圆球法测量松散材料导热系数嵌入式测控系统的研究分析

　　引言

　　圆球法测量松散材料的导热系数是热工测试的主要内容之一,它被广泛地应用于工程、国防和高校教学实验中。就圆球法测量松散材料的导热系数的方法而言,已由简单的内外球配置发展为应用恒温水槽供水,以及在夹层水套外配置保温材料,以使外球面外环境温度保持恒定的配置,但整个测控系统仍然沿用过去的模拟仪表,只是把加热方式由交流稳压改为直流稳压,使试验效果较以前有了一定程度的提高,但就应用结果来看仍存在如下问题:(1)恒温水槽和保温套虽然解决了环境温度的恒定问题,但由于流经外球各点的水流速互有差异,致使测得的外球面某点的温度仍不能真正代表该点的真实温度。(2)模拟仪表测试结果精度低,离散度大,可比性差。(3)由于模拟测控系统未设定加热系统的断路和短路报警功能,该系统存在安全性的问题。(4)由于采用的圆球本体存在恒温水套,所以外球壳的密封一旦产生漏泄,必将影响测试结果,而模拟测控系统不具备这种对漏泄的监测功能。

　　基于上面的原因,本文作者研制一种采用智能化、数字化技术的测控系统来取代现有的球体法测定松散材料导热系数的模拟仪表测试系统。

　　1　系统结构设计分析

　　1·1　系统组成

　　嵌入式智能数字式实时控制圆球法测量松散材料导热系数测控系统主要由本体、被测松散材料、电源、内球加热器、带加热器的恒温水槽、热电偶及嵌入式智能实时测控装置等几部分组成(见图1)。

　　1·2　系统特点

　　(1)在内、外球壳各布置了五只热电偶,目的是使所测温度值的平均值更接近球壳的真实温度,从而提高测控精度;另外各球面的温度既可由显示屏显示各单点的温度值又可显示平均温度值。

　　(2)在外球面设置了防泄漏监测装置,目的是保证系统测控时处于正常状态,以减少测试误差。

　　(3)断路、短路报警功能的设置是为了保证系统的安全运行。

　　(4)信号的采集,数据的处理、控制、打印均由系统按程控自动完成。

　　2　系统硬件设计

　　嵌入式圆球法测量松散材料导热系统的硬件结构框图如图2所示。测试系统主控芯片选用嵌入8K字节程序存储器的微控制器,由温度传感器、前置放大调理、电流电压转换、多路A/D转换单元、可控硅电加热器调控单元以及电源监控、系统参数保存及数据处理单元、键盘显示器接口、RS-232C、通讯接口等组成。

　　温度传感器(热电偶)经放大器放大,滤波,调理为标准的0~5V电压信号后,送到多路A/D转换器转换为数字信号,再送入微控制器进行处理。微控制器依据温度传感器的信号进行数值滤波、补偿、开方等数值运算后,送入LED数码显示器实时显示,并按设定值,将系统参数存入非遗失存储器E2PROM中永久保存。测试结果可通过本机按键选择直接以LED数码显示,也可以通过RS-232C串行接口发送到计算机显示。同时微控制器在键盘的作用下,控制可控硅的导通角信号,经光电隔离,功率放大后来调节内球加热器的功率。与此同时,以设定温度为目标函数通过微控制器和可控硅来调控恒温水槽中水的温度。