热是通过引入冷却校正值进行处理的。在实际测量中是可以 由对流热交换的影响对冷却校正进行修正的，这方面可用瑞方公式和奔特公式 ( 国际使用的经验公式) 或煤研公式( 国标公式) 对冷却校正值进行计算。 由上我们可对煤的热值测量进行以下的定义：根据试样点燃前后量热系统产 生的温升，并对点火热等附加热进行校正后即可求得试样的弹筒发热量。从弹筒 发热量中扣除硝酸形成热和硫酸校正热( 硫酸和二氧化硫形成热之差) 后即得煤 的高位发热量。再对煤中的水分( 煤中原有的水和氢燃烧生成的水) 的气化热进 行校正后可求得煤的低位发热量。低位发热量就是试样的热值。 2 2 测量方法与步骤 1 测量方法 通用热量计有两种：恒温式和绝热式。它们的差别在于绝热式热量计需控 $ i i i i 热系统环境温度，试样燃烧过程中测热系统与周围环境无热交换，而恒温式 不用控制实验环境温度，整个过程存在热交换。虽然恒温式热量计要为实验过程 中散失的热量予以校正，但由于绝热式热量计的温控复杂，目跟踪的温度总是落 后于实际温度，所以本系统采用恒温式热量计法。 2 测量步骤 ( 1 ) 精确称取分析试样o 虬1 i g ( 称准到o 0 0 0 2 9 ) 。 ( 2 ) 取一段已知质量的点火丝，把两端分别接在两个电极柱上，注意与试 样保持良好接触或保持微小的距离( 对易飞溅和易燃的煤) ，并注意点火丝不要 短路或断路而导致点火失败。往氧弹中加入l o m l 蒸馏水后缓缓充入氧气，直到 压力为2 8 - - 3 0 m p a ，充氧时间不得小于1 5 s ：如果不小心充氧压力超过3 3 m p a ， 停止实验，放掉氧气后重新充氧至3 2 m p o 以下。当氧气瓶中的压力降到5 0 m p o 以下时，充氧时间应酌量延长，压力降到4 o 纪以下时，应更换新的氧气瓶。 ( 3 ) 往内筒中加入足够的蒸馏水，使氧弹盖的顶面( 不包括突出的氧气阀 s 塑塑莶兰堡主兰垡堡塞 和电极) 淹没在水面下1 0 - 2 0 r a m 。每次实验时用水量应与标定热容量时一致( 相 差l g 以内) 。水量用称重法测定，注意恰当调节内筒水温，使终点时内筒比外筒 温度高1 k 左右以使终点时内简温度出现明显下降，外简温度应尽可能接近室 温，相差不得超过1 5 k 。 ( 4 ) 把氧弹放入装好水的内简中，如氧弹中无气泡漏出，则表明气密性良 好，即可把内简放在外简的绝缘架上；如有气泡出现，则表明漏气，应找出原因， 加以纠正后重新充氧。然后接上点火电极插头，装上搅拌器和测温装置，并盖上 外筒盖。测温装置和搅拌器均不可接触氧弹和内筒。 ( 5 ) 开动搅拌器，5 m i n 后开始计时和读取内筒温度并立即通电点火。随后 记下外筒温度f 。外筒温度精确到0 0 5 k 。 ( 6 ) 观察内筒温度，如在3 0 s 内温度急剧上升，表明点火成功。点火后1 分4 0 秒读取一次内筒温度。 ( 7 ) 接近终点时，开始按i m i n 间隔读取内简温度。以第一个下降温度作 为终点温度。实验主阶段至此结束。 ( 8 ) 停止搅拌，取出内筒和氧弹，开启放气阀，放出燃烧废气，打开氧弹， 仔细观察弹筒和燃烧皿，如有试样燃烧不完全的迹象或有炭黑存在，实验作废。 用蒸馏水充分冲洗弹内各部分，把全部洗液收集在一起可供测硫使用。 2 3 测量结果的计算 1 冷却校正计算 绝热式热量计的热量损失可以忽略不计，所以无需冷却校正。但恒温式热 量计的内筒在实验过程中与外筒始终发生热交换，对此散失的热量应予以校正， 办法是在温升中加上一个校正值c ，这个校正值称为冷却校正值。计算方法如下： 首先根据点火时和终点时的内外简温差( t o - r 。) 和( t n t 。) 从w ( t t 。) 关系曲线( 此曲线在标定系统热容量时确定。在下一节将说明具体方法) 中查出 相应的”o 和v 。，或根据预先标定出的( 5 ) 、( 6 ) 两式计算v o 和v 。： ”o = k ( r 0 m ( 5 ) v 。= k ( t n - ，w 卜a ( 6 ) 式中：v n 在点火时内外简温差的影响下造成的内简降温速度，k m i n ： v 。在终点时内外简温差的影响下造成的内筒降温速度，k r 0 2 n ； k 一热量计的冷却常数( 标定方法见后) ，r a i n ； 椭量计的综合常数( 标定方法见后) ，k m i n ； 6 塑妻查兰婴主兰垡堡兰 t o 一点火时的内筒温度，k ； 一终点时的内筒温度，k ： t w 外筒温度，k 。 然后按式( 7 ) 计算冷却校正值： c = ( n - a ) v 。+ a v o ( 7 ) 式中：c 冷却校正值， n 一由点火到终点的时间 卜当( t o ) ( ，l ，4 0 - t o ) 1 2 0 ，a - ( - t o ) ( ，l 4 0 一t o ) o 1 0 ； 当( t n - t o ) ，( 。t o ) 1 2 0 ，a - ( t n - t o ) ( i 4 0 - o ) 。 2 点火丝热量校正 在点火时，点火丝发出的热量被引入了系统，因此必须除去这一部分热量。 在熔断式点火法中，应由点火丝的实际消耗量( 原用量减去残余量) 和点火丝的 燃烧热计算实验中点火丝放出的热量；在棉线点火法中，首先要算出所用一根棉 线的燃烧热( 剪下一定数量适当长度的棉线，称出它们的质量，然后将质量乘以 棉线的单位热值) ，然后确定每次消耗的电能热：电能热= 电压( v ) 电流( a ) 时间 ( s ) ，点火丝的燃烧热与消耗电能二者的和即为点火热。 3 恒温式热量计发热量的计算 ( 1 ) 弹筒发热量的计算： 煤的弹筒发热量，是单位质量的煤样在热量计的弹筒内，在过量高压氧( 2 5 3 5 个大气压左右) 中燃烧后产生的热量。煤的弹筒发热量要高于煤在空气中、工 业锅炉中燃烧时实际产生的热量。为此，实际中要把弹筒发热量折算成符合煤在 空气中燃烧的发热量。 q 耐：些d 吐坠蜊 ，h 式中：q 6 , a d 一分析试样的弹筒发热量，j g ； e 一热量计的热容量，j k ： q l 一点火热，j ； q ，添加物等产生的总热量，j ： m 试样质量，g ； ( 8 ) 塑塑盔兰堡主兰堡堡墨 ( 2 ) 高位发热量的计算： 煤的高位发热量，即煤在空气中大气压条件下燃烧后所产生的热量。实际 上是由实验室中测得的煤的弹简发热量减去硫酸和硝酸生成热后得到的热量。 皲 a d = q 6 ，a d 一( 9 4 一s b ，a d + a q b ，a d ) ( 9 ) 式中： 皱，删一分析试样的高位发热量，j 嘻 g 甜一分析试样的弹筒发热量，j g ； 咒耐一由弹筒洗液测得的煤的含硫量，当全硫含量低于4 时，或发 热量大于1 4 6 0 m j k g 时，可用全硫或可燃硫代替s 6 a d 。 9 4 1 煤中每1 硫的校正值，j ： 口硝酸校正系数： 当绕耐1 6 7 0 m j k g ，口= o 0 0 1 ： 当1 6 7 0 m j k g 幺耐 2 5 1 0 m j k g ，口= 0 0 0 1 6 a ( 3 ) 低位发热量的计算 煤的低位发热量，是指煤在空气中大气压条件下燃烧后产生的热量，扣除 煤中水分( 煤中有机质中的氢燃烧后生成的氧化水，以及煤中的游离水和化合水) 的汽化热( 蒸发热) ，剩下的实际可以使用的热量。 a 恒容低位发热量 工业上多依收到基煤的低位发热量进行计算和设计。收到基煤的恒容低位发 热量的计算方法如式： q n e t , v , a r = ( q g r , a d - 2 0 6 讪糙- 2 3 删1 0 式中： o n 。，一收到基煤的低位发热量，j i g ： q 。耐一分析试样的高位发热量，j ，g ； m a ，一收到基全水分，； m 。d一分析试样的水分，； h a d一分析试样的氢含量，。 b 恒压低位发热量 由弹筒发热量算出的高位发热量和低位发热量都属恒容状态，在实际工业 燃烧中则是叵压状态，严格地讲，工业计算中应使用恒压低位发热量，恒压低位 发热量按下式计算： 一一塑堕盔兰堡主兰堡堡奎 一”= ( 扩2 1 2 - o 8 ) 等老_ 2 4 4 ( 1 1 ) 式中： 以r , a d 一分析试样的高位发热量，j i g ： m 。，一收到基全水分，； 肘一一分析试样的水分，； h 。d一分析试样的氢含量，： q d 一分折试样的氧含量，。 “) 热容量和仪器常数标定 计算发热量所需热容量e 和恒温式热量计法中计算冷却校正值所需的 v 一，) 关系曲线或仪器常数足和彳通过同一试验进行标定。 a 取l g 左右的苯甲酸，按照发热量测定的相应步骤对苯甲酸进行实验，根据恒 温式热量计的情况，开始搅拌5 分钟后准确测得一次内简温度( r o ) ，经1 0 分钟 后再测得一次内筒温度( t o ) 。随后按发热量测定步骤点火，并测得外简温度( f 。) ， 进行到得到终点温度( f 。) 后再搅拌1 0 分钟测得内筒温度( l ) 。 b 根据观测数据，计算出v 0 、和对应的内外筒温差( t - t 。) v t t w ，。：弛型血一f 。 l o2 。：弛玉监一f w 1 02 c 重复实验5 次，每次使用的苯甲酸质量必须有差异，从0 7 9 到1 3 9 不等。 d 根据5 次实验结果，用一元线性回归法计算出v t - t 。) 关系中的参数k 和a 。 计算方法如下：求v = k ( t f 。) + a 中的k 和a 实验数据为： z ，= ( f l l ，( f t w ) 2 ，( f t w l r = ”i ，叱， 。：”一又) 2 ：n 以2 一一1 【2 n e ( x：置) 2 ( 1 2 )。=一又) 2 = 以一一【2 ：置) 2 ( 1 2 ) hhl h “ l 。= e ( x j 一牙) ( 耳一乃= e x , r , 一三( x 。x l r , ) ( 1 3 l = li = ln ，= l忙i k ：生。( 1 4 ) 工曩 9 湖南大学硕士学位论文 a = 只一k 幕：三妻k k x 三兰x ( 1 5 ) 一i ；l力t = l e 由k 和a 确定的v 值用于计算系统的冷却校正系数c 。根据得到的冷却校正 系数，就可计算系统的热容量e ： e ：坐竺垡l 坠( 1 们 f h 一，o + c 式中： q = 9 x 历0 0 0 1 5 为硝酸的生成热，j 5 q 一苯甲酸的热值，j g , 聊一苯甲酸的用量，g ； c 一由上计算出的v 0 、v n 代入冷却校正公式求出的冷却校正系划“。 根据5 次实验数据计算得到5 个系统热容量值，如果各热容量值之间的极差( 最 大值和最小值之差) 不大于一定的规定，则将5 个热容量值的平均值( 修整到i j k ) 作为仪器的热容量。否则剔除极差不在规定内的实验结果。重新实验，直到有5 次符合规定的实验结果为止翻。其中极差应符合的规定如下： l 热容量，j k 1 5 0 09 0 0 0 i1 0 0 01 4 0 0 0 1 5 0 0 0 i极差，j k 94 06 0 2 。4 自动热量计的测量和计算方法 根据以上测量原理设计的自动热量计，称样、装氧弹、称量内筒水均与上 相同，为计算出冷却校正值。自动热量计采用了奔特、瑞方等公式。 i 瑞方公式： c 一 嚣t 孚+ 黔t o 目7 ， 式中：f 一主期内第1 分钟时的内筒温度。其余符号，意义同前。 使用瑞方公式在操作步骤上要求点火后每分钟读温一次，直至终点。 2 奔特公式： c ；盥州+ v 。0 一m ) ( 1 8 ) 2 式中：m 一主期内每时间间隔温升超过0 3 k 的次数。第一次温升不管是否超过 0 3 k 都算一次。 ”一主期温升间隔次数。 使用奔特公式在操作步骤上要求每半分钟读温一次，直至终点。 塑堕盔兰堡主兰竺堡奎 第三章系统总体结构设计 3 1 自动热量计测量过程描述 根据实验的温度变化过程和自动热量计的操作过程。可将整个实验过程分 为预备期、初期、主期和末期。实验过程的温度曲线如图2 所示： 1 预备期 氧弹热量计在充满水的内筒中被点燃，整个内筒处于外筒之中。外筒为内 筒提供近似恒温的环境。在预备期中，自动热量计的主要工作是将量杯中的水灌 入内筒当中( 这就要求仪器在上电时即预备期之前将水放入量杯中) 。检测仪器 的上下阀位置，判断点火丝是否短路，并测量好温度计算所需要的几个参数。 2 ，初期 当热量计内筒中的水已经灌满，仪器进入实验的初期。在这阶段仪器将打 开搅拌装置，开风扇，并不断测量内筒中水的温度。根据计算冷却校正值而采用 的不同公式，每隔一定的时间测量温度一次。当测得的两相邻时刻温度值之差小 于0 0 0 5 c 时，就可以点火，此时就进入了实验的主期，并将点火之前的温度作 为点火温度“。 3 主期 进入实验主期后，温度值还是每隔一定的时间测量一次。如果在3 0 秒内温 度没有发生显著升高，则表明点火失败，实验必须终止并从头再来。并且在点火 开始后，仪器开始为下一次实验将水放入量杯中。当测量到第一个开始下降的温 度时，实验主期结束，并将这一时刻的温度作为终点温度厶。 l l 塑堕盔兰堡圭堂垡堡壅 4 末期 在末期中，温度一直下降，经过定时间以后，温度值趋于稳定，实验结 束。将内筒中的水通过放水阀放到水箱当中后，就可取出氧弹。如果再装入另一 颗准备好的氧弹，可开始新的一次实验。 3 2 系统机械结构设计 图3 1 外筒2 泵3 上阀4 量杯5 温度传感器 6 搅拌器7 内简8 氧弹9 下阀 为适应系统自动测试的要求，机械系统需进行改造。新的机械系统设计示意 图如图3 。由2 、3 、4 、9 构成水循环系统，其中泵、上下阀由电子电路控制完成 进水、灌水和放水，而量杯4 制作成特殊形状，以容积法替代称重法完成对内筒 的充水过程，实测表明此法充水误差小于1 9 ，完全满足国标要求，因而使自动充 水成为可能。 其它功能分析和设计原则在下节中予以讨论。 3 3 系统功能分析与设计原则 1 温度测量功能 如上所述，准确测量热值的关键在于准确测量温升。传统的热量计使用贝 克曼温度计来计测温度，由于毛细管吸附作用和露出柱影响等，使用时辅助工作 1 2 塑童盔兰塑主兰堡鲨兰 多，劳动强度大a 为了实现温度测量的自动化，微机型自动热量计采用温度传感 器测温，例如半导体、热电阻、石英温度传感器等。半导体传感器灵敏度较高， 但非线性大，稳定性较差，不宜使用；石英温度传感器品质因数高，又是频率型 传感器t 易于实现高精度测量，但其振荡电路处理较为复杂，且零频分散，存在 老化漂移，不适合成批生产；而铂电阻温度传感器稳定，线性度较好且已标准化， 易于批量生产，因此本系统的温度测量采用铂电阻传感器i ”l 。 通常在测量电路中，需要采用电位器等可调元件对仪器的零点、增益( 或 量程的上下限) 、a d 转换器的基准电源甚至各级放大器的零点、温度补偿的大 小等等进行调整。电路调整的情况直接影响测量的精度和稳定性，特别是电位器 的滑动触点在运输和使用过程中最易出现问题。设计具有免调整功能的测温电 路，使得在生产和使用当中无须任何调整部件，其温度测量准确度由电路内部的 基准部件来保证，对产品质量保证将具有重要意义。 2 系统自动检测功能 除了一般计算机系统的自检功能外，还有其它一些较为特殊的问题需要处 理。例如点火问题，系统氧弹的点火方式为熔断式点火方式，由单片机控制将一 交流或支流电源接于点火丝的两端实现点火。采用这种方式时，点火之前必须检 测点火丝的短路和断路情况，因为一旦点火失败，实验就必须从头再开始，特别 是当点火丝发生短路时，有可能损坏系统。这就要求系统具有自动检测点火丝状 态的功能。 又如，实验过程中进水( 水由外筒到量杯) 、灌水( 水由量杯到内简) 以及 放水( 水由内简到水箱) 等操作以前是由实验者手动完成的，为使这些操作自动 完成，本自动热量计采用水泵使水在系统中循环，并通过对进水阀( 上阀) 和放 水阀( 下阀) 的控制实现进水、灌水以及放水，这要求系统能准确检测和控制阀 门位置。这样，一方面在程序行进过程中能按工艺要求实现这些给定的功能，另 一方面在检修、测试时又能根据命令完成某以独立的动作。 3 系统控制功能 系统在点火丝检测正确后通过可控硅将电源接到点火丝两端实现点火。与 阀门位置检测相配合，设计采用可逆转电机实现对阀门的控制，电机的转向由继 电器调整。为避免继电器在切换时产生火花，我们设计先切断电机电源，驱动继 电器动作后再通过可控硅接通电源。 由前面所述的计算方法和测量流程可知，整个实验流程的控制是通过对测 得的温度值进行不同判别而决定的。例如点火时要求内筒温度的变化小于o 0 0 5 1 3 塑塑查兰堡主兰堡堡塞 ，实验主期结束时是出现了第一个下降温度。计算过程的复杂性和测量的实时 性要求系统的主控部分有较强的数据处理能力，所以设计采用微机作为系统的主 控，凭借p c 机强大的功能实现对实验过程的动态监控和对实验数据的实时处理、 图形化显示以及打印输出。 在实际应用当中，用户往往要求多台热量计同时测量以提高工作效率，最 多时要求有四台热量计，但要求两台热量计的情况最普遍。同时用户要求系统有 良好的扩展性，可任意为系统配置一台或多台热量计，且实验时能在任意时候开 始另一台热量计的测量，各热量计之间互不影响。为满足上述要求，利用现场总 线技术将系统组建成分布式测试系统。 4 实验数据处理与管理功能 系统软件充分利用p c 机强大的数据处理和图形化显示功能，采用滑动平均 值滤波方法处理数据，以动态曲线的形式图形化显示温度数据，整个实验过程的 进度用动画的形式表示，并且对实验结果能进行复杂查询、报表输出、温度曲线 打印等操作。 根据上述分析设计系统整体框图如图4 。 温 度 测 量 模 块 洲总线肆 阀 门 控 制 模 块 点 火 控 制 模 块 温 度 测 量 模 块 阀 门 控 制 模 块 点 火 控 制 模 块 图4 1 4 温 度 测 量 模 块 阀 门 控 制 模 块 点 火 控 制 模 块 温 度 测 量 模 块 阀 门 控 制 模 块 点 火 控 制 模 块 塑堕奎兰堡主兰垡丝三 3 4 系统实现方案的设计 1 系统方案的细化图 为实现上节中所述的各项功能，自动热量系统采用p c 、主单片机8 9 c 5 2 和 从c p u8 9 c 2 0 5 1 协同工作的方式，各项功能划分如图5 所示。温度测量、点火 丝检测与控制、风扇搅拌以及网络接1 5 1 由8 9 c 5 2 实现，阀门、内筒控制和氧弹识 别等由8 9 c 2 0 5 1 完成，p c 机则完成样重采样和各8 9 c 5 2 数据收集、数据处理、 数据运算、存储、报表生成和硬拷贝输出。p c 和两单片机之间通过c a n 网络依 据命令交互协调工作进程，具体电路在下一章中讨论。 p 2 0 5 ld 噩 l 模块r l 小、 单片 臣 、 昏 8 9 c 5 2机 陵：p 单片机 p f 赢 嚣搅怿 蚓信模块仁刮r c 拌控制l 、 图5 2 温度测量模块 为实现温度测量的免调整，铂电阻测温电路采用基于基准电阻的动态校准 算法，使得测量的精度仅与组成电桥的几个电阻有关。 由于不同算法所要求的测量温度的时间间隔不同，系统必须按要求定时测 温。为了适应不同算法，温度测量不间断进行，并将一定时间内( 大概3 秒) 的 测量值进行平均值滤波后作为一个测量数据。从得到的铡量数据序列中等间距抽 取若干数据作为计算数据，就相当子每隔一定的时间读温一次。例如奔特公式所 要求的每半分钟测温一次，就只需每1 0 个测量数据中抽取个代入公式计算。 为达到上述要求，可采用转换时间固定的双积分型a i d 转换器( 如i c l 7 1 3 5 ) ， 并将之设置为自动连续转换方式。 3 系统检测与控制模块 一一 一塑堕奎兰堡主兰垡堡塞 点火丝检测的实质是检测连入电路的点火丝的电阻大小。当点火丝短路时， 电阻值很小，断路时阻值较大，正常时电阻值介予两种情况之间。如果将一定的 电压加于点火丝与若干电阻组成的电路两端，可根据点火丝两端的分压判断出点 火丝的电阻大小，即可判断出点火丝的短路与断路。恰当选择电阻阻值，使得点 火丝在短路时的分压经a d 转换后结果很小，而断路时分压经a d 转换后结果 出现超量程，正常时分压大小介于两者之间，则不难检测出点火丝情况。 阀门的位置检测采用发光二极管和光敏三极管组成的光电检测电路，通过 在阀门转盘的一定位置上开相应缺口，就可根据光敏三极管的输出状态方便地判 断出阀门位置。 阀门和桶盖的开关使用可逆减速电机控制，点火、搅拌和风扇的接通由双向 可控硅控制。当实验进行时，实验开始、点火、实验结束等控制命令由系统的微 机进行控制，整个实验进程、实验数据和相关的数据计算由p c 机统一处理。 4 网络接口模块 由于系统要求有一定的实时性和较复杂数据处理能力，因此依靠网络将实 验数据发送到p c 机进行处理将是适宜的。如果采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串行网络， 则网络无总线仲裁的能力。p c 机通常以轮询的方式寻址各热量计( p c 机主呼) ， 而各热量计投入测量是随机的。运行的工艺又相对固定，采用主呼方式将使数据 的处理变得非常复杂。如果采用多主通信方式，任何一热量计测量到一温度值可 立即发送至p c 机，系统将会有良好的实时通信和数据甄别能力但这就要求网 络接口有总线仲裁的能力。控制局域网c a n 正是一种具有多主通信能力的现场 总线，且其传送的信息采用短帧结构，传输时间短，差错率低，能很好地满足系 统的要求【4 1 。因此本系统采用c a n 总线搭建分布式的自动测试网络。每一台热 量计通过s j a l 0 0 0 和8 2 c 2 5 0 连接到总线，p c 机则通过r s 2 3 2 _ 七a n 外置转换 卡连接至总线上。 5 数据处理模块 数据处理模块主要由p c 机监控软件组成，数据通过c a n 总线由热量计经 r s 2 3 2 - - - c a n 外置转换卡传送到p c 。监控软件采用多线程方式时刻监视串口， 一旦接收到数据，就利用p c 机强大的数据处理能力进行计算。同时在软件的操 作界面上以实时曲线的形式动态显示实验数据，并用动画表示实验正处于的实验 阶段。数据处理模块的主要功能是：操作串口收发命令与数据、实验参数设置( 包 1 6 湖南大学硕士学位论文 括算法选择) 、热值计算、绘制温度曲线、动画显示实验进程、实验数据管理、 曲线和实验结果的打印输出等。 第四章系统硬件设计 4 1 温度参数的测量 1 温度测量电路的原理和测量方程 铂电阻测温电路如图6 所示，桥路从左至右依次为测量支路、校准支路和电 平偏移支路( 参考支路) 。其中r l 和r ，组成测量支路，、r k 、r ：构成校准支 路，马和尺4 构成参考支路。置为铂电阻传感器，r ：为量程低端校准电阻，尺， 为量程高端校准电阻，岛、马、也采用精密线绕电阻。铂电阻传感器采 用4 线接法，以降低环境温度发生变化时连接线引起的测量误差，、 、 、 ，3 为传感器的输入连接线电阻。a 为放大器，a d c 为模，数转换器。 医习 1 一 图6 设放大器和模数转换器的传输系数为g ，运放在输入为零时a d c 的输出为 “，当多路开关s 处于位置1 时，a d c 输出的数字量为： c2(jii4撩-i-roji墨-i-5主惫4-)(一)g+aro-(19) r or kr 工+坞r 4，2 。 当多路开关s 处于位置2 时，a d c 输出的数字量为： 塑塑查兰堡主兰垡兰兰 = ( 止缺一止l ) ( 一v o ) g + o ( 2 0 ) r o + r k + r + r or 3 + r 4 + ，2 1 。 ”、。 当多路开关s 处于位置3 时，a d c 输出的数字量为： f=(导告)(一vo)g+no(21)(21rf + r l + n r 3 + 心+ ，2 。 ( 2 0 卜( 1 9 ) 得 一c 2ji兰4滁-r 4 - r 4-ro一ro：蒜r r ) ( 一) g ( z ：) 凡kl+k+l + ，b 。、。 “。、 。 ( 2 1 h 1 9 ) 得 n t - n l = c r i 惫r lr l i rr 冀r 蠹4 - r o 慨吲g + o+r+ 。“1。 令口：些二丝，则 n h nl 口：( j ! 立，l 一也) 坠生生鱼( 2 钔 r i4 - r t4 - r lr 0 4 - r k + r l + 飞r x 由于传感器的各连接线长度相同，有，o = ，1 = ，由上式可得 r ，：型址垫盟+ 型趔g 二型( 2 5 ) r o + r x 一出kr o4 - r k a r x 适当选择电路中r o 、r i 、r r 的值，可使上式中第二项的值小于系统要求的误差， 这时 r ：墨! ! 生曼皇2 i f 爿口4 - b ) 式中 误差项为 彳： 盘 r o4 - r x + r b ： 生 岛+ 4 - r ：! 终二墨q 丝签二2 r o + r x - a , r x 如果令置= r o + r 2 ，可得 1 9 一( 2 7 ) 湖南大学硕士学位论文 ；丛g 丝二! ! 型 r o + r k ( 1 一口) f 2 8 ) 口： 娑：! ，即在测量范围的中点时，：0 ，误差最小；当测量处于 nq n l2 一 j 测量范围的上下限时，口= l