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1、2022年基于ARM的嵌入式高精度测硫仪的设计摘要 测硫仪是分析煤、石油等能源燃料中硫含量的重要设备。本文采纳嵌入式软硬件解决方案、基于库仑法设计了一种高精度测硫仪(简称为EHP-ISA)。仪器采纳Cortex-M3核的STM32F103ZE微处理器和C/OS-II实时操作系统,主要包括高精度数据采集模块、基于PID的电解电流及炉温智能限制模块,以及友好的人机交互接口。测试结果表明,该测硫仪的中学低硫煤的极差在0.003%0.090%之间,精度高于国家标准,能很好的满意工业界的要求。 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(20
2、22)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、环境爱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,很难同时满意高精度、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精确度高、重现性好,但操作程序困难、耗能大;高温燃烧中和法的分析结果误差较大、试验周期也较长;红外检测法的测定快速,但开发和生产成本特别高;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采纳的就是库仑滴定法。 这里
3、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。仪器采纳双铂电极指示终点。依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、电解电流限制模块、炉温限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
4、或触摸屏上发出的限制吩咐,完成对炉温的温度调整以及搅拌器、气泵、风扇、步进机的限制。 EHP-ISA与上位机之间通过RS232串口实现实时通信,上位机发送限制吩咐,EHP-ISA接收后完成相应的限制。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 在智能限制器中,须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中采纳了ADS1242串行A/D转换器。ADS1242是一款24位串行A/D转换器,供
5、应高达24位无丢失码性能和21位的有效辨别率 ,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20mV200mV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中采纳了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110000。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非常微弱,仍旧先用
6、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 炉温限制模块 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限制炉温。 EHP-ISA采纳热电偶,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,采纳70%占空比的PWM信号
7、对燃烧炉进行加热。 当炉温高于1 100,对炉温进行PID限制,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,而不至于因常见的通电和断电而快速老化。 1.3 电解电流限制模块 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限制将干脆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限制和精确的测量电解电流。我们采纳模糊限制算法,依据从数据采集模块的指示电极信号限制电解电流。 它们之间有一个干脆的比例关系。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,电解电流是依据电解池中电解电极的电压结果进行限制的。
8、 1.4 通信模块和人机交互接口 为了更便利的操作,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限制吩咐,并做出相应的限制;硫分结束后将测试结果发送到本地主机。 此外本地主机端有特地设计的客户端程序,界面简洁明白,易学易用。有时候,操作者想要干脆在测硫仪上看到分析的结果,以及干脆在测硫仪上设置相关的限制系数。 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,该系统的牢靠性、实时性以及有效性方
9、面都很好,且开发周期短。EHP-ISA采纳uC/OS-II为内核,加载PID限制算法程序,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,许多任务就能够完成,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、限制炉温以及限制电解池电流。 须要指出的是,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试验。全硫分析过程中,显示屏通过图
10、形动态的显示试验的反馈参数。 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机上位机限制程序采纳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 我们采纳三份不同硫含量(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48g51g,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,运用了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,操作简洁,性价比高,具有广泛的市场应用前景。