基于温度传感器Pt1000的高精度量热仪

2014-03-21袁开鸿魏丽君唐冬梅

仪表技术与传感器 2014年6期

袁开鸿，魏丽君，唐冬梅

(1．中南大学信息工程学院，湖南长沙　410083；2．湖南铁道职业技术学院，湖南株洲　412001)

0　引言

量热仪是测量物质发热量的精密仪器。主要用于测量煤炭、石油等物质的发热量，其工作效率与经济效益取决于测量仪器的的测量精度、操作方便性、试验快捷性[1-3]等。以往量热仪是基于单片机控制或是基于ISA总线进行数据传输的PC机控制，前者无法完成大量的数据处理，而且试验不够快捷。ISA总线的仪器能满足实时数据采集与处理要求，但计算机主板上逐渐淘汰ISA插槽。此外，PCI局部总线在利用计算机进行数据处理和采集控制的过程中，也得到了比较广泛的应用，且传输速率高、稳定性可靠。但是以上的几种方式，都是基于上位机和下位机操作而实现的。本文在分析现有设计的基础上，采用CPLD器件实现了嵌入式设计，采用高精度温度传感器Pt1000采集温度[4-5]，经过试验验证，仪器操作方便、试验快捷，试验结果符合国家标准。

1　系统原理

量热仪的工作原理是：称取一定量的分析煤样在充有过量氧气的氧弹中充分燃烧，其终态产物为二氧化碳、剩余氧气、氮气、硫酸、硝酸、液态水和固态的灰，所释放的热量用定量的水进行吸收，根据试样燃烧前、后量热系统产生的温升，并对点火热、量热系统与外界环境发生的热交换等附加热进行校正后求得试样的弹筒发热量，其量热系统热容量通过在相似条件下燃烧一定量的基准热物质(苯甲酸)来确定[6-8]。

2　系统的硬件整体设计

系统硬件设计分主板卡和人机界面卡。主板卡主要完成温度采集、点火控制与点火判断、搅拌电机控制、氧弹识别以及故障检测与报警等功能。人机界面卡主要完成键盘输入、时钟模块、数据存储、液晶显示以及打印机输出控制等。主板卡与人机界面卡均采用P89V669单片机和高性价比的CPLD器件ATF1508AS搭建整体硬件平台，两个板卡之间通过SPI总线通讯。其硬件原理框图如图1与图2。

图1　主板卡硬件框图

图2　人机界面卡硬件框图

3　温度采集电路设计与A/D转换

量热仪的测量精度直接反映在温升的测量精度上，因此是否能对温升进行准确的测量对仪器的测量精度影响非常大[9-11]，在采集内、外桶温度时，采用了精度为0．000 1 ℃的温度传感器Pt1000进行温度采集，其原理图如图3。

图3　温度采集模块电路原理图

根据原理图，假设运放反向输入端的电位为V-，同相输入端的电位为V+，输出端的电压为Vo，AVCC为+5 V DC电源，IP1为Pt1000温度传感器接口。由电路原理图以及运算放大器“虚短”和“虚断”可知：

(1)

V+=V-

(2)

(3)

(4)

式中Rt为Pt1000温度传感器端的电阻值。

测量分内桶和外桶，因此设计2路温度采集通道，设计采用一片四通道24位A/D转换芯ADS1253。采用ADR444BRZ作为电压基准芯片，为A/D采样提供基准电压。A/D转换原理图如图4所示。ADS1253的数据输出频率受采样频率的影响，设计中采用1 MHz有源晶振经128分频(7 812 Hz)电路得来，根据芯片资料，此时ADS1253的数据输出频率约20 Hz．

图4　A/D转换原理图

4　温度采样的软件实现

4．1初期采样

为了进行冷却校正的计算，需要知道点火时内筒的冷却速度。为此，为试验过程中设置一个初期，以其平均冷却速度作为点火时的冷却速度。在内筒温度均匀一致后，准确测量出一个温度值。测准至0．001 ℃，记为t0_Fri，同时开始记时。5 min后，再准确测一次温度，记为t0。随后测量并计算出V0。流程图见图5。

图5　初期采样软件设计流程图

4．2主期采样

点火后，试验进入主期。若45 s后内温度急剧上升，则表明点火成功。流程图见图6。

4.3末期采样

当内筒温度出现下降时，试验进入末期。从上述第一个下降温度点开始计时，5 min后，准确测取内筒温度，记作tn．停止搅拌，结束试验。流程图见图7。

设置末期，是为了计算末期平均冷却速度，并以该冷却速度代表终点时的冷却速度，作为冷却校正值的计算之用。末期内，内筒向外筒散热，其温度不断下降，因此，末期冷却速度是一个正值。

4　试验与测试数据分析

试验按国标法和瑞方法分别进行。通过人机界面控制板控制主控板来完成测试。人机界面给主控板发送测试参数、测试开始命令。主控板完成初期、主期、末期的采样及控制工作，计算测试数据结果，向人机界面控制板返回实时温度值、测试状态。流程图见图8。

通过试验，对试验数据进行“四舍六入五成双”处理后可以得出，对样重为1．300 6 g、0．700 0 g、1．004 5 g、0．704 4 g、1．280 4 g的5例样品进行热容量试验，主期时间均为9 min，热容量的平均值为10 135．77 J/K，相对标准差为0．06%，极差为15．42 J/K，各项数据均符合国家标准。此外，对样重为0．690 9 g、0．994 2 g、1．301 8 g、1．279 7 g、0.744 2 g的5个样品进行了发热量的测试，测试的主期时间同样均为9 min，发热量平均值为26 445．17 J/g，相对标准差为0．09%，极差为53．17，测试结果符合国家标准。