松散物料导热系数便携式测试系统

陈国凡，陈清华

（安徽理工大学，淮南 232001）

0 引言

松散物料导热系数的测定，目前的方案较多，笔者通过分析对比，得出以下特点：大多数测试装置体积较大，不适用于某些场合；温度测试和控制多半采用PLC加特殊模块的方式，花费昂贵且不利于集成和拓展功能；温度测点只有一个，不利于消除环境干扰的偶然误差[1～4]。

基于上述原因，我们设计了便携式测试系统，采用多分布传感器采集温度，利用单片机对数据进行处理，减小了体积，降低了成本，提高了精度。

1 系统结构及测试过程简介

本测试装置由：盛料桶、高精度稳压电源、加热棒、单片机系统、温度传感器和笔记本电脑组成，系统组成如图1所示，实物图如图2所示。

图1 系统组成图

图2 系统实物图

测试时，在盛料桶里放入松散物料（颗粒半径小于10mm），单片机系统先测定环境温度并传输到计算机，然后驱动高精度稳压器用加热棒对松散物料进行恒功率加热，加热过程中单片机系统实时读取三个传感器采集的温度信号，计算平均值并实时传输到计算机，计算机内使用Labview编程实现平行热线法算法将松散物料的导热系数计算并显示出来。

2 系统设计

2.1 盛料桶和加热棒

盛料桶用来盛放需要测定导热系数的松散物料，加热棒用来对物料进行恒功率加热，其三维图如图3所示。盛料桶由安徽理工大学实习机械厂加工。温度传感器测头到加热棒中心距离为15±1mm，符合GB10297-88规定。温度传感器型号为DS18b20，美国DALLAS公司生产，精度可达0.0625度，符合GB10297-88规定的温度误差0.1度的要求，本装置在桶内均匀布置三个测头，安放3只DS18b20温度传感器以减小测量误差提高精度。

图3 盛料桶和加热棒三维图

2.2 单片机系统

单片机系统由AT89S52单片机、MAX232电平转换芯片、九针串口接头、上电复位电路、晶振电路、供电USB接口等组成、电路图如图4所示。单片机系统程序流程如图5所示。

图4 单片机系统电路图

2.3 计算机操作界面

计算机操作界面通过Labview编程实现[5]，可设定采样间隔时间，显示实时温度、环境温度t0、测试温度t1、测试温度t2、温度曲线图以及计算导热系数。计算机操作界面如图6所示。

2.4 上位机Labview程序

上位机程序由串口通信程序和导热系数计算算法程序构成。串口通信程序如图7所示，该程序由串口设置模块、写串口模块、读串口模块、关闭串口模块、数据转换与标定模块组成，与单片机系统串口通信程序配合，形成一个串口通讯协议，实现了单片机系统和上位机间的实时数据交换。

图5 单片机系统程序流程

图6 计算机操作界面

图7 串口通信程序

上位机导热系数计算算法程序流程如图8所示，先测定环境温度，然后在60秒间隔内两次测试加热温度，再计算温差比值，查表计算指数积分，最后计算导热系数。

基于Labview软件实现了上述算法，其G语言程序如图9所示。

3 实验效果

使用淮南矿业集团孔李煤矿松散煤样进行测试，实测热线温升数据如表1所示。

图8 程序流程图

图9 部分G语言程序

经计算其导热系数为0.14231，与文献[1]用交叉热线法的测试结果0.14319很相近，相对误差0.61%，测试结果比较满意。

4 结论

1）本测试装置使用平行热线法测松散物料导热系数，系统的关键参数符合国家标准，能有效地提高测量精度。

表1 热线温升数据

2）本装置为便携式，结构紧凑，操作方便。

3）温度采集为多分布数字温度传感器，能进一步减小测量误差，提高精度。

本测试装置结构紧凑、测试精度高、操作过程简单和使用范围广泛，可用于各种非金属固体松散物料导热系数的测定。

[1] 陈清华, 张国枢, 秦汝祥, 等. 热线法同时测松散煤体导热系数及热扩散率[J]. 中国矿业大学学报, 2009, 38(3):336-340.

[2] 唐明云, 张国枢, 戴广龙, 等.热线法测定松散煤体导热系数装置改进设计[J]. 煤矿安全, 2008(7):55-57.

[3] 李建伟,葛岭梅,徐精彩. 松散煤体导热系数测定实验[J].辽宁工程技术大学学报,2004, 23(1): 4-8.

[4] SUN Ji-ping, SONG Shu. Recognition of Spontaneous Combustion in Coal Mines Based on Genetic Clustering[J].Journal of China University of Mining and Technology,2006, 16(1): 42-45.

[5] 杨乐平, 李海涛, 肖相生, 等.LabVIEW程序设计与应用[M].电子工业出版社, 2001.