基于USB接口的測硫儀設計

　　1引言
　　
　　含硫量高的煤，供燃燒氣化或煉焦煤使用時都會帶來很大的危害。如高硫煤用作燃料時，燃燒后所產生的二氧化硫氣體，不僅嚴重腐蝕鍋爐管道，而且還嚴重污染大氣；在煉焦工業中，硫分的影響更大，一方面煤中硫分高，焦炭的硫分也高，從而直接影響鋼鐵的質量，另一方面為了脫去鋼鐵中硫，就必須在高爐中加入較多的石灰石，這樣又會減少高爐的有效容量，同時增加出渣量。因此，為了有效而經濟地利用煤炭資源，必須了解煤中硫的含量。
　　
　　采用庫侖滴定法進行煤中硫含量的測試。以碘為滴定劑，煤樣在1150℃高溫下，煤中的硫會轉化為SO2和SO3氣體；將氣體全部導人電解池，SO2與水反應生成亞硫酸，將電解碘氧化而成硫酸。儀器采用雙鉑電極指示終點。根據電解碘過程中所耗用的電量，由法拉第定律可以計算出煤中硫的含量：

　　
　　2儀器的構成及工作原理
　　
　　儀器由PC機、智能控制器、進樣裝置、高溫燃燒爐、電源系統、空氣輸送與凈化系統、電解池和攪拌器等部分構成。
　　
　　PC機主要完成控制參數的設置和控制指令的發送、測量數據的處理、溫度和電解電流變化曲線的顯示、測量結果的存儲與打印等功能。
　　
　　智能控制器是測硫儀的關鍵部分，它可以接收PC機通過USB接口發送來的控制指令和控制參數，與電解池、硅碳管、熱電偶等共同完成高溫爐的加熱控制與溫度測量、電解的測量與控制、試樣的送達與退出等功能，并將測量過程中的電解電流和溫度的變化情況以及電量的測量結果通過USB接口發送到PC機。
　　
　　高溫燃燒爐中的加熱元件采用硅碳管，并采用熱電偶測量爐溫。空氣輸送與凈化系統由電磁泵、空氣流量計、干燥管和干燥劑組成。電解池殼體用有機玻璃制成，上蓋固定一對電解電極和一對指示電極。在電解池內放有一磁性攪拌子，在磁力攪拌器驅動下以約500r／min的速度轉動，保證電解池內電解液的狀態均勻分布。
　　
　　3智能控制器的設計
　　
　　智能控制器在測硫儀中處于核心地位，完成熱電偶溫度、冷端溫度、指示電極電壓、電解電流等數據的采集以及爐溫、電解電流的控制；同時還要控制測量過程中的積分時間，并將電量的積分結果通過USB接口發送到PC機。
　　
　　智能控制器的結構框圖如圖1所示。圖中帶USB接口的微控制器采用CY7C68013A，該芯片內含一個增強型8052內核和16KB的RAM，可在上電時通過串行接口將存儲在EEPROM內的程序自動加載到RAM中運行，時鐘頻率可高達48MHz；同時它還具有一個USB2.0接口，既可以與其它設備實現串行通訊功能，還可以通過該接口實現程序的在線更新，給系統的調試和升級帶來極大的方便。

　　
　　3.1電解電流控制模塊
　　
　　由于在庫侖滴定法中，硫的含量是對電解電流進行積分的結果，因此對電解電流的合理控制和測量尤其重要。在測硫儀中，電解電流是根據電解電極電壓的測量結果進行控制的。當電解電極電壓超過平衡電壓時，開始啟動電解過程；通常情況下，電解電流與電解電極電壓成正比。由于電解電極電壓波動較大，也可對電解電流進行分段控制。
　　
　　從微處理器輸出的電解電流數據首先通過DAC0832及I-V變換電路轉換為模擬電壓，然后輸入到電壓比較器的同相端；電壓比較器的反相端接采樣電阻R，構成負反饋。當采樣電阻R上的電壓降低于D／A轉換器的輸出電壓時，電壓比較器的輸出為正，由場效應管和三極管構成的復合管導通，采樣電阻R上的電壓降增大；當采樣電阻R上的電壓降高于D／A轉換器的輸出電壓時，電壓比較器的輸出為負，復合管截止，采樣電阻R上的電壓降減小。由于這一過程是通過硬件自動進行調節的，采樣電阻R上的電壓降波動極小，始終與D／A轉換器的輸出電壓保持相等。從圖1可以看出，流過采樣電阻R的電流與流過電解池的電流是相等的，因此當采樣電阻R保持恒定時，采樣電阻R上的電壓降與電解電流成正比，從而可以通過D／A轉換器對電解電流進行控制。
　　
　　由于DAC0832只有8位的轉換精度，并且存在一定的非線性，為了保證儀器的精度，電解電流的值不是直接根據微處理器送給DAC0832的數據進行計算，而是采用12位的A／D轉換器MAX1247進行測量，同時整個積分過程采用微處理器的定時器進行控制，從而保證了電量積分環節的準確度。
　　
　　3.2爐溫控制模塊
　　
　　為了保證測量精度，在實驗過程中還必須對爐溫進行的測量與控制。在測硫儀中，對爐溫的測量采用了熱電偶，并利用AD590測量環境溫度，實現對熱電偶的冷端補償。
　　
　　當爐溫在1100℃以內時，以2s為周期，采用70％占空比的PWM信號對燃燒爐進行加溫；當爐溫高于1100℃時，為了避免加熱元件的頻繁通電和斷電損傷硅碳管壽命，對爐溫進行PID控制，其比例、積分和微分系數分別為：
　　
　　KP=2.45，KI=2.5，KD=1.25（2）
　　
　　在測試過程中，爐溫穩定地保持在（1150±2）℃。
　　
　　3.3數據采集模塊
　　
　　在智能控制器中，需要完成電解電極電壓、電解電流、熱偶溫度、冷端溫度這4路信號的采集。采用12位串行A／D轉換器MAX1247來實現模數轉換，它內含4通道模擬開關和采樣保持電路，可將4路模擬輸入信號轉換成數字信號，并將轉換結果送給微控制器。
　　
　　電解電極電壓的幅度一般在20mV～200mV之間，并且由于直接取自電解池，在送到A／D轉換器之前，先采用精密儀表放大器將其放大，再采用隔離放大器將其與電解池隔離。熱電偶的輸出電壓非常微弱，因此采用兩級精密放大器將其放大400倍后再送入A／D；AD590用于測量熱電偶的冷端溫度，需要采用10kΩ的精密電阻將其輸出電流轉換為電壓信號后再送入A／D；A／D轉換器的zui后一路輸入信號來自采樣電阻R上的電壓降（與電解電流成正比）。
　　
　　4測試結果及精度分析
　　
　　采用所設計的測硫儀分別對試樣1（標準含硫量為0.88％）和試樣2（標準含硫量為4.24％）進行了10次測試，測試結果如表1和表2所示。

　　
　　從表中可以看出，試樣1測試結果的zui大誤差為0.02％，低于國家標準中規定的低硫煤（含硫量在1％以下）的誤差容限（0.05％）；試樣2測試結果的zui大誤差為0.05％，也低于國家標準中規定的高硫煤（含硫量在4％以上）的誤差容限（0.2％）。
　　
　　5結束語
　　
　　庫侖法是一種常用的硫含量測量方法。在庫侖法中，硫含量根據電解電量的積分來確定。對基于USB接口的測硫儀的結構和工作原理進行了介紹，重點分析了儀器的數據采集模塊、電解電流控制模塊和爐溫控制模塊，并對測量精度進行了分析。分析結果表明，儀器的測量精度達到了國家標準。