基于arm的嵌入式高精度测硫仪的设计

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时间:2018-10-30

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1、基于ARM的嵌入式高精度测硫仪的设计  测硫仪是分析煤、石油等能源燃料中硫含量的重要设备。本文采用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)。仪器采用Cortex-M3核的STM32F103ZE微处理器和μC/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控制模块,以及友好的人机交互接口。测试结果表明,该测硫仪的高中低硫煤的极差在0.003%~0.090%之间,精度高于国家标准,能很好的满足工业界的要求。  关键词测硫仪;库仑法;数据采集;嵌入式  TQ53A1674-6708(2012)

2、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、环境保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,很难同时满足高精度、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准确度高、重现性好,但操作程序复杂、耗能大;高温燃烧中和法的分析结果误差较大、实验周期也较长;红外检测法的测定快速,但开发和生产成本非常高;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-IS

3、A采用的就是库仑滴定法。  这里以碘为滴定试剂,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。仪器采用双铂电极指示终点。根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。  1EHP-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、电解电流控制模块、炉温控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

4、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或触摸屏上发出的控制命令,完成对炉温的温度调节以及搅拌器、气泵、风扇、步进机的控制。  EHP-ISA与上位机之间通过RS232串口实现实时通信,上位机发送控制命令,EHP-ISA接收后完成相应的控制。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  在智能控制器中,需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

5、,EHP-ISA中采用了ADS1242串行A/D转换器。ADS1242是一款24位串行A/D转换器,提供高达24位无丢失码性能和21位的有效分辨率,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20mV~200mV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中采用了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1~10

6、000。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十分微弱,仍然先用AD620将其放大(400倍),后进行模数转换。通常,高温炉的要保持在1150℃,以供煤样完全燃烧。  1.2炉温控制模块  在煤样燃烧的过程中要求燃烧炉的温度稳定在1150℃,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控制炉温。  EHP-ISA采用热电偶,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

7、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1100℃以内时,以2s为周期,采用70%占空比的P信号对燃烧炉进行加热。  当炉温高于1100℃,对炉温进行PID控制,使炉温保持在1150℃左右,波动保证在上下4℃以内,这样可以延长硅碳管的寿命,而不至于因频繁的通电和断电而快速老化。  1.3电解电流控制模块  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控制将直接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控制和准确的测量电解电流。我们采用模糊控制算法

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