关键词 测硫仪;库仑法;数据采集;嵌入式
中图分类号TQ53 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2012)80-0220-02
0 引言
目前,随着人们对大气污染问题的重视,石油、煤矿等开采于经营企业、环境保护部门及煤炭消费者更加重视硫的含量。传统的测硫仪虽然价格便宜,但是大多是基于PLC或8位单片机,很难同时满足高精度、快速、智能等需求。
当前,主要有四种硫含量分析的方法:艾氏卡重量法、高温燃烧中和法、库仑滴定法和红外检测法。艾氏卡重量法分析结果准确度高、重现性好,但操作程序复杂、耗能大;高温燃烧中和法的分析结果误差较大、实验周期也较长;红外检测法的测定快速,但开发和生产成本非常高;库仑滴定法[1]分析结果精度高,分析时间短,适合于日常分析。因此,本文EHP-ISA采用的就是库仑滴定法。
这里以碘为滴定试剂,煤样在1150℃的高温下,煤中硫会转化为SO2和SO3气体;将燃烧后的气体全部导入电解池,SO2与水反应生成H2SO3,然后又被电解碘氧化成H2SO4。仪器采用双铂电极指示终点。根据电解碘的过程中消耗的电量可以计算出煤中硫的含量:
(1)
式中:Q为电解碘消耗的电量,mc;ms为试样的质量,mg。
1 EHP-ISA硬件系统设计
EHP-ISA硬件系统由嵌入式处理器、高精度和高速数据采集模块、电解电流控制模块、炉温控制模块和通信模块等构成(如图1)。
嵌入式处理器STM32F103ZE负责采集温度信号和向上位机实时发送数据,并在随机的显示屏上显示相关信息。同时,其也接受来自上位机或触摸屏上发出的控制命令,完成对炉温的温度调节以及搅拌器、气泵、风扇、步进机的控制。
EHP-ISA与上位机之间通过RS232串口实现实时通信,上位机发送控制命令,EHP-ISA接收后完成相应的控制。当然,EHP-ISA也可以不与上位机连接,独立工作。独立工作时,操作人员可以通过随机的触摸显示屏上的操作引导完成测量。
1.1 数据采集模块
在智能控制器中,需要完成采集电解池电极电压、输出到电解池的电流、高温炉中热电偶传感器输出信号和AD590的输出信号4路信号。为了保证高精度及高效性和减小体积,EHP-ISA中采用了ADS1242串行A/D转换器。ADS1242是一款24位串行A/D转换器,提供高达24位无丢失码性能和21位的有效分辨率 ,有兼容SPI的串行接口。
ADS1242内含有4通道模拟开关和采样保持电路,可以将上面所述的四种信号转换成数字信号,传送给STM32F103ZE处理器做相应的处理。
电解池中的电解电极电压是个幅值很小的信号,一般在20mV~200mV之间,因此在传送到ADS1242进行模数转换之前得放大该信号。
EHP-ISA中采用了AD620作为放大器来放大该信号,AD620是一款低成本、高精度、低功耗放大器,增益范围为1~10000。电解电极电压经AD620放大30倍后,与电解池隔离,再传送到ADS1242模数转换器。
热电偶传感器的输出信号也十分微弱,仍然先用AD620将其放大(400倍),后进行模数转换。通常,高温炉的要保持在1 150℃,以供煤样完全燃烧。
1.2 炉温控制模块
在煤样燃烧的过程中要求燃烧炉的温度稳定在1 150℃,精度要较高且波动不能太大,国家标准是波动不能超过5℃。因此要求测硫仪能够精确的测量和控制炉温。
EHP-ISA采用热电偶,并用AD590测量冷端环境温度,实现对热电偶传感器的冷端补偿[3]。AD590测出温度T?L后,将其转换成冷端电势EL;将热电偶的输出电势ER和冷端电势EL相加,得到电势E = EL + ER ;计算电势E,转换成炉温T。
当燃烧炉加热时候——即炉温在1 100℃以内时,以2s为周期,采用70%占空比的PWM信号对燃烧炉进行加热。
当炉温高于1 100℃,对炉温进行PID控制,使炉温保持在1 150℃左右,波动保证在上下4℃以内,这样可以延长硅碳管的寿命,而不至于因频繁的通电和断电而快速老化。
1.3 电解电流控制模块
在库仑滴定法中,硫的含量是对电解电量积分的结果,因此电解电流的精确测量和合理控制将直接影响全硫分析的精确度。
高精度测硫仪的关键因素之一是实时控制和准确的测量电解电流。我们采用模糊控制算法,根据从数据采集模块的指示电极信号控制电解电流。
它们之间有一个直接的比例关系。也就是说,指示电极电压低时,电解电流也低,否则电解电流会很高。在定硫仪中,电解电流是根据电解池中电解电极的电压结果进行控制的。
1.4 通信模块和人机交互接口
为了更方便的操作,EHP-ISA还设计有RS-232通信串口,以及一个用于人机交互的触摸显示屏。通过RS-232串口线,EHP-ISA接受来自本地主机的控制命令,并做出相应的控制;硫分结束后将测试结果发送到本地主机。
此外本地主机端有专门设计的客户端程序,界面简单明了,易学易用。有时候,操作者想要直接在测硫仪上看到分析的结果,以及直接在测硫仪上设置相关的控制系数。
因此EHP-ISA还搭载一个640x480的5寸触摸显示屏(102H * 76V mm?2)。
2 EHP-ISA软件系统设计
uC/OS-II是一种实时操作系统,该系统的可靠性、实时性以及有效性方面都很好,且开发周期短。EHP-ISA采用uC/OS-II为内核,加载PID控制算法程序,加载触屏显示驱动程序,以及其它基本设备的驱动(图2所示)。
软件系统的主要机制是中断响应、多任务、同步和协调。其他包括LCD显示驱动、触摸屏触摸驱动、A/D转换器驱动、D/A转换器驱动、实时时钟等。
在这一系列的设备驱动的基础上,很多任务就能够完成,如发送数据给上位机、接收来自上位机的数据、显示信息到LCD显示屏上、控制炉温以及控制电解池电流。
需要指出的是,通过这触摸屏,EHP-ISA可以脱离上位机独立工作。操作人员在设置 EHP-ISA的工作参数后,启动和结束全硫分析实验。全硫分析过程中,显示屏通过图形动态的显示实验的反馈参数。
全硫分析结束后,在屏幕上显示硫分结果,也可以打印到纸条上。该系统的PC机上位机控制程序采用C++语言编写,Visual C++ 6.0为开发环境,MSComm串口控件处理串口通信模块,具有更好的人机接口。
3 测试和分析
我们采用三份不同硫含量(0.51%、1.83%和4.43%)标准样煤进行了测试,每次全硫分析的煤样取48g~51g,测试分九组,每组3个煤样。
测试结果显示,低、中、高含硫量的极差分别为0.003,0.05和0.09,这远远高于国家标准的要求更好。消耗的分析时间约4分钟~5分钟,也远低于国家标准7分钟的要求。
4 结论
我们设计的EHP-ISA嵌入式高精度测硫仪,使用了ARM核的32位微处理器STM32F103ZE和 uc/OS-II嵌入式实时操作系统。
通过测试,结果表明该测硫仪的各项指标都已达到国家标准。且该仪器人机接口友好,操作简单,性价比高,具有广泛的市场应用前景。
