一種燃料技術指標分析系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種燃料技術指標分析系統，包括分析爐，安裝在分析爐內的轉盤，所述轉盤上設置有多個坩堝孔；置于分析爐外且位于分析爐下方的電子天平；一端連接電子天平的稱桿，所述稱桿穿過分析爐底板進入分析爐且位于分析爐內部的一端具有托盤；用于驅動轉盤轉動以使不同坩堝孔移動至與所述托盤相匹配的位置的旋轉電機；以及用于驅動轉盤相對于所述托盤做上下運動以使坩堝孔中的坩堝與所述托盤接觸或分離的步進電機。本發明中測試環境與燃料真實的工業環境更加一致，有助于獲得更準確的燃料技術指標。另外，本發明還能節省器件成本；自動化程度高；操作簡單，使用方便；能遠程獲得測量的實時信息；穩定性與安全性高。
【專利說明】一種燃料技術指標分析系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及自動化與工業儀表【技術領域】，具體地說，本發明涉及一種燃料技術指 標分析系統，如針對煤炭、石油等可燃物質的水分、灰分、揮發分以及固定碳含量等技術指 標的測試分析系統。
【背景技術】
[0002] 燃料工業分析在火力發電等工業領域中有著極其重要的作用，它包括揮發分、水 分、灰分和固定碳等分析項目。在實際的工業應用中，燃料中的水分在鍋爐中不能燃燒，蒸 發時會消耗大量熱量，導致爐膛溫度下降，煤粉著火困難；灰分含量高，會降低燃料的發熱 量，使鍋爐燃燒不正常，事故率增加，環境污染嚴重，給鍋爐設備造成很大磨損，縮短設備的 使用壽命；揮發分的高低對燃料的著火燃燒過程有較大的影響，揮發分高的燃料易著火，燃 燒穩定，但火焰溫度較低，相反，揮發分低的燃料，不易點燃，燃燒不穩定，嚴重時還能引起 熄火；固定碳可用來計算燃燒設備的效率。因此，為了使燃料易于燃燒，保證爐膛熱強度，提 高鍋爐熱效率，鍋爐對其工業分析技術指標都有控制要求，因此非常有必要準確測定燃料 的工業分析技術指標。
[0003] 目前，煤質工業分析儀器主要采用熱重分析技術，利用加熱設備和電子天平實現 煤的水分、灰分和揮發分的測試測量。傳統燃料工業分析通常是利用烘箱、馬弗爐、電子天 平等工具和設備完成工業技術指標分析操作，這種工業分析方案需要由人工測試，操作較 繁瑣、分析時間長、靈敏度低，環境濕度干擾大，很難實現快速準確測量。
[0004] 隨著電子計算機技術發展，各種工業分析儀器自動控制技術獲得不斷改進、功能 也越來越強大，自動化程度越來越高。現有技術中，自動化工業分析儀包括分析爐和在分析 爐一側或兩側設置的天平和用于自動送取樣的機械臂等機構部件。在使用時，機械臂將稱 樣天平上稱好的樣品通過分析爐的爐門（即進口）送入，在分析爐內完成加熱干燥獲得分 析數據后，再將樣品送回原天平，或者通過另一爐門（即出口）將樣品送至另一個天平進行 稱樣，最后將前后兩次稱樣的數據進行計算處理得出樣品測量結果。自動化工業分析儀作 為一種非常實用的分析儀器，能夠大幅度降低化驗室實驗人員的工作量和實驗分析成本， 提高工作效率，尤其是大幅度縮短分析周期，對連續化的冶金化工生產極為重要。然而，在 大批量的煤質工業分析過程中，自動送取樣機構需要不停地將多個樣品平穩地從爐外移送 至爐內，再從爐內移送至爐外，設計要求高，成本高昂，穩定性低，檢測速度慢。
【發明內容】
[0005] 因此，本發明的任務是提供一種自動化程度高、工作效率高、準確度高且成本低的 燃料技術指標分析系統。
[0006] 本發明提供了一種燃料技術指標分析系統，包括分析爐，安裝在分析爐內的轉盤， 所述轉盤上設置有多個坩堝孔；置于分析爐外且位于分析爐下方的電子天平；一端連接電 子天平的稱桿，所述稱桿的穿過分析爐底部進入分析爐內部，且位于分析爐內部的一端具 有托盤；用于驅動轉盤轉動以使不同坩堝孔移動至與所述托盤相匹配的位置的旋轉電機； 以及用于驅動轉盤相對于所述托盤做上下運動以使坩堝孔中的坩堝與所述托盤接觸或分 離的步進電機。
[0007] 其中，所述分析爐的底板上留有通孔，所述通孔的尺寸使得稱桿和底板之間留有 間隙，所述燃料技術指標分析系統還包括設置在所述電子天平與分析爐之間的防風罩。
[0008] 其中，所述的燃料技術指標分析系統還包括位于所述分析爐上方的第二分析爐和 在所述分析爐下方固定的送樣桿，所述第二分析爐與所述分析爐之間用可開閉的隔熱板隔 開，所述分析爐下方設置送樣桿，所述送樣桿能夠從所述轉盤下方將所述轉盤的坩堝孔中 的坩堝頂起并進入所述第二分析爐。
[0009] 其中，還包括控制及數據處理模塊，所述控制及數據處理模塊用于控制所述分析 爐和所述第二分析爐的爐內溫度以及獲取測試數據。
[0010] 其中，所述控制及數據處理模塊包括MCU模塊，以及與MCU模塊互聯的上位機模 塊、獨立保護模塊、溫度控制模塊、加熱模塊、天平模塊、電機控制模塊和溫度采集模塊。
[0011] 其中，所述溫度控制模塊用于在溫度上升速度超過閾值時，觸發PID溫度調節直 至溫度逐漸趨于穩定。
[0012] 其中，所述MCU模塊基于AVR芯片構建。
[0013] 其中，所述上位機模塊采用基于ARM9核心芯片組建的可實現觸摸式操作的上位 機嵌入式操作顯示系統。
[0014] 其中，所述MCU模塊與所述天平模塊之間通過基于RS485協議的通信鏈路實現互 聯。
[0015] 其中，所述控制及數據處理模塊還包括與MCU模塊互聯的無線傳輸模塊。
[0016] 與現有技術相比，本發明具有下列技術效果：
[0017] 1、本發明坩堝的稱量可以直接在分析爐內完成，測試環境與燃料真實的工業環境 更加一致，有助于獲得更準確的燃料技術指標。
[0018]2、本發明不需要使用機械臂等復雜機構，有利于節省器件成本。
[0019] 3、本發明能夠在同一個密封設備中同時對灰分空氣干燥煤樣和揮發分空氣干燥 煤樣進行試驗后得到灰分值和揮發份值，適應工業現場快速在線分析的要求。
[0020] 4、本發明自動化程度高。
[0021] 5、本發明操作簡單，使用方便。
[0022] 6、本發明不僅能夠進行在線分析，而且還能遠程獲得測量的實時信息。
[0023]7、本發明具有獨立保護裝置，穩定性與安全性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中：
[0025]圖1是本發明一個實施例的燃料技術指標分析系統的機械結構圖；
[0026]圖2是本發明一個實施例的燃料技術指標分析系統的電學模塊示意圖；
[0027]圖3是本發明另一個實施例的燃料技術指標分析系統的機械結構圖；
[0028]圖4是本發明另一個實施例的燃料技術指標分析系統中送樣桿及其工作原理示 意圖；
[0029]圖5是本發明一個實施例的燃料技術指標分析系統中的溫度控制的動態響應過 程。
【具體實施方式】
[0030] 根據本發明的一個實施例，提供了 一種燃料技術指標分析系統，該分析系統是一 種機電系統，圖1、圖2分別示出了該機電系統的機械結構示意圖，和控制及數據處理模塊 示意圖。下面結合圖1、圖2分別介紹本實施例的機械結構和電學結構。
[0031] 如圖1所示，本實施例的燃料技術指標分析系統包括：密封外罩1和置于外罩1內 的恒溫爐2,恒溫爐2中設置具有坩堝孔的轉盤3,每個坩堝孔均可容納一個坩堝31，坩堝孔 通常沿著轉盤3的邊緣設置，在一個例子中沿著轉盤3邊緣設置19個坩堝孔。轉盤3中心 固定有轉軸4,該轉軸4連接步進電機5和旋轉電機6,旋轉電機5驅動轉盤3圍繞轉軸4 旋轉，步進電機5可以驅動轉軸4進而帶動轉盤3精確地上下移動。在安裝時，步進電機5 可以固定在恒溫爐2的底板上，而轉軸4也與恒溫爐2的底板連接，這樣步進電機5就可以 驅動轉軸4進而帶動轉盤3精確地上下移動。步進電機5和旋轉電機6均安裝在密封外罩 1的底部，恒溫爐2位于步進電機5和旋轉電機6的上方。密封外罩1的底部還安裝有電子 天平7,該天平7連接一稱桿8,該稱桿8穿過恒溫爐2的底部進入所述恒溫爐2內，稱桿8 上具有托盤81，用于托起坩堝。其工作原理如下：工作狀態下，轉盤3中的坩堝孔中放置坩 堝，旋轉電機6驅動轉盤3旋轉到指定位置，使得轉盤3中的坩堝與稱桿8上的托盤81位 置相匹配，此時步進電機5控制轉盤3逐步下降，使得坩堝底部與托盤逐81漸接近直至接 觸，之后步進電機5控制轉盤3繼續下降，使得坩堝與坩堝孔脫離接觸，坩堝完全由托盤81 支撐。這樣，電子天平7即可通過稱桿8稱量出坩堝及其中燃料樣品的質量。再配合溫度 采集模塊所采集的恒溫爐2溫度數據，即可獲得樣品的水分和灰分測量數據。溫度采集模 塊包括設置于恒溫爐2內的測溫元件9。另外，所述外罩1的內壁還設置有氣體入口 11，斷 路器12、主機電源13和電爐電源14,氣體入口 11用于向恒溫爐內通入燃料工業技術指標 分析所需的氮氣和氧氣。斷路器12用于加熱回路過電流保護，主機電源13用于提供給儀 器內部電路板電源，即用于為步進電機、旋轉電機以及燃料技術指標分析系統的數據處理 模塊供電，電爐電源14用于為恒溫爐2的加熱系統供電。本實施例中，坩堝的稱量可以在 爐內完成，測試環境與燃料真實的工業環境更加一致，有助于獲得更準確的燃料技術指標。 另外，本實施例不需要使用機械臂等復雜機構，有利于節省器件成本。
[0032] 進一步地，恒溫爐2的底板上留有通孔，這個通孔的尺寸略大于稱桿8的橫截面尺 寸，使得稱桿8既能夠穿過底板，又能確保稱桿和底板之間留有間隙，即二者互不接觸，這 樣可以避免底板與稱桿之間的摩擦力或者其它應力對天平的測量數據造成影響。更進一步 地，圖1的實施例中還在電子天平7與恒溫爐2之間設置了防風罩82,抑制恒溫爐的底板通 孔處的氣流對電子天平7所測數據造成影響。
[0033]圖2示出了圖1實施例的燃料技術指標分析系統的控制及數據處理模塊示意圖。 它包括：作為燃料技術指標分析系統控制中心的MCU模塊，以及與MCU模塊互聯的上位機模 塊、獨立保護模塊、無線傳輸模塊、溫度控制模塊、加熱模塊、天平模塊、電機控制模塊和數 據采集模塊。
[0034] 其中，MCU采用AVR單片機實現，在一個例子中，采用ATmegal6單片機。ATmegal6 是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時 鐘周期指令執行時間，ATmegal6的數據吞吐率高達lMIPS/MHz，從而可以緩解系統在功耗 和處理速度之間的矛盾。本實施例中，MCU作為燃料技術指標分析系統的下位機的主控芯 片，采用ATmegal6芯片，通過UART指令與電子天平通信得到有關質量數據，經RS485接口 電路實現與PC機的通信操作，并且可以進一步構成更完善的系統或擴展成自動測控網絡。 在分析爐中放置熱電偶，通過溫度檢測模塊實現溫度數據的采集及熱電偶冷端補償，溫度 數據可傳送到ATmegal6進行處理，用分段式PID算法獲得輸出控制信號，驅動固態繼電器 控制加熱裝置模塊實現工業分析儀加熱控制。
[0035] 本實施例中，上位機模塊采用基于ARM9芯片的嵌入式操作系統WindowsCE6.0 開發中文觸摸屏顯示器，利用AIM9觸摸屏技術替代傳統工業計算機，運用文字、圖像、解 說、動畫等多種形式，直觀、形象地把各種信息介紹給試驗人員，給試驗人員帶來極大的方 便。觸摸屏顯示器提供良好的操作界面，可以依靠操作菜單向MCU數據處理模塊發送操作 命令，同時接收MCU傳送過來的數據，存儲大量試驗數據并分析試驗結果，以數據庫的形式 提供查詢、打印生成報表等。上位機子系統內嵌在工業分析儀外殼的前部，使得工業分析儀 的體積減小，結構更加嚴謹，拆裝運輸過程中不易損壞。
[0036] 本實施例中，獨立保護模塊采用基于AVR芯片設計的專家獨立保護裝置。在試驗 測量過程中，難免會遇到一些意外的發生，如分析儀溫度過高、稱量過程中坩堝錯位、電機 升降過程中失控、氧氮氣通口無法開通等，這些意外的產生不僅影響測量過程和測試結果 數據，而且會使工業分析儀受到損傷，使分析儀使用壽命縮短，嚴重時能導致事故發生。采 用基于AVR芯片設計的專家獨立保護裝置后，在測量前，可以實現硬件的自動檢測、故障自 動判斷并生成相應的檢測報告單；在測量過程中，會監測硬件的工作狀態，一旦發生意外狀 態，專家獨立保護裝置會立刻采取保護措施，防止事故意外的發生，將損失危害降到最小， 延長工業分析儀的使用壽命，提高測量的穩定性與安全性。
[0037] 本實施例中，無線傳輸模塊能夠實現測量過程中數據的實時傳輸。目前的工業分 析儀采用的是在線分析，這樣工業分析儀的使用不靈活，可擴展性不強。采用數據的無線傳 輸模塊，試驗人員可以在外面將一些數據（如試樣質量數據等）通過無線模塊傳輸給MCU 處理模塊，也可以通過無線傳輸模塊構建局域網，將測量過程的數據傳輸到遠方的其他測 試設備，這樣增加系統的適應性和擴展性，使得分析儀的使用更加靈活多變。
[0038] 本實施例中，數據采集模塊采用熱電偶，它可以采集爐內溫度數據。在燃料工業分 析中，通常需要兩種溫度環境，即高溫環境和低溫環境。高溫環境和低溫環境的溫度將分別 達到1000°C和200°C。本實施例中，采用K型熱電偶來采集爐內溫度。K型熱電偶的材料為 鎳鉻-鎳硅合金，其中正極鎳89%，鉻10%，負極鎳94%，硅6%;測溫范圍為0°C?1300°C; 平均靈敏度為4uV/°C;具有線性度好，價格低廉的優點，也可在氧化及中性氣氛中使用。 [0039] 熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當兩端存在溫 度梯度時，回路中就會有電流通過，這就是塞貝克效應（Seebeckeffect)。兩種不同成份的 均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于 某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端 溫度在〇°C時的條件下得到的。在實際使用中要求冷端保持0°C是不方便的，如果在室溫下 測定則需要另加冷端補償。本儀器采用MAXIM公司的K型熱電偶變換器集成電路MAX6675 作為爐內的冷端補償電路。該器件帶有冷端補償、信號放大，并將模擬電壓經模/數轉換器 (ADC)轉換成12位數字信號輸出，這將使溫度測量儀表或溫度測量、控制系統變得十分簡 單。
[0040] 熱電偶系統的測量精度可通過以下預防措施來提高：①盡量采用不能從測量區域 散熱的大截面導線；②如必須用小截面導線，則只能應用在測量區域，并且在無溫度變化率 區域用擴展導線；③避免受能拉緊導線的機械擠壓和振動；④當熱電偶距離較遠時，應采 用雙絞線作熱電偶連線；⑤在溫度額定值范圍內使用熱電偶導線；⑥避免急劇溫度變化； ⑦在惡劣環境中，使用合適的保護套以保護熱電偶導線；⑧僅在低溫和小變化率區域使用 擴展導線；⑨保持熱電偶電阻的事件記錄和連續記錄。
[0041] 本實施例中，溫度控制模塊采用了基于PID的控溫算法，以便精確地控制溫度。在 本實施例中，設計了高精度AD數據采集電路，能夠保證在關鍵時刻點上采集到穩定可靠的 溫度數據，利用PID控溫算法實現控溫性能的穩定型和可靠性。由于溫度控制子系統是一 個慣性較大的子系統，當給溫區開始加熱之后，并不能立即觀察得到溫區溫度的明顯上升； 當關閉加熱之后，溫區的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實際 的溫區溫度相比較，也存在一定的滯后效應。這些因素都給溫度控制帶來了困難。因此，如 果在溫度檢測值（PV)到達設定值時才關斷輸出，可能因溫度的滯后效應而長時間超出設 定值，需要較長時間才能回到設定值；如果在溫度檢測值未到設定值時即關斷輸出，則可能 因關斷較早而導致溫度難以達到設定值。為了合理地處理系統響應速度（即加熱速度）與 系統穩定性之間地矛盾，本實施例把溫度控制分為兩個階段，如圖5所示。
[0042] (l)PID調節前階段
[0043] 在這個階段，因為溫區的溫度距離設定值還很遠，為了加快加熱速度，SSR與發熱 管處于滿負荷輸出狀態，只有當溫度上升速度超過控制參數"加速速率"，SSR才關閉輸出。 "加速速率"描述的是溫度在單位時間的跨度，反映的是溫度升降的快慢，如上圖所示。用 "加速速率"限制溫升過快，是為了降低溫度進入PID調節區的慣性，避免首次到達溫度設定 值（SV)時超調過大。
[0044] 在這個階段中若占空比K= 0,貝USSR關閉；若占空比K= 100 %，SSR全速輸出， PID調節器不起作用，僅由"加速速率"控制溫升快慢。
[0045] (2)PID調節階段
[0046] 在這個階段，PID調節器調節輸出，根據偏差值計算占空比（0-100% )，保證偏 差（EV)趨近于零，即使系統受到外部干擾時，也能使系統回到平衡狀態。
[0047] 在常規控制系統中，PID控制是迄今為止算法比較簡單、功能比較完善、效果比較 好的一種控制算法，其一般形式為
[0048] u(n) =Kpe(n)+KX2e(n)+KDAe(n) (1)
[0049] 其中，n為米樣序號；u(n)為第n次米樣時刻的控制器輸出，e(n)為第n次米樣 時刻輸入的偏差；Ae(n)為第n次米樣時刻輸入的偏差與第n-1次米樣時刻輸入的偏差之 差；KP為第比例增益而積分系數％ =KJ/%)而微分系數（KD=KPTD/T) ;T-采樣周期； TD分別為積分時間常數和微分時間常數。
[0050] 本設計利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設定 值進行相減得偏差e(n)，然后再對之進行PID運算產生輸出結果fwt，然后讓f；ut控制定時 器的時間進而控制加熱器。為了方便PID運算，建立一個PID的結構體數據類型，該數據類 型用于保存PID運算所需要的P、I、D系數，以及設定值，歷史誤差的累加和等信息。
[0051] 由于控制對象程序升溫時，其特性變化較大，若采用一組固定的PID參數，則各溫 區的控制效果不能兼顧，控制效果較差。因此，關鍵問題在于設計出一個PID參數隨溫區的 不同而自動調整到最佳值上的控制器，可以將整個測溫范圍分為平衡階段和升溫階段2個 溫區，在升溫階段，PID控制電阻絲功率增大，使溫度迅速上升；在平衡階段，電阻絲功率降 低，使溫度逐漸趨于穩定，達到預定值。
[0052] 本實施例中，電機控制模塊用于實現燃料技術指標分析系統的自動動作控制，它 能夠實現除了將坩堝放置在轉盤上和添加試樣等初始動作之外的一切動作過程，這將大大 減少人工操作及其操作所帶來的不便。本實施例中，步進電機能夠自動將坩堝置于稱桿上， 以便電子天平用來稱量試樣和坩堝的質量，旋轉電機能夠帶動轉盤轉動，實現19個試樣的 依次操作。另外，儀器背面還有通過電磁閥控制的氧氮瓶氣路接口。
[0053] 本實施例中，天平模塊是內置于外罩內的精密電子天平，與電子天平的通信協議 是按照電子天平的固定格式進行的。試驗人員利用發明的全自動工業分析儀做煤質技術 指標工業分析實驗時，每次都用標準試樣做試驗，驗證全自動工業分析儀分析結果的可靠 性。
[0054] 圖3示出了本發明的另一個實施例的機械結構示意圖，如圖3所示，本實施例在圖 1實施例的基礎上，在外罩之內增加了高溫爐（高溫爐也可稱為第二分析爐，前文所述的恒 溫爐也可稱為第一分析爐或分析爐）而及相應的送樣機構。下面結合圖3對本實施例相對 于圖1實施例的改進部分進行描述，本實施例中與圖1實施例一致的部分，此處不再贅述。 如前文所述，本實施例中，在圖1實施例的基礎上，在外罩1之內增加了高溫爐10及相應的 送樣機構。恒溫爐2和高溫爐10之間通過隔熱板104隔開，且隔熱板104可以通過拖動裝 置103開閉。在俯視角度上，高溫爐的位置與天平的位置錯開。高溫爐下方設置有送樣桿 102,圖3中，送樣桿102的數目為2。本實施例中，送樣桿102采用耐高溫的鎳鉻絲制成， 不易變形，兩根送樣桿102分別穿過恒溫爐2底部，固定在兩根送樣金屬延長桿上（兩根送 樣桿必須處于同一水平面），兩根送樣桿金屬延長桿上的緊固螺釘均擰緊。兩根送樣桿102 的位置與轉盤3上的兩個坩堝孔位置匹配。在進行揮發分測定時，送樣桿102通過升降電 機（即步進電機）的拖動上升，將坩堝頂起，送入高溫爐10中，送樣桿102將坩堝頂到升降 電機最高升降位置時停止，關閉隔熱板104。圖4示出了送樣桿的工作原理示意圖，其中左 邊為俯視角度下的隔熱板104,右邊為主視角度下的隔熱板104及送樣桿102的示意圖。送 樣機構105 (例如升降電機）能夠驅動送樣桿102升降，從而實現送樣桿102將轉盤3 (圖 4中未示出）坩堝孔中的坩堝31頂起，送入高溫爐10中。隔熱板104采用開合式結構，在 送樣桿102的位置留有大小適宜的孔洞（如圖4的左邊部分所示），這樣在送樣桿102穩定 地頂住坩堝的同時，能夠關閉隔熱板104,保證隔熱效果，隔熱板104關閉之后便可以開始 揮發分測定。
[0055] 另外，圖3中還示出了用于恒溫爐加熱的加熱裝置21，用于將天平7固定在外罩1 的底部并支撐天平7的支架71，安裝于外罩1的底部的用于調整儀器整體水平的螺栓15， 位于高溫爐內用于測溫的熱電偶91，位于恒溫爐內用于測溫的熱電偶101，設置在外罩1上 的風扇16,它用于將試驗過程中產生的煙粒排到室外。
[0056]圖3的實施例中，燃料技術指標分析系統同樣包括控制及數據處理模塊，該控制 及數據處理模塊與圖2的實施例基本一致，只是其中電機控制模塊還用于控制電機帶動送 樣桿將樣品送到程序指定位置，例如從分析爐中取走樣品（也就是取走帶有試樣的坩堝） 到爐外冷卻盤中自然冷卻，然后從冷卻盤中取樣品放置到轉盤指定位置，通過轉盤降動作 使坩堝頂在天平頂桿上面由天平實施稱量動作，然后通過轉盤自動上升、旋轉動作轉動到 其它位置，重復取樣、稱量和旋轉轉盤動作。
[0057] 圖3的實施例中，轉盤旋轉采用交流電機，輸入電壓為AC220V，轉速為每分鐘5轉。 交流電機采用帶過零觸發的固體繼電器SSR(Solidstatereleys)來控制，SSR實現弱電 DC5V控制強電AC220V。電磁閥采用ULN2003控制，SSR和ULN2003的控制由CPLD完成。
[0058] 另外，由于送樣桿實際運動過程不易返回檢查信號，因此采用步進電機來實現運 動控制。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的 情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影 響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電 機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得步進電機在速度、位置等領域的控制非常 簡單。
[0059] 選用步進電機的主要技術指標有步距角、靜轉矩和電流。本系統根據樣品傳送的 動作要求選用了兩種二相四線步進電機，步距角為〇. 9/1. 8度，小功率旋轉電機用于旋轉 控制，大功率步進電機用于上升控制。
[0060] 步進電機的力矩與功率換算如下：
[0061]P=QXM(2)
[0062]Q= 231Xn/60 (3)
[0063] 將式⑵代入式⑶得
[0064]P= 231nM/60 (4)
[0065]其中P為功率，單位為瓦；Q為角速度，單位為弧度；n為轉速，M為力矩，單位為牛 頓?米。
[0066] 步進電機驅動器采用串行脈沖控制，即每給一個步進脈沖，步進電機就變化一個 步距角。當需要步進電機連續運行時，控制系統就需不斷地向驅動器輸出控制脈沖，從而占 用了系統較多的運行時間，若系統的實時性要求較強時，編程人員必須嚴格考慮控制算法 程序和驅動程序的配合，使得二者不產生沖突，這就使得編程人員必須在編程方面花費很 多時間和精力。為了解決這些問題，可用CPLD器件控制驅動器，使控制方式和控制電路簡 單，電機的控制驅動器電路不與ATmegal6單片機直接相連，起到了抗干擾的作用。
[0067] 進一步地，上述實施例中，除了具有正常的燃料技術指標工業分析功能外，還具有 以下功能：
[0068] (1)分析爐溫度實時曲線顯示區域可以實現與模擬轉盤旋轉動畫根據實驗步驟自 動切換，比如稱量時顯示為轉盤轉動的動畫并顯示當前的坩堝編號和天平數據，升溫過程 中顯示為分析爐溫度實時數據曲線。
[0069] (2)試驗過程中實時顯示實驗數據參數（如編號、坩堝空重、總重、樣重、殘重、結 果值等信息），實時狀態顯示（氣體的通斷、加熱或者恒溫、托盤的高低位置）。
[0070] (3)數據修正算法，通過添加相應的實驗數據自回歸修正算法實現試驗結果值的 自動修正。
[0071] (4)數據管理方面：可以實現實驗數據手工復算，實驗數據微型打印和標準打印 功能，打印格式可以根據客戶需求自定義，最終數據可以實現數據共享與上傳，可根據工業 分析的結果值再通過相應的經驗公式推算出樣品的熱值等相關數據。
[0072] (5)檢測功能：系統開機后可以實現硬件的自動檢測、故障自動判斷并生成相應 的檢測報告單。
[0073] 下面結合圖3的實施例介紹使用本發明的燃料技術指標分析系統的方法。
[0074] 試驗時首先對分析儀送樣桿和轉盤位置進行調整，觀察送樣桿是否在加熱爐送樣 桿插孔的中心（即是否碰到了爐壁），上位機運行機內的測試程序，打開功能下的硬件調 試，點擊轉盤復位，轉盤復位后（即〇號，19號位置孔分別正對2根送樣桿，如不對須調整轉 盤位置）在轉盤的〇號，19號位置孔放上坩堝，再點擊送樣桿上升，觀察坩堝是否能被頂起 正常送到爐中（即坩堝外壁不碰轉盤和爐壁）及坩堝不抖動且坩堝中下部和爐中熱電偶冷 端處于同一水平面，以保證測試結果的平行性，使測量更加精確，否則請調整送樣桿的高度 與中心位置。送樣桿高度可通過調整送樣桿插入送樣金屬延長桿的深度或送樣金屬延長桿 插入底座的深度來調整。遇到有送樣桿不垂直情況時，也可通過旋轉送樣桿來調整送樣桿 的中心位置。點擊送樣桿下降，觀察坩堝是否能被正常送到爐中。依次送陶瓷轉盤上的其 它坩堝到爐中，觀察觀察送樣桿是否在爐送樣桿插孔的中心，根據具體情況適當進行調整。 [0075] (1)揮發分測定流程
[0076] 運行系統的測試程序，進入工作測試菜單，輸入相關的試樣信息后儀器自動稱量 空坩堝重量（注意：坩堝應該帶蓋。），空坩堝稱量完畢，系統提示放置試樣，然后系統稱量 試樣質量并開始加熱高溫爐。開始實驗前按照提示打開爐蓋，爐子散熱風扇自動開啟，隔熱 板關閉，待高溫爐溫度到達900°C時，溫度繼續控制在（900± 10) °C。溫度穩定2分鐘后，打 開隔熱板送〇號坩堝和19號坩堝至爐中后關閉隔熱板灼燒7分鐘，7分鐘到后打開隔熱板 將〇號坩堝和19號坩堝送回恒溫爐中，然后送第1，2號坩堝到爐中關閉隔熱板并灼燒7分 鐘，7分鐘后打開隔熱板將1，2號坩堝送回，同時打開氮氣閥（系統會打開氮氣閥，向爐內 通氮氣，氣體流量控制在4?5L/min)，通氮2分鐘后關閉氮氣閥，以后每隔7分鐘送2個 分析樣品到爐中（隔熱板自動開關），并將灼燒7分鐘后的分析樣品送回恒溫爐中通氮2 分鐘。待所有分析樣品灼燒完畢后，隔熱板關閉，散熱風扇關閉，恒溫爐開始加熱并控制在 (120± 10) °C，按照提示蓋上爐蓋，所有分析樣品在恒溫爐中干燥冷卻30分種后，以減少質 量占樣品的百分數減去該煤樣空氣干燥水分含量作為煤樣的揮發分。系統報出揮發分測定 結果，并打印結果或報表（如果在系統設置中設置了打印）。
[0077] (2)水分和灰分測定流程
[0078] 運行儀器的測試程序，進入工作測試菜單，輸入相關的試樣信息后儀器自動稱量 空坩堝，空坩堝稱量完畢，系統提示放置試樣，然后系統稱量試樣質量并開始加熱爐子（系 統會打開氮氣閥，向爐內通氮氣，氣體流量控制在4?5L/min)先將爐子加熱到107°C恒溫 45分鐘（指按國標方法，溫度與恒溫時間可自定義設置）后開始稱量坩堝，當坩堝質量變化 不超過系統設定值（推薦為0. 0008克）時水分分析結束，系統報出水分測定結果，同時關 閉氮氣閥，打開氧氣閥，爐子繼續加熱至500°C恒溫30分鐘（快速法在此不恒溫）后再加熱 至815°C恒溫，之后系統開始稱量坩堝，當坩堝質量變化不超過系統設定值（推薦為0. 0008 克）時灰分分析結束，系統報出灰分測定結果，并打印結果或報表。
[0079] 試驗人員采用標準煤質（編號為GBW11107j)對儀器進行檢驗，數據見表1。從表 1中可以看出，儀器測試值在標準值的范圍內，說明試驗儀器分析結果準確、可靠。
[0080]表1
【權利要求】
1. 一種燃料技術指標分析系統，包括分析爐，安裝在分析爐內的轉盤，所述轉盤上設置 有多個坩堝孔；置于分析爐外且位于分析爐下方的電子天平；一端連接電子天平的稱桿， 所述稱桿穿過分析爐底板進入分析爐且位于分析爐內部的一端具有托盤；用于驅動轉盤轉 動以使不同坩堝孔移動至與所述托盤相匹配的位置的旋轉電機；以及用于驅動轉盤相對于 所述托盤做上下運動以使坩堝孔中的坩堝與所述托盤接觸或分離的步進電機。
2. 根據權利要求1所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述分析爐的底板上 留有通孔，所述通孔的尺寸使得稱桿和底板之間留有間隙，所述燃料技術指標分析系統還 包括設置在所述電子天平與分析爐之間的防風罩。
3. 根據權利要求2所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述的燃料技術指標 分析系統還包括位于所述分析爐上方的第二分析爐和在所述分析爐下方固定的送樣桿，所 述第二分析爐與所述分析爐之間用可開閉的隔熱板隔開，所述分析爐下方設置送樣桿，所 述送樣桿能夠從所述轉盤下方將所述轉盤的坩堝孔中的坩堝頂起并進入所述第二分析爐。
4. 根據權利要求3所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，還包括控制及數據處 理模塊，所述控制及數據處理模塊用于控制所述分析爐和所述第二分析爐的爐內溫度以及 獲取測試數據。
5. 根據權利要求4所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述控制及數據處理 模塊包括MCU模塊，以及與MCU模塊互聯的上位機模塊、獨立保護模塊、溫度控制模塊、加熱 模塊、天平模塊、電機控制模塊和溫度采集模塊。
6. 根據權利要求5所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述溫度控制模塊用 于在溫度上升速度超過閾值時，觸發PID溫度調節直至溫度逐漸趨于穩定。
7. 根據權利要求5所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述MCU模塊基于AVR 芯片構建。
8. 根據權利要求7所述的燃料技術指標分析儀系統，其特征在于，所述上位機模塊采 用基于ARM9核心芯片組建的可實現觸摸式操作的上位機嵌入式操作顯示系統。
9. 根據權利要求7所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述MCU模塊與所述天 平模塊之間通過基于RS485協議的通信鏈路實現互聯。
10. 根據權利要求7所述的燃料技術指標分析系統，其特征在于，所述控制及數據處理 模塊還包括與MCU模塊互聯的無線傳輸模塊。
【文檔編號】G01N5/04GK104330325SQ201410552493
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】丁國強, 熊明, 張志艷, 方潔, 郭凌云 申請人:鄭州輕工業學院
專業數控銑床產品供應商
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