C8051F350在恒温式自动量热仪设计中的应用

　　0　引　言

　　我国是产煤大国,而衡量煤炭质量的最重要指标之一是其燃烧发热量。目前,国内普遍采用以发热量作为动力煤计价的主要依据。由于煤炭的发热量主要是利用量热仪来测定,因此,恒温式自动量热仪在煤炭生产和电力等系统广泛应用。但由于其在测温过程中不可避免地会受到客观和人为干扰,准确性受到一定影响。为了解决这一问题,并根据现有量热仪存在的缺点,本文所设计的量热仪采用了以单片机C8051F350为控制单元,选用更高精度的铂电阻Pt1000作为温度传感器,精心设计相关电路,增加信号处理单元,不仅提升了量热仪的测量精度,而且,具有良好的性价比。

　　1　基本原理

　　恒温式量热仪采用氧弹法来测定发热量。通过放在氧弹内样品煤的燃烧发热引起水温变化,由温度传感器检测该温度变化,其对应电信号通过运放电路送到CPU控制中心(单片机)后进行A/D转换。利用自行设计的测量控制软件对采样数据进行滤波、计算与分析,并利用经验公式进行修正,最后,得出单位煤的发热量。

　　根据氧弹法测量的基本原理,煤的发热量(高位发热量、低位发热量)计算公式如下

　　式中　Q^_gr为空气干燥煤样的恒容高位发热量, J/g;Q^_b为空气干燥煤样的弹筒发热量, J/g;S^_b为由弹筒洗液测得的煤样含硫量,%;α为硝酸生成热校正系数。

　　式中　Q_^net为收到基恒容低位发热量, J/g;Q_^gr为空气干燥基恒容高位发热量, J/g;M_^ar为收到基全水分(按GB/T211测定),%;M_^ad为干燥基水分(按GB/T212测定),%;H_^ad为煤的空气干燥基氢含量(按GB/T 476或GB/T 15460测定),%。

　　上述两式中涉及到弹筒发热量Q^_b,其计算公式为

　　式中　Q^_b为空气干燥煤样的弹筒发热量, J/g;E为热容量,J/K;T^_e为主期结束时温度,℃;T^_b为主期开始时温度,℃;C为冷却校正值,℃;q^₁为点火热, J;q^₂为添加物(如包纸等)产生的总热量, J;M为样品煤重, g。

　　由上述公式可知,只要能准确测量氧弹中水的温度和相关参数(煤重、包纸热等),就能较准确地测出煤的发热量。

　　2　电路硬件设计

　　2.1　微处理器选择

　　系统选用C8051F350作为CPU。C8051F350是以工业界速度最快的8051处理器为基础,可在50MHz时钟频率下提供高达50MIPS的输出。内建8通道24位ADC,ADC有可编程式模式,数据转换率由1000转换决定每秒和由双重8 bit传感器励磁DACs补全和温度传感器。C8051F350具有与5V兼容的17个灵活的数字式输入/输出通道。连续通信外围设备包括通用异步接收机, SPI和SMBus连续端口。C8051F350结合高精准度模拟资料转换、高速数据处理、线上程序设定和小体积等优点,是高精准度测量应用的理想选择。由于C8051F350集多功能于一身,使整个设计电路简单化,这就减少了由复杂电路带来的各种元件间的干扰,而且,其价格也不太高。