三、仪器的工作原理
1、仪器的组成
该仪器由氧化锆检测器和智能信号控制器两部分组成。
氧化锆检测器由氧化锆管、加热炉丝、热电偶、粉末冶金罩、防尘装置及壳体等组成。整个检测装置采用全封闭钢制直插式结构,增加了检测器的封闭性能,提高了检测器的耐高温、抗腐蚀能力。
智能信号控制器由主控制电路板、显示电路板和外壳等组成。主控制电路板由CPU控制完成对氧化锆检测器的数据采集、处理和控制的功能及4~20mA模拟量信号输出功能。显示电路板由四位数码管将氧气的百分含量、温度、氧电势、报警值等多种参数显示出来,并通过薄膜按键对整个仪器进行调整。
2、仪器的工作原理
由于只有在温度为700°C时,通过氧化锆检测器的锆管电偶输出电动势与氧气的浓度对照表才能准确的计算出残氧浓度,所以该仪器的工作过程如下:
首先仪器进入升温状态,通过电炉丝对氧化锆检测器进行加热,显示器显示出温度值和升温符号,仪器的温度数据由热电偶采集,并由固态继电器控制电炉丝的加热。经过20分钟左右温度达到700°C,仪器由升温状态转入氧量测量状态,显示器显示氧气含量,仪器输出4~20mA信号。
在氧量测量状态下,可以通过按键查询有关参数,显示器循环显示氧量、温度、氧势、报警上限、报警下限。还可以通过按键完成参数的设置和零点、满量程的标定。
四、电路硬件设计
该仪器为了尽可能地简化单片机电路,选用了内置2K-ROM的89C2051单片计算机为控制核心,以串行EEPROM集成电路24C02为参数存储器,外围电路主要包括四个部分:数据采集、浓度显示和按键处理、标准电流输出、加热控制。
在整个仪器的电路中,数据采集部分对整个仪器的性能起着重要作用,因此仪器采用了高性能的电压频率转换集成电路LM331作为数据采集的核心,由LM331构成的V/F转换电路,分别将镐管和热电偶的差分信号转换成频率信号,该频率信号以TTL电平送入89C2051单片机的P3.2引脚,作为T1的计数脉冲,单片机再将不断变化的频率转换成相应的温度和残氧浓度。下面给出单通道数据采集通道的具体工作原理电路,见图1。
LM331是美国NS公司生产的性价比较高的精密电压频率转换器,它采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽,可达100dB;线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时,仍有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个阻容元件就可方便构成V/F变换电路,并且容易保证转换精度。该转换电路优于普通8位并行A/D转换器,有利于提高系统的测量范围。
电路中使用的单片机AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM)的高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准MCS-51指令集相兼容。该器件20管脚封装,编程电压为5V,可编程I/O口是15个,RAM都是128,16位定时/计数器为2个,中断源5个。该单片计算机还具有低功耗的闲置和掉电工作模式。寿命达1000次写/擦循环,数据保留时间为10年。
<![endif]> 该仪器在设计中利用了AT89C2051内部的两个16位定时器/计数器,将T0设为16位定时控制工作方式,而将T1设定为16位计数工作方式,由T1计算LM331输出的脉冲数。每个数据采集通道只占用AT89C2051的一个I/O口资源,即降低了仪器成本,又减小了仪器的体积。
五、仪器软件设计
1、仪器软件的组成
仪器的软件主要包括两部分:主程序模块和中断程序模块。
主程序模块:主要用于仪器的控制和管理。系统加电后,AT89C2051自动上电复位,开始运行主程序。仪器首先显示“01”“UUUU”,表示系统在进行自检和从24C02中读取参数工作。仪器不断地读取温度测量中断程序模块,比较温度是否达到700°C,直到达到要求时为止,然后调氧势测量中断程序模块完成氧浓度的测量显示工作,仪器完成一个测量循环后,进入待机低功耗工作状态,等待下一工作过程。
中断服务程序模块:仪器完成V/F信号采集、自动量程转换、氧量和温度计算及参数显示。其中参数显示采用了复用键,由软件设计的奇偶次切换决定。一般情况下,系统自动循环地显示氧量值和温度值。V/F信号采集服务程序模块在运行时,首先保护现场,进行初始化设置,启动T0定时器(T0的定时时间为100ms)和T1计数器,由T1记录V/F转换输出的脉冲数。然后,系统连续采样10次,利用数字滤波技术得出当前的有效采样值。接着,判断是否正在进行气体校正。若正在进行气体校正,则先进行系统的自校正,修正参数;若已完成了自校正工作,则继续后续程序块,计算氧量值和温度值。最后根据控制命令显示这些参数,调用功能键处理模块,巡查有无控制命令,恢复现场、中断返回。
需要说明的是,仪器为防止误操作,在气体校正部分还具有简单的密码设置功能。一旦设置密码,再进行参数修改时,必须首先输入正确的密码,否则系统不予以响应。这样能在一定程度上保证仪器参数的安全性。
2、仪器的测量精度问题
为了提高仪器的测量精度,在仪器的设计过程中,笔者充分利用了AT89C2051具有高性价比的特点,在不增加硬件资源的前提下,尽量做到硬件“软化”,提高了仪器的测量精度。
(1)数字调零和增益自校正
仪器在对氧势或温度进行电压/频率转换前,首先进行自校正工作,即依次选通差动输入接口芯片CD4052的Y0、Y1输入端口(其中Y0端接地,Y1端接标准+5V电源),在测量时,设选通Y0输入端时,仪器测得V/F计数值为X0,选通Y1输入端时,测得计数值为X1,设测得氧势或温度信号输入的计数值为Xi,则每次测量的结果为:
式中,Hi-氧势或温度信号输入的电压值
Hst-5V标准电压值。
这样,Hi与放大器的漂移及增益误差无关,不仅可提高仪器的测量精度,还可降低对器件精度的要求。
(2)采用模糊量程档位
程控量程自动转换是由信号放大增益档位的选择实现的,这里采用了增益步进法,即将增益由小到大逐步提高,直至选择最佳的放大倍数。但是,由于器件转换灵敏度的局限性,测量有时会不够准确(尤其是在量程档位临界区),从而导致量程选择出现错误,甚至进入换档死循环。考虑到这一点,我们在相邻两个量程临界区设置± 5%量程选择模糊区,当测量的输入值落入量程模糊区时,则不改变放大器的当前增益。经过实验表明,采取模糊量程区能有效地防止放大器的增益来回跳动现象。
(3)数据放大处理
在硬件上做到使测量精度达到均一化的同时,在软件设计上也进行相应的数据“放大”处理。在计算测量值过程中,先将数据“放大”,然后进行二进制乘运算,最后再统一转化为三字节浮点数进行浮点数运算,从而避免精度较低的直接二进制除运算。程序运算中采用了三字节浮点数及四字节BCD码浮点数进行计算,补偿修正后输出显示,从而提高仪器的测量精度。
(4) 信号隔离处理
对检测信号通过LM331进行了硬件上的信号隔离;输入环节上增加滤波电容及输入保护电路。系统的硬件设计遵循“一点接地”的原则,减少系统因电环路形成的干扰。
(5) 可靠性设计
在软件上进行了可靠性设计,在每个模块后和程序PROM的空白区加了软件陷阱。并在一些重要的跳转指令之间进行软件冗余设计。此外,还设计了溢出报警,避免显示错误的信息。
3、软件的流程图
仪器在单片计算机89C2051的控制下,实现电炉丝的加热、温度采集、氧量采集、电流输出、按键处理等功能,仪器的程序框图见图2。
六、安装使用
1、安装条件
氧化锆检测器的安装场所应满足下列条件:
(1). 避开震动场所。
(2).气体温度和压力要在仪器的使用范围内。
(3).接线盒要避开腐蚀性气体、高辐射热源。
(4).要有足够的工作空间。
2、取样点的位置选择
(1). 取样点的温度、压力、流量等参数不能变化太大。
(2). 取样探头的长度应达到烟道中心部位,至少不能少于烟道直径的三分之一。
(3). 取样的气体能快速反映工艺状态的变化情况,即气体具有代表性。
(4). 取样点的附近炉膛、烟道无泄漏。
3、检测器的安装
检测器的安装如图3所示,首先考虑能正确反映燃烧情况,位置选好后,在炉壁或烟道上开一个80mm直径的孔,将附件法兰盘对准后,焊接到炉壁或烟道上,焊接法兰盘时,应保证检测器安装时气嘴方向朝下,在法兰盘和检测器法兰之间垫上2~4mm厚的石棉橡胶垫,旋紧4个M12的螺栓,使其不漏气即可。
七、结论
该智能型氧量分析仪设计完成后,已实际应用在哈尔滨气化厂发电分厂的两台燃烧高炉的氧气浓度检测上。经过近一年的连续使用,该仪器仍工作稳定、显示正确、输出的模拟信号正常,预计该仪器在石化、电力、冶炼等行业中,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 何立民. 单片机应用系统设计[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1993.
[2] 黄祥新,孙家庆. 热力系统与设备[M]. 北京:机械工业出版社,1989.
[3] 强锡富. 传感器[M]. 北京:机械工业出版社,1993.
The Design for Intelligent Oxygen volume analyzer
Abstract: This paper analyzes the working principle of zirconia sensor for oxygen volume measurement, introduces the software and hardware form of intelligent oxygen volume analyzer, and supplies the circuit drawing of the analyzer. In addition, the article also gives a detailed description about how to use software to increase the testing accuracy of analyzer. Through on-site installation and test, the intelligent oxygen volume analyzer is proven to have the characteristics of high accuracy, good reliability, stable work, low cost and convenient adjustment, so it has extensive applying prospects.
Keywords: ziarconia; sensor; oxygen testing; monolithic processor;testing accuracy
作者简介:
李劲松:哈尔滨海格通江敏感技术有限责任公司仪器工程师,从事可燃性、毒性气体、氧气的检测方法的研究和仪器的设计工作。
才春利:哈尔滨海格通江敏感技术有限责任公司传感器工程师,从事气体传感器的研究工作。
藤文娟:哈尔滨海格通江敏感技术有限责任公司从事数据的分析和记录工作。
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