（测试计量技术及仪器专业论文）基于石英晶体量热仪高精度测频技术的研究.pdf

a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo f f r e q u e n c yt e s t i n g ，as y s t e mo f t h eq u a r t zc a l o r i m e t e ra n dt h eh i g h a c c u r a c yf r e q u e n c yt e s t i n gm e t h o da r ed e s c r i b e d t h ee x p e r i m e n t sa n dr e s u l t ss t u d ya r ea l s o i n c l u d e d o nt h ef i r s t ，t h eq u a r t zc a l o r i m e t e ri sp r e s e n t e d ，e s p e c i a l l ya b o u tt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，t h e s t r u c t u r eo f t h es y s t e ma n dt h ew o r k i n gr o u t i n e s e c o n d l y ，t h eh i g ha c c u r a c yf r e q u e n c yt e s t i n gm e t h o di sa n a l y s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e b a s i cw a y so ft h ef r e q u e n c yt e s t i n ga n dt h eu s i n go ft h eq u a r t zc r y s t a l t h et e c h n o l o g yo ft h e f r e q u e n c yt e s t i n gi nm u l t i c y c l es y n c h r o n o u sm o d ea n dt h em e a s u r i n ge r r o r s a r es t u d i e di na d e e p - g o i n gw a y t h e n ，t h em o d u l es t r u c t u r eo f t h ef r e q u e n c yt e s t i n gs y s t e ma r ed e s c r i b e dm a i n l ya b o u tt h e d e s i g n i n gt h i n k i n ga n dt h ec o n c r e t ei m p l e m e n t t h ei n t e r f a c eo nt h eb a c ke n dc o m p n t e ra n di t s i n c i d e n t a lf u n c t i o n sa r ep r e s e n t e d a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t sa r ed e s c r i b e d ，i n c l u d i n g t e s t i n gt h ef r e q u e n c y ，s t a n d a r d i z i n gt h e c a l o r i f i cc a p a c i t yo ft h ei n s t r u m e n ta n dt h ed e t e r m i n a t i o no fc a l o r i f i cv a l u eo fc o a l t h er e s u l t s o f t h ee x p e r i m e n t sa r ea n a l y s e d k e yw o r d s ：q u a r t zc a l o r i m e t e r ，h i g ha c c u r a c yf r e q u e n c yt e s t i n g ，m u l f i c y c l es y n c h r o n o u s m o d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 基士互芸最焦量热毯直擅废到躯挂盎鲍珏究 学位论文作者签名： 墨魈日期：知2 年月千日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授 权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 基王歪芸晶体量热邀壶揸廑趔筮燕盎鳗盟究 学位论文作者签名： 星翌 日期：z 观年1 月牛日 作者指导教师签名：兰= 尘辑 日期：j ，z 年，月，岁日 一些篓鳖垒堂堡垒些窒坠一 第一章绪论 1 - 1问置的提出 量热仪用于测定煤、石油等能源资源的发热量，是火电厂、煤矿、钢厂、石化等耗煤 企业必备的重要仪器，其测量精度直接影响着经济效益。 能源资源是指为人类提供能量的天然物质。它包括煤、石油、天然气、水能等，也包 括太阳能、生物质能、地热能、核能等新能源。能源资源是一种综合的自然资源。纵观社 会发展史，人类经历了柴草能源时期、煤炭能源时期和石油天然气能源时期，目前正向新 能源时期过渡，并且无数学者仍在不懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源，可以相 信能源的多元时代即将来临。但是，目前人们能利用的能源仍以煤炭、石油、天然气为主， 在世界一次能源消费结构中，这三者的总和约占9 3 左右。 人类开发利用煤炭的历史悠久，早在2 0 0 0 多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作 燃料。1 8 世纪6 0 年代从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化从生物 质能转向了矿物能源，既由木炭转向了煤炭，至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。1 9 9 0 年世界一次能源消费构成中，煤炭占2 7 3 ，仅次于石油。居第二位。化工原料中的3 ，5 、 民用商品能源中的4 5 都来自煤炭。中国是是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界 煤产量的1 4 。中国的煤炭资源保有量超过一万亿吨，居世界第三位，再加上地下1 5 0 0 米 以内的深沉资源，总量估计可达5 万亿吨。因此，煤炭是我国分布最广，最为丰富的矿物 资源。因此，预计到本世纪末，我国以煤为主的能源结构将不会改变，煤炭仍然将是当今 和以后我国能源的一个最重要的组成部分。 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，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。煤燃烧残留的煤矸石和灰渣可作建筑材料。煤还是重要的化工材 料。炼焦、高温干馏制煤气是煤最为重要的化工应用，还用于民间和制造合成氨原料。低 灰、低硫和可磨性好的品种还可以制造多种碳素材料。此外，还可把燃煤热能转化为电能 进而长途输运，火力发电占我国电结构的比重很大，也是世界电能的主要来源之一。 煤质的主要指标包括发热量、含硫量、含氧量、含氢量、含水量等。而发热量是煤质 好坏的决定因素。在同样的条件下，煤炭发热量的高低，决定发电用煤量的大小，从而影 第l 页 一些篓鳖垒堂堡垒些窒坠一 第一章绪论 1 - 1问置的提出 量热仪用于测定煤、石油等能源资源的发热量，是火电厂、煤矿、钢厂、石化等耗煤 企业必备的重要仪器，其测量精度直接影响着经济效益。 能源资源是指为人类提供能量的天然物质。它包括煤、石油、天然气、水能等，也包 括太阳能、生物质能、地热能、核能等新能源。能源资源是一种综合的自然资源。纵观社 会发展史，人类经历了柴草能源时期、煤炭能源时期和石油天然气能源时期，目前正向新 能源时期过渡，并且无数学者仍在不懈地为社会进步寻找开发更新更安全的能源，可以相 信能源的多元时代即将来临。但是，目前人们能利用的能源仍以煤炭、石油、天然气为主， 在世界一次能源消费结构中，这三者的总和约占9 3 左右。 人类开发利用煤炭的历史悠久，早在2 0 0 0 多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作 燃料。1 8 世纪6 0 年代从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化从生物 质能转向了矿物能源，既由木炭转向了煤炭，至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。1 9 9 0 年世界一次能源消费构成中，煤炭占2 7 3 ，仅次于石油。居第二位。化工原料中的3 ，5 、 民用商品能源中的4 5 都来自煤炭。中国是是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界 煤产量的1 4 。中国的煤炭资源保有量超过一万亿吨，居世界第三位，再加上地下1 5 0 0 米 以内的深沉资源，总量估计可达5 万亿吨。因此，煤炭是我国分布最广，最为丰富的矿物 资源。因此，预计到本世纪末，我国以煤为主的能源结构将不会改变，煤炭仍然将是当今 和以后我国能源的一个最重要的组成部分。 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，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。煤燃烧残留的煤矸石和灰渣可作建筑材料。煤还是重要的化工材 料。炼焦、高温干馏制煤气是煤最为重要的化工应用，还用于民间和制造合成氨原料。低 灰、低硫和可磨性好的品种还可以制造多种碳素材料。此外，还可把燃煤热能转化为电能 进而长途输运，火力发电占我国电结构的比重很大，也是世界电能的主要来源之一。 煤质的主要指标包括发热量、含硫量、含氧量、含氢量、含水量等。而发热量是煤质 好坏的决定因素。在同样的条件下，煤炭发热量的高低，决定发电用煤量的大小，从而影 第l 页 = 望型耋篁些塑墼型鲨垒一 响对煤炭运量、运力的需求，进而影响着我国的整个国民经济。 由于煤是按热值计价的，因此如何保证量热仪的测量精度，是我国各厂矿、研究所目 前面临的主要问题。用量熟仪来测定煤发热量的过程中，温度的测量误差是发热量测量误 差的主要来源。在石英晶体量热仪中，温度的测量是利用石英晶体的压电效应原理，即石 英晶体在一定切型的切角下，因温度变化引起石英晶体频率呈一定规律变化的关系，通过 对频率的精确测量，从而得出测温点的实际温度。因此，高精度测频是此石英晶体量热仪 是否能够精确测量出煤发热量的关键。 1 2 1 量热仪的研究现状 1 2 国内外研究现状 量热仪经历了早期的贝克曼式量热仪、电脑式量热仪、自动量热仪三个过程。最早的 贝克曼式量热仪完全是人工手动操作、控制和计算的，此种量热仪的温度测量是用玻璃水 银温度计来完成的。常用的玻璃水银温度计有两种：一种是固定测温范围的精密温度计， 一种是可变测温范围的贝克曼温度计，两者的最小分度值应为o 0 1 k 。使用时根据计量机 关检定证书中的修正值做必要的修正，两种温度计都应进行刻度修正( 贝克曼温度计称为 孔径修正) ，贝克曼温度计除这个修正值外还有一个称为“平均分度值”的修正值。因此这 种旧式量热仪所采用的温度计，对操作员的素质要求很高，其操作麻烦，计算复杂，且不 能远距离操作使用，并且由于视觉造成的误差，其精度常常不能满足要求。电脑式量热仪 一般为半自动式，其测温采用数字式量热温度计，避免了旧式量热仪所采用的目测温度所 带来的麻烦，测温准确，但需要人工称水、充水、调水温，操作者的劳动强度较大，其测 量精度往往受限于操作者的技术水平。自动量热仪采用自动水循环结构，可实现内简水的 定量和水温的调节。操作简便，减轻了操作员的劳动强度，避免因操作人员技术水平的因 素对测试结果带来的误差。目前国内各电厂、煤矿、研究所、院校所使用的绝大多数量热 仪均为此种自动量热仪，其市场占有率高达8 0 以上。最近几年，又出现了快速自动量热 仪，其测试速度快，效率是目前普及的自动量热仪的2 倍以上，但是由于其技术上并不十 分成熟，测试的流程中很大一部分是由计算机软件模拟，且价格非常昂贵，因此目前并不 能被广大用户所采用。 2 0 世纪初，美国的p a r r 公司研制出第一台自动量热仪，经过近百年的发展，其最新 的1 2 7 1 1 2 8 1 型全自动量热仪的精密度( r s d ) 达到0 1 ，温度分辨率可达0 0 0 0 1 k 。最 第2 页 = 望型耋篁些塑墼型鲨垒一 响对煤炭运量、运力的需求，进而影响着我国的整个国民经济。 由于煤是按热值计价的，因此如何保证量热仪的测量精度，是我国各厂矿、研究所目 前面临的主要问题。用量熟仪来测定煤发热量的过程中，温度的测量误差是发热量测量误 差的主要来源。在石英晶体量热仪中，温度的测量是利用石英晶体的压电效应原理，即石 英晶体在一定切型的切角下，因温度变化引起石英晶体频率呈一定规律变化的关系，通过 对频率的精确测量，从而得出测温点的实际温度。因此，高精度测频是此石英晶体量热仪 是否能够精确测量出煤发热量的关键。 1 2 1 量热仪的研究现状 1 2 国内外研究现状 量热仪经历了早期的贝克曼式量热仪、电脑式量热仪、自动量热仪三个过程。最早的 贝克曼式量热仪完全是人工手动操作、控制和计算的，此种量热仪的温度测量是用玻璃水 银温度计来完成的。常用的玻璃水银温度计有两种：一种是固定测温范围的精密温度计， 一种是可变测温范围的贝克曼温度计，两者的最小分度值应为o 0 1 k 。使用时根据计量机 关检定证书中的修正值做必要的修正，两种温度计都应进行刻度修正( 贝克曼温度计称为 孔径修正) ，贝克曼温度计除这个修正值外还有一个称为“平均分度值”的修正值。因此这 种旧式量热仪所采用的温度计，对操作员的素质要求很高，其操作麻烦，计算复杂，且不 能远距离操作使用，并且由于视觉造成的误差，其精度常常不能满足要求。电脑式量热仪 一般为半自动式，其测温采用数字式量热温度计，避免了旧式量热仪所采用的目测温度所 带来的麻烦，测温准确，但需要人工称水、充水、调水温，操作者的劳动强度较大，其测 量精度往往受限于操作者的技术水平。自动量热仪采用自动水循环结构，可实现内简水的 定量和水温的调节。操作简便，减轻了操作员的劳动强度，避免因操作人员技术水平的因 素对测试结果带来的误差。目前国内各电厂、煤矿、研究所、院校所使用的绝大多数量热 仪均为此种自动量热仪，其市场占有率高达8 0 以上。最近几年，又出现了快速自动量热 仪，其测试速度快，效率是目前普及的自动量热仪的2 倍以上，但是由于其技术上并不十 分成熟，测试的流程中很大一部分是由计算机软件模拟，且价格非常昂贵，因此目前并不 能被广大用户所采用。 2 0 世纪初，美国的p a r r 公司研制出第一台自动量热仪，经过近百年的发展，其最新 的1 2 7 1 1 2 8 1 型全自动量热仪的精密度( r s d ) 达到0 1 ，温度分辨率可达0 0 0 0 1 k 。最 第2 页 = 望型耋篁些塑墼型鲨垒一 响对煤炭运量、运力的需求，进而影响着我国的整个国民经济。 由于煤是按热值计价的，因此如何保证量热仪的测量精度，是我国各厂矿、研究所目 前面临的主要问题。用量熟仪来测定煤发热量的过程中，温度的测量误差是发热量测量误 差的主要来源。在石英晶体量热仪中，温度的测量是利用石英晶体的压电效应原理，即石 英晶体在一定切型的切角下，因温度变化引起石英晶体频率呈一定规律变化的关系，通过 对频率的精确测量，从而得出测温点的实际温度。因此，高精度测频是此石英晶体量热仪 是否能够精确测量出煤发热量的关键。 1 2 1 量热仪的研究现状 1 2 国内外研究现状 量热仪经历了早期的贝克曼式量热仪、电脑式量热仪、自动量热仪三个过程。最早的 贝克曼式量热仪完全是人工手动操作、控制和计算的，此种量热仪的温度测量是用玻璃水 银温度计来完成的。常用的玻璃水银温度计有两种：一种是固定测温范围的精密温度计， 一种是可变测温范围的贝克曼温度计，两者的最小分度值应为o 0 1 k 。使用时根据计量机 关检定证书中的修正值做必要的修正，两种温度计都应进行刻度修正( 贝克曼温度计称为 孔径修正) ，贝克曼温度计除这个修正值外还有一个称为“平均分度值”的修正值。因此这 种旧式量热仪所采用的温度计，对操作员的素质要求很高，其操作麻烦，计算复杂，且不 能远距离操作使用，并且由于视觉造成的误差，其精度常常不能满足要求。电脑式量热仪 一般为半自动式，其测温采用数字式量热温度计，避免了旧式量热仪所采用的目测温度所 带来的麻烦，测温准确，但需要人工称水、充水、调水温，操作者的劳动强度较大，其测 量精度往往受限于操作者的技术水平。自动量热仪采用自动水循环结构，可实现内简水的 定量和水温的调节。操作简便，减轻了操作员的劳动强度，避免因操作人员技术水平的因 素对测试结果带来的误差。目前国内各电厂、煤矿、研究所、院校所使用的绝大多数量热 仪均为此种自动量热仪，其市场占有率高达8 0 以上。最近几年，又出现了快速自动量热 仪，其测试速度快，效率是目前普及的自动量热仪的2 倍以上，但是由于其技术上并不十 分成熟，测试的流程中很大一部分是由计算机软件模拟，且价格非常昂贵，因此目前并不 能被广大用户所采用。 2 0 世纪初，美国的p a r r 公司研制出第一台自动量热仪，经过近百年的发展，其最新 的1 2 7 1 1 2 8 1 型全自动量热仪的精密度( r s d ) 达到0 1 ，温度分辨率可达0 0 0 0 1 k 。最 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 新统计表明，p a r r 氧弹量热仪在美国的市场占用率为9 0 ，其产品在中国市场占有一定 的比重。德国i n 公司c 5 0 0 0 全自动量热仪，产品获得a s t m 、a s m t 、t u v 、c s a 、c e 、 i s 0 9 0 0 1 、d i n 、b s 国际认证，可选绝热、等温、快速动态三种测试模式，具有高精确度 和可靠性，不需外接水源，被广泛应用于燃煤或燃油的电厂、石灰工业、水泥工业、食品 工业、饲料工业，在我国国内市场占有一席之地。 相比国外著名企业，我国国内的自动量热仪起步较晚，8 0 年代郑州、鹤壁等一些公司 才开始研制自动量热仪，最近几年才得到迅猛发展，长沙、西安、郑州等各大公司研制的 自动量热仪能够符合g b 厂r 2 1 3 1 9 9 6 ，基本上达到了国外著名企业7 0 年代的水平。如长沙 的开元仪器有限公司所研制的5 e a c 系列量热仪，郑州光力科技发展公司的g l r 一3 0 0 系 列量热仪，精密度( r s d ) 均达到0 2 ，温度分辨率也均可满足o 0 0 1 k 的要求。 就整个国内市场自动量热仪的价位而言，国内一机单控型量热仪( p c 机仅控制一路内 筒温度信号) 价格一般为十五万元左右，而一机双控型量热仪( p c 机控制二路内筒温度信 号) 价格都在二十五万元左右，进口的一机双控型量热仪价格一般都在五十万元以上。 相比国外的仪器，我国的国产量热仪虽然价格便宜，但是在量热技术上还有一定的差 距，尤其在温度的测量方面。 我们所要研究的石英晶体量热仪，为典型的一机双控型全自动量热仪，而其中最关键 的温度测量是通过频率的测量转化而来的，测频精度的高低直接影响着温度测量的精度， 从而决定整个量热仪系统的精度，因而整个课题的侧重点应放在高精度测频技术的研究上 面。 1 2 2 测频技术的研究现状 近年来，测试技术有了飞跃发展，数字化技术、微处理技术、自动化技术等得到广泛 应用，智能技术、计算机辅助测试等也日渐发展及应用。 频率测量是电子测量领域的最基本测量之一。由于频率信号抗干扰强，易于传送，可以 使测量系统达到较高的精度，因此在测控系统中，对测频的研究越来越引起人们的重视。 在测量频率方面，国内外目前都有比较成熟的理论和系统方法，并配有相关的仪器。 1 9 5 2 年美国h p 公司生产了第一台用数码管显示的h p 5 2 4 型l o m h z 计数器，至今四十年 来r 电子计数器的发展早就冲破了早期只能用来测量频率或计数的概念，而通过内部电路 的不同连接可以测量频率、频率比、周期、时间间隔、脉冲计数等许多电信号。总的看来， 国防科学技术大学研究生院学位论文 新统计表明，p a r r 氧弹量热仪在美国的市场占用率为9 0 ，其产品在中国市场占有一定 的比重。德国i n 公司c 5 0 0 0 全自动量热仪，产品获得a s t m 、a s m t 、t u v 、c s a 、c e 、 i s 0 9 0 0 1 、d i n 、b s 国际认证，可选绝热、等温、快速动态三种测试模式，具有高精确度 和可靠性，不需外接水源，被广泛应用于燃煤或燃油的电厂、石灰工业、水泥工业、食品 工业、饲料工业，在我国国内市场占有一席之地。 相比国外著名企业，我国国内的自动量热仪起步较晚，8 0 年代郑州、鹤壁等一些公司 才开始研制自动量热仪，最近几年才得到迅猛发展，长沙、西安、郑州等各大公司研制的 自动量热仪能够符合g b 厂r 2 1 3 1 9 9 6 ，基本上达到了国外著名企业7 0 年代的水平。如长沙 的开元仪器有限公司所研制的5 e a c 系列量热仪，郑州光力科技发展公司的g l r 一3 0 0 系 列量热仪，精密度( r s d ) 均达到0 2 ，温度分辨率也均可满足o 0 0 1 k 的要求。 就整个国内市场自动量热仪的价位而言，国内一机单控型量热仪( p c 机仅控制一路内 筒温度信号) 价格一般为十五万元左右，而一机双控型量热仪( p c 机控制二路内筒温度信 号) 价格都在二十五万元左右，进口的一机双控型量热仪价格一般都在五十万元以上。 相比国外的仪器，我国的国产量热仪虽然价格便宜，但是在量热技术上还有一定的差 距，尤其在温度的测量方面。 我们所要研究的石英晶体量热仪，为典型的一机双控型全自动量热仪，而其中最关键 的温度测量是通过频率的测量转化而来的，测频精度的高低直接影响着温度测量的精度， 从而决定整个量热仪系统的精度，因而整个课题的侧重点应放在高精度测频技术的研究上 面。 1 2 2 测频技术的研究现状 近年来，测试技术有了飞跃发展，数字化技术、微处理技术、自动化技术等得到广泛 应用，智能技术、计算机辅助测试等也日渐发展及应用。 频率测量是电子测量领域的最基本测量之一。由于频率信号抗干扰强，易于传送，可以 使测量系统达到较高的精度，因此在测控系统中，对测频的研究越来越引起人们的重视。 在测量频率方面，国内外目前都有比较成熟的理论和系统方法，并配有相关的仪器。 1 9 5 2 年美国h p 公司生产了第一台用数码管显示的h p 5 2 4 型l o m h z 计数器，至今四十年 来r 电子计数器的发展早就冲破了早期只能用来测量频率或计数的概念，而通过内部电路 的不同连接可以测量频率、频率比、周期、时间间隔、脉冲计数等许多电信号。总的看来， ：墼墼婆垒塑鬯塑鳖圣一 其发展主要有两个方面：高频段和多功能。在高频测量方面，由于微波技术的需要，计数 器的测频上限越来越高。目前，有些计数器的直接计数能力达1 0 h z 或更高，如荷兰 p m 6 6 7 6 ( 频率范围为( 1 0 一1 5 1 0 9 h z ) 等智能频率计均达到这样高的技术指标。另一方 面，电和非电信号的自动测量及一机多用可增加仪器的灵活度，提高仪器的利用度、降低 成本、减少实验室品种数量等又促使电子计数器向程控和实时数据处理的多功能方向发 展。一台程控计数器，同时是电信号的台式测量仪表和系统“器件”，而一台智能计数器( 也 称计算式计数器) ，不仅同时是以上二者，而且在加上传感器后，也可以同时是集中非电 量测量仪表。例如，用它测量激光测距传感器的输出，通过数据处理可以给出被测距离的 显示，而用它测量转速传感器的输出时，它就显示平均或瞬时转速等等，因而在这些情况 下，就可以说它是测距仪和转速分析仪了。目前，电子频率计正在向模块化、程控化和智 能化方向发展，同时由于采用先进的测量技术和工具，澳4 频仪器的精度越来越高，如国产 h 6 0 2 型毫赫计数器采用了多周期同步技术，使测频对的最高分辨力达o 0 0 0 1 h z ；h p 5 3 7 0 a 型通用时间间隔计数器，采用了数字内插技术，使单次测量分辨力达2 0 p s 。 目前国内外出现了很多高精度频率计，测量精度越来越高，测频带宽也越来越宽，功 能也越来越多。但是在许多应用场合并不要求频率计具有那么高的频率上限和那么高超的 功能特点，而是要求其简单可靠、体积小，最主要是其针对性要强且成本要低。 在本课题的石英晶体量热仪中，要求其中的测频模块体积小、灵活、方便、精度高， 并且要求成本低，与p c 机通讯简单，以便能满足此石英晶体量热仪的测温要求，使此石 英晶体量热仪可以应用于广大厂矿、研究所，从而在国内的量热仪市场上占据一席之地。 1 3 论文的主要工作 本文在自动量热仪的基础上，以g b t2 1 3 1 9 9 6 中煤的发热量测定方法为理论依据， 介绍了石英晶体量热仪的工作原理、方法及系统结构，重点研究了石英晶体量热仪中相应 的高精度测频技术，并设计了相应的测频模块及p c 机应用程序。 第二章主要研究了此石英晶体量热仪的工作原理、实验流程、注意事项及理论计算。 第三章研究了测频的原理、方法，并详细分析了高精度测频的误差来源，并提出了解 决的方案。 第四章在第二、三章的基础上，设计了用单片机实现的高精度测频电路模块，对其硬 件总体结构、软件流程及具体技术环节进行了分析，并将其用于石英晶体量热仪中。 第4 页 第二章石英晶体量热仪系统 2 1 系统结构 石英晶体量热仪属于典型的恒温式自动量热仪，被用于测量可燃物质( 流体、固体) 的发热量。它广泛应用于许多热力学的计算中，如计算化合物的生成热和有机化学反应热 等。在工业中，热值是煤炭、石油、炸药、食品等工业产品质量的鉴定标准之一，尤其是 各个火电厂、煤矿等耗煤企业必备的重要仪器，很多情况下，石英晶体量热仪被用来测定 煤的发热量。图2 i 为一机双控型石英晶体量热仪系统的框图a 图2 1 一机双控型石英晶体量热仪系统 整个系统主要由p c 机、量热仪、打印机三大部分构成( 其实物图如图2 - 2 ) 。 整个系统的核心为量热仪部分，量热仪测温精度的高低直接决定着整套量热仪系统测 试的精度。 量热仪主要包括氧弹、恒温式外筒、内筒、搅拌器、测温系统几个主要的部分。 氧弹由耐热、耐腐蚀的合金钢制成，并接有点火电极，内充氧气，以点燃被测的物质。 恒温式外筒为金属制成的双壁容器，有上盖，并使内外壁保持1 0 1 2 m m 的间距，为 了保证试验过程中外筒温度基本恒定，外面加上绝缘保护层，以减少室温波动的影响。 内筒由铜制成，筒内装水2 0 0 0 5 0 0 0 m l ，并能浸没氧弹为准，为了减少室温波动的影 响，应该在外筒外面加一层绝缘保护层。 搅拌器为螺旋桨式。转速应该控制在4 0 0 6 0 0 r m i n ，并要保持稳定。 第6 页 第二章石英晶体量热仪系统 2 1 系统结构 石英晶体量热仪属于典型的恒温式自动量热仪，被用于测量可燃物质( 流体、固体) 的发热量。它广泛应用于许多热力学的计算中，如计算化合物的生成热和有机化学反应热 等。在工业中，热值是煤炭、石油、炸药、食品等工业产品质量的鉴定标准之一，尤其是 各个火电厂、煤矿等耗煤企业必备的重要仪器，很多情况下，石英晶体量热仪被用来测定 煤的发热量。图2 i 为一机双控型石英晶体量热仪系统的框图a 图2 1 一机双控型石英晶体量热仪系统 整个系统主要由p c 机、量热仪、打印机三大部分构成( 其实物图如图2 - 2 ) 。 整个系统的核心为量热仪部分，量热仪测温精度的高低直接决定着整套量热仪系统测 试的精度。 量热仪主要包括氧弹、恒温式外筒、内筒、搅拌器、测温系统几个主要的部分。 氧弹由耐热、耐腐蚀的合金钢制成，并接有点火电极，内充氧气，以点燃被测的物质。 恒温式外筒为金属制成的双壁容器，有上盖，并使内外壁保持1 0 1 2 m m 的间距，为 了保证试验过程中外筒温度基本恒定，外面加上绝缘保护层，以减少室温波动的影响。 内筒由铜制成，筒内装水2 0 0 0 5 0 0 0 m l ，并能浸没氧弹为准，为了减少室温波动的影 响，应该在外筒外面加一层绝缘保护层。 搅拌器为螺旋桨式。转速应该控制在4 0 0 6 0 0 r m i n ，并要保持稳定。 第6 页 一墼些垫些些丝些鳖一 图2 2 一机双控型石英晶体量热仪的实物图 由于内筒温度测量误差是发热量测定误差的主要来源，因此对测温系统的要求就具有 特别重要的意义。此测温系统的测温精度至少达到0 0 0 1 k ，从而来保证测温的准确性。由于 此测温探头采用石英晶体做成，其温度与频率为函数关系，温度的测量是通过频率的测量 间接得到的，因此整个测温系统的精度主要在于频率测量的精度，由于整个测温探头的温 度变化设定在1 0 0 4 c 1 0 0 。c ，探头的频率变化范围在9 9 m h z - 1 0 1 m h z ( 中心频率为 1 0 m h z ) ，相当于要求测量此探头频率的精度应达到1 h z ( 综合考虑此测温系统，测频精度 应比要求的精度要高一些，因此测频精度至少应达到o 2 5 h z ) 。 另外此量热仪系统必须应具备分析天平( 感量0 1 m g ) ，点火装置，氧弹充氧装置等。 2 2 系统的工作原理 根据g b t2 1 3 - - 1 9 9 6 规定，热量的单位为j ( 焦耳) ，煤发热量的测定结果以m j k g ( 兆 焦千克) 表示，量热系统在试验条件下温度上升l k 所需的热量称为热量计的有效热容量 ( 简称热容量) ，用j 表示。 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧 化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量称为弹筒发热量。任何物质( 包括煤) 的燃烧热，随燃烧产物的最终温度而改变，温度越高，燃烧热越低。因此，一个严密的发 热量定义，应对燃烧产物的最终温度有所规定。但在实际发热量测定时，由于具体条件的 限制，把燃烧产物的最终温度限定在一个特定的温度或一个很窄的范围内都是不现实的。 温度每升高1 k ，煤和苯甲酸的燃烧热约降低o 4 1 3 j 悖。当按规定在相近的温度下标定热 容量和测定发热量时，温度对燃烧热的影响可近于完全抵消，而无需加以考虑。 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧 第7 页 一墼些垫些些丝些鳖一 图2 2 一机双控型石英晶体量热仪的实物图 由于内筒温度测量误差是发热量测定误差的主要来源，因此对测温系统的要求就具有 特别重要的意义。此测温系统的测温精度至少达到0 0 0 1 k ，从而来保证测温的准确性。由于 此测温探头采用石英晶体做成，其温度与频率为函数关系，温度的测量是通过频率的测量 间接得到的，因此整个测温系统的精度主要在于频率测量的精度，由于整个测温探头的温 度变化设定在1 0 0 4 c 1 0 0 。c ，探头的频率变化范围在9 9 m h z - 1 0 1 m h z ( 中心频率为 1 0 m h z ) ，相当于要求测量此探头频率的精度应达到1 h z ( 综合考虑此测温系统，测频精度 应比要求的精度要高一些，因此测频精度至少应达到o 2 5 h z ) 。 另外此量热仪系统必须应具备分析天平( 感量0 1 m g ) ，点火装置，氧弹充氧装置等。 2 2 系统的工作原理 根据g b t2 1 3 - - 1 9 9 6 规定，热量的单位为j ( 焦耳) ，煤发热量的测定结果以m j k g ( 兆 焦千克) 表示，量热系统在试验条件下温度上升l k 所需的热量称为热量计的有效热容量 ( 简称热容量) ，用j 表示。 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧 化碳、硝酸和硫酸、液态水以及固态灰时放出的热量称为弹筒发热量。任何物质( 包括煤) 的燃烧热，随燃烧产物的最终温度而改变，温度越高，燃烧热越低。因此，一个严密的发 热量定义，应对燃烧产物的最终温度有所规定。但在实际发热量测定时，由于具体条件的 限制，把燃烧产物的最终温度限定在一个特定的温度或一个很窄的范围内都是不现实的。 温度每升高1 k ，煤和苯甲酸的燃烧热约降低o 4 1 3 j 悖。当按规定在相近的温度下标定热 容量和测定发热量时，温度对燃烧热的影响可近于完全抵消，而无需加以考虑。 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧 第7 页 化碳、二氧化硫、液态水以及固态灰时放出的热量称为恒容高位发热量。高位发热量也即 由弹筒发热量减去硝酸和硫酸校正热后得到的发热量。 单位质量的试样在充有过量氧气的氧弹内燃烧，其燃烧产物组成为氧气、氮气、二氧 化碳、二氧化硫、气态水以及固态灰时放出的热量称为恒容低位发热量。 低位发热量也即由高位发热量减去水( 煤中原有的水和煤中氢燃烧生成的水) 的气化 热后得到的发热量。 煤的发热量在氧弹热量计中进行测定，一定量的分析试样在氧弹热量计中，在充有过 量氧气的氧弹内燃烧。氧弹热量计的热容量通过在相似条件下燃烧一定的基准量热物苯甲 酸来确定，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( 硫酸与二氧化 硫形成之差) 后即得高位发热量。对煤中的水分( 煤中原有的水和氢燃烧生成的水) 的气 化热进行校正后求得煤的低位发热量。 煤的发热量计算公式为： q 6 甜：e ( a t + c ) - q l - q 2 m 式中：q b 。d ：表示分析试样的弹桶发热量( 煤的发热量) ，j g e ： 表示仪器的热容量，j k c ： 表示冷却校正值，k t ：表示主期温升，k q 1 ：表示点火丝的热值，j q 2 ：表示添加物的热值，j m ： 表示煤的质量，g 高位发热量的公式： g = 幺“一( 9 4 1 s o “+ 口q “) 式中：s ba d ：测得的煤的含硫量 a ：硝酸校正系数： 当q ba a 1 6 7 m j k g ，a = 0 0 0 1 当l 矗7m j k g 1 6 7 m j k g ，a = 0 0 0 1 6 第8 页 一= ：塑塑塑鳖望型垄墼鳖二一 低位发热量的公式： 伤= ( q , - 2 0 6 h a a ) 罴薏2 3 虬 式中：m 。：收到基全水分 h a d ：分析试样的水分 m a d ：分析试样的水分 在测定煤的发热量的过程中，温度随时间变化曲线如下图( 图2 3 ) 表示： t ( c ) t 3 t 4 t j 图2 3 温度随时间变化曲线 t ( 秒) 图中：t 0 为初期的起始温度 t ，为初期的最末温度，同时也是主期的初始温度 t 2 为点火后测得的第一个温度 t 3 为主期过程中最高的温度 t 4 为主期中最末温度，即温度开始下降的第一个温度 t 5 为末期中最后温度 整个流程可分为三个阶段： t o t l 为初期，初期温度读取间隔一般为1 分钟( 也有少数用户要求间隔为2 0 秒) ，需 要连续读取六个温度，当温度的变化r r l - t o i 小于温升判定参数( o 0 8 。c 加1 ) 时，就可在 t l 时刻点燃氧弹，进入主期。 t i t a 为主期，主期温度读取间隔1 分钟。 i t 2 一t l 伏于点火判定参数( o 3 c 1 c ) 时，点 火成功，否则点火失败，必须重新开始实验。当主期温度达到最高点并开始下降的t 4 时刻 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时，进入末期。 t 4 t 5 为末期，末期温度读取间隔和个数同初期应相对应。 t s 时刻，实验结束。 当用自动量热仪测定煤的发热量时，应该首先用标准物质( 苯甲酸) 标定出仪器的热 容量，同测煤的发热量一样，也需在氧弹热量计中进行测定，取一定量的分析试样( 标准 物质苯甲酸) 在氧弹热量计中，在充有过量氧气的氧弹内燃烧，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，即可求得热容量，标定热容量的试验过 程同测煤发热量的过程一致。 e 的计算公式为： e ：，1 0 0 1 5 q m + q l f + c 式中：e ：表示热容量，j k q ： 表示标准物质( 苯甲酸的热值) ，j 幢 x t ： 表示主期温升，k c ： 表示冷却校正值，k q 1 ：表示点火丝的热值，j 热容量标定一般应进行5 次重复试验，其极限值( 最大值和最小值之差) 如不超过 4 0 j k ， 取5 次结果的平均值( 修正到1j k ) 作为仪器的热容量。否则再做一次或两次试 验，取极限差值不超过4 0j k 的5 次进行平均，如果任何5 次结果的极限差值都超过4 0j k ， 则应对试验条件和操作技术仔细检查，再重新进行标定，而舍弃已有的全部结果。 目前，国内绝大多数用户都采用瑞芳公式来计算c 值。 c 的计算公式为： c - 附辔 孚+ 缸l 式中：n ：由点火到终点的时间，m i n v o ：初期温升速率，k m i n v 。：末期温升速率，k m i n t 0 ：主期开始时的内筒温度 t n ：主期结束时的内筒温度 t ：主期内第i 分钟的内筒温度( i = l n ) ：璧塑丝堕塑些些丝鳖| _ = 一 v o 的计算公式： = 等 式中t 、t 。、t ，、t o 均按照图2 3 。 v 。的计算公式： 式中t 、t 。、t ；、t 。均按照图2 3 。 2 3 系统的工作流程 用石英晶体量热仪测定煤的发热量时，同样需用标准物质来标定出仪器的热容量，标 定热容量的工作流程同测煤发热量的工作流程是一致的。以下用测煤发热量的流程来说明 整个系统的工作流程。 首先用分析天平精确称取分析试样0 9 1 1 9 ( 称准到o o o o l g ) 。然后将其放到氧弹中的 燃烧皿中，取一段点火丝，两端接在燃烧皿的两个电极柱上，拧紧氧弹盖，往氧弹中充入 过量氧气，准备好氯弹。接着将氧弹放入内简，开始测量。 以下的过程可以用流程图2 4 表示： 充水( 时间3 0 s 一1 2 0 s 口- l i 9 1 ) u 预搅拌( 时间3 0 s 一6 0 0 s 可调) ! 读取初期温度t p ( 每2 0 s 或每分钟读一次) 第l l 页 等 = 圪 ：璧塑丝堕塑些些丝鳖| _ = 一 v o 的计算公式： = 等 式中t 、t 。、t ，、t o 均按照图2 3 。 v 。的计算公式： 式中t 、t 。、t ；、t 。均按照图2 3 。 2 3 系统的工作流程 用石英晶体量热仪测定煤的发热量时，同样需用标准物质来标定出仪器的热容量，标 定热容量的工作流程同测煤发热量的工作流程是一致的。以下用测煤发热量的流程来说明 整个系统的工作流程。 首先用分析天平精确称取分析试样0 9 1 1 9 ( 称准到o o o o l g ) 。然后将其放到氧弹中的 燃烧皿中，取一段点火丝，两端接在燃烧皿的两个电极柱上，拧紧氧弹盖，往氧弹中充入 过量氧气，准备好氯弹。接着将氧弹放入内简，开始测量。 以下的过程可以用流程图2 4 表示： 充水( 时间3 0 s 一1 2 0 s 口- l i 9 1 ) u 预搅拌( 时间3 0 s 一6 0 0 s 可调) ! 读取初期温度t p ( 每2 0 s 或每分钟读一次) 第l l 页 等 = 圪 ：= ：些些婪型型鬯冀些垒一 图2 4 测试煤的发热量的流程图 第1 2 页 一墼堡垒鳖墼型垄墼鳖= 一 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 由于影响发热量热值测定准确与否的因素很多，其中温度的因素对发热量测值得影响 最大，因此为了保证煤的发热量测定精确，首先要保证对试验温度的控制。 室温应尽量保持恒定，每次测定室温变化不应超过i k ，通常室温以不超出1 5 3 0 范围为宜。 外筒温度应尽量接近室温，相差不得超过1 5 k 。 注意适当调节内筒水温，使终点时内筒比外筒温度高1 k ，以便终点时内筒温度出现明 显下降。 另外要求试验室内应无强烈的空气对流，且避免阳光照射。 第1 3 页 = = 型些鳖篁塑型些丝墼= 一 第三章高精度测频技术 3 1 测频的原理及方法 目前，测频的仪器虽然多种多样，应用的技术也越来越先进，单就其原理来说，通用 的测频方法是高频采用直接计数测频法，低频段采用间接测周法。直接测频法是在一单位 时间t 内测出通过控制闸门的脉冲数n 。间接测周法是在一个信号周期内纪录下基准定时 脉冲的个数。 1 直接计数法测量频率的原理方框图如图3 1 图3 1频率测量 如图所示，频率为最的输入信号由a 通道输入，可以是正弦信号，经放大整形后，送 往闸门电路。晶体振荡器输出的脉冲信号，经分频器分频后，通常可以得到i m s 、l o m s 、 0 i s 、l s 、l o s 五种时间基准，通过闸门时间选择开关，将所选用的时间基准，通过闸门时 间选择开关，将所选用的时基信号( 如1 s ) 以计数输入方式作为门控双稳的触发信号。门 第1 4 页 = = 型些鳖篁塑型些丝墼= 一 第三章高精度测频技术 3 1 测频的原理及方法 目前，测频的仪器虽然多种多