基于单片机的氧含量自动恒温测量系统

　　1　引　　言

　　本系统是广泛应用于锅炉烟道中氧含量测试的自动控制测量系统,此系统通过测量烟道中的氧含量来衡量燃烧效率,作为锅炉进风量的控制依据,通过调节进风量,可以使燃料完全燃烧,达到节能的目的。

　　系统用氧化锆传感器实现对氧量的测量,根据氧化锆的材料特性及测量原理,应使氧化锆传感器的温度恒定在700℃±3℃,为了稳定温度,在氧化锆管的外围装有加热电阻丝,并装有热电偶用来监测其温度,通过系统的控制电路调整加热电流的大小,使氧化锆传感器的温度稳定在700℃±3℃。从系统所要完成的功能看,本系统不但要完成对氧量的测量,还要完成对氧化锆传感器的恒温控制,本文采用比例积分与微分(proportional integral and differential,PID)控制方法进行恒温控制。

　　本系统以MCS251单片机为核心组成测量控制系统,无论是在测量精度、可靠性,还是在控制功能方面较之用一般模拟电路及数字电路进行控制测量都有很大的提高。

　　2　氧化锆测量原理

　　带恒温装置的氧化锆传感器的探头为U型,其结构是固体电解质氧化锆的两头贴有2个多孔的铂电极,当探头两侧的氧分压不相同时,就会在2电极间产生浓度差电动势,氧分压高的一侧经电极催化剂得到4个电子,形成氧离子,通过氧化锆电解质中氧空位传递到另一侧,又经电极催化失去4个电子,使氧离子还原为氧气。其电动势E与氧气分压的关系可由奈斯托公式表示为[1]:

　　在正常的工作条件下,氧头电动势的范围是0~130 mV。修正以后变为-6~136 mV。

　　3　温度PID控制原理

　　温度PID控制原理是先求出实测温度与设定温度的偏差值,然后对偏差值进行比例积分与微分数值处理,得到的控制输出信号用来控制加热功率,使温度控制在设定的温度范围内。温度PID控制的关键是求得比例系数Kc、积分系数TI、微分系数TD、采样周期Ts这几个控制参数。

　　本系统中用专用的加热炉丝缠在氧化锆芯棒上,并将其用绝热材料密封,以实现对氧化锆进行控制加热,因此温度控制系统中的被控对象是加热炉丝和氧化锆的统一体。

　　对温度控制系统,通过实验的方法,测得加热炉丝的温度相对时间的阶跃响应曲线,由阶跃响应曲线可以得到近似的带纯延迟的一阶惯性环节特性为[2]:

　　根据模型参数与特性曲线的关系得到:T=500s、τ=60 s、K0=700。

　　得到系统的传递函数后,利用Ziegler2Nichols规则求取PID参数[324]:Kc=10、TI=120、TD=30将传递函数和PID参数带入用龙格库塔数值积分法建立的增量式PID数字仿真系统(用C语言编制数值分析程序)中进行运行,通过反复调试其控制参数,直到得到满意的输出控制曲线为止,最后得到PID参数:Kc=9、TI=80、TD=30。