高精密全水分测试仪的研究与设计

黄　俊

（湖南铁道职业技术学院　株洲　412001）

1　引言

水分是一项重要的煤质指标，它在煤的基础理论研究和加工利用中都具有重要的作用。在煤炭贸易上，煤的水分是一个重要的计质和计量指标［1～2］。在煤质分析中，煤的水分是进行不同基的煤质分析结果换算的基础数据［3～4］。

水分测试大部分采用红外加热管加热或者采用鼓风干燥箱来测量，升温速率低，通氮方式单一，近年来，为了提高升温速率，设计中采用光波加热的方式越来越多，取得了较好的效果［5～9］。但是在处理时间上依然较长，容易受到环境的影响，本文在此研究的基础上，将加热方式改为光波+微波加热的方式，大大提高了升温速率，减小了由于环境对测试结果的影响［10］。通过对改进设计而成的快速水分仪进行分析水分精密度试验、分析水分准确度实验、￠6全水分精密度实验、￠6全水分准确度实验验证。

2　测试系统的工作原理

称取一定量的煤样，置于加热炉内，煤中水分子在热能的作用下，使水分迅速蒸发，根据煤样干燥后的质量损失计算全水分或分析基水分。

3　仪器的硬件系统设计

3.1　硬件整体框图设计

整个硬件系统包括以下主要模块：单片机控制模块、光波+微波加热管加热模块、热电偶测温模块、AD采样模块、超温、断偶硬件保护模块、通氮气模块、电源模块等。其硬件框图如图1所示。

图1　仪器硬件设计整体框图

3.2　主要硬件电路模块设计

3.2.1热电偶测温模块

图2　热电偶测温模块原理图

采用K型热电偶测温（考虑采用防损效果好的铠装热电偶），前级放大器采用AD620运算放大器，放大器的放大倍数取50.4倍。冷端温度由测温芯片LM75A测得。

3.2.2A-D采样模块

A-D采样芯片采用ADS1110A0IDBVT，该芯片价格较低，体积小，外围元器件少，精度高（16位）。

图3　AD采样模块

3.2.3光波加热管控制电路与硬件超温保护

采用2根加热管，每根加热管1.25KW。单片机输出调制波到可控硅进行加热管功率调节。2根加热管并联之后与可控硅串联连接，同时与超温、断偶硬件保护继电器串联，再通过开关和保险丝接入AC220V电网中（其中的1根加热管与1个继电器串联连接，能单独断开自身电源）。采用2根加热管可能有利于较细的温度控制，如果采用1根2.5KW的加热管能够达到同样的效果，将考虑只用1根加热管。为了防止温度过冲，在电路设计中增加了硬件超温保护电路。

图4　加热管连接示意图

图5　硬件超温保护电路

图6　燃烧炉热电偶电路

图7　加热电源判断电路

4　仪器的软件系统设计

仪器的软件系统设计由CAN通讯、实验模块、温度模块、AD转换、异常检测几个部分组成。CAN通讯完成与上、下位机的数据交换，实验模块自主的完成整个实验所需要执行的部件和相关的数据采集、监测，温度模块则主要是通过查表方式计算和校正温度、同时通过PID算法实现控温。AD转换模块则由单片机自动处理此过程，软件只需对相关寄存器作相应配置；异常检测模块则是程序主循环中定时对系统相关状态进行判断，如出现异常则上传异常信息，同时锁定相应的动作部件直到故障解除，其温度模块和AD模块设计流程图分别如图8和图9所示。

图8　温度模块流程图

图9　AD模块流程图

表1　实验数据表

续表1

5　试验

通过软硬件设计，对本光波水分测试器仪进行分析水空气干燥法精密度试验、分析水空气干燥法准确度实验、￠6全水空气干燥法精密度实验、￠6全水空气干燥法准确度实验、分析水通氮干燥法精密度实验、分析水通氮干燥法准确度实验、￠6全水通氮干燥法精密度实验、￠6全水通氮干燥法准确度实验验证，其试验数据如表1所示。

6　结语

本文设计的光波水分测试仪测试整盘同种样品的精密度符合国标要求，无系统偏差。

分别选择高、中、低水分煤试样进行实验，本光波水分测试仪测试分析水分、￠6全水分的实验结果与红外加热管加热的水分仪相比具有效率更高的特点，测试结果均符合国标要求。

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