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氧化鋯氧量分析儀的系統(tǒng)組成解析

時間:2023/12/12閱讀:944
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1、系統(tǒng)組成

       本系統(tǒng)由電源單元、加熱和恒溫控制單元、鋯池電動勢及內(nèi)阻采集單元、數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)處理單元組成,如圖所示。設(shè)計技術(shù)難點氧化鋯探頭恒溫精確控制技術(shù)和鋯池電動勢微弱信號提取技術(shù),恒溫的穩(wěn)定性直接決定測量的穩(wěn)定性,同時標(biāo)氣的純度和流速穩(wěn)定性也影響測試結(jié)果,而實際工業(yè)現(xiàn)場工況的不一致性和傳感器探頭的生產(chǎn)工藝不一致性,也影響最終測量誤差。主控采用意法半導(dǎo)體的STM32F103VET6單片機(jī),控制和通信采用磁隔離數(shù)字信號,采集單元采用差分高阻抗運放輸出和衰減配合適應(yīng)寬范圍動態(tài)測試;加溫采用高速光耦隔離和高功率晶閘管驅(qū)動加熱器,適應(yīng)快速控制恒溫要求。

2、加溫驅(qū)動及恒溫控制

       加熱控制電路采用電磁和高速光耦組合隔離,結(jié)合功率型可控硅實現(xiàn)加熱驅(qū)動,通過同步過零觸發(fā)電路實現(xiàn)可控硅的加電控制,減小了類似移相觸發(fā)帶來的電網(wǎng)污染噪聲。因為觸發(fā)時刻距電壓過零點愈近,導(dǎo)通瞬間電流愈小,所造成的干擾脈沖在電網(wǎng)電壓波形中就越小,僅在90度導(dǎo)通角時產(chǎn)生的干擾脈沖最大。采用的隔離光耦采壓擺率達(dá)到1500V/us,驅(qū)動可控硅后級電路需要考慮浪涌電壓吸收和靜態(tài)dv/dt指標(biāo)提高。

恒溫過程是一個動態(tài)平衡過程,不同控制算法、測控電路延時和測量精度影響控制精度和響應(yīng)時間。為了實現(xiàn)精準(zhǔn)控制,采用模糊-PID復(fù)合算法來提高控制的精度和跟蹤性能;為了提供影響速度采用分段控制,合理裁剪PID中的積分單元,升溫過程快速實現(xiàn),接近目標(biāo)溫度精確控制。這種方法大大提高了恒溫的動態(tài)性能和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)的魯棒性,減小了穩(wěn)態(tài)誤差,提高溫度控制精度。

3、數(shù)據(jù)采集及處理

       氧量測量不準(zhǔn)確將帶來煤炭能耗增加、鍋爐效率下降、環(huán)境污染等一系列問題。目前針對氧測量在硬件上存在傳感器差別和材料工藝改進(jìn)上發(fā)展,同時也因為硬件成本高、響應(yīng)速度慢、易老化、精度限制等原因逐步發(fā)展軟測量分支。即可通過選擇主蒸汽流量、給水流量、燃料量、排煙溫度、送風(fēng)機(jī)參數(shù)、引風(fēng)機(jī)參數(shù)等作為軟測量模型的輸入,來計算表征含氧量。但由于軟測量是通過離線模式建立參數(shù)模型評估預(yù)測,依賴于輸入變量的準(zhǔn)確性,在工程應(yīng)用上還有差距,本文主要采用硬件實時測量分析。

       采集電路部分主要由K熱電偶電動勢采集和冷端溫度補償采集、鋯池電動勢采集和內(nèi)阻采集。由于信號為uV到mV級變化,同時存在數(shù)字時鐘噪聲、通信時序脈沖噪聲、開關(guān)噪聲和工頻關(guān)斷等噪聲,也存在較大的共摸干擾信號,本文采用差分傳輸,前置運放采用ADI的程控運放AD8250,18nV/√Hz 超低噪聲水平,共模抑制比達(dá)到110dB,輸入阻抗5GΩ,足夠滿足信號接近完整性輸入。為了適應(yīng)較高動態(tài)范圍,后級增加程控衰減器AD8475,噪聲水平10nV/√Hz,共模抑制比達(dá)到 76dB,差分傳輸。經(jīng)過低通濾波器抑制信號中噪聲,采用TI的ADS1220,24位ADC,自帶50Hz和60Hz的抑制數(shù)字濾波器,采樣率達(dá)到2kSPS,內(nèi)置小范圍程控增益和溫度采集單元。以上設(shè)計,既滿足了信號采集精度需求,也良好的抑制了共摸噪聲和信號干擾噪聲,同時能適應(yīng)較寬動態(tài)范圍,提高了測量的靈敏度。測量數(shù)據(jù)通過數(shù)字濾波、線性擬合和指數(shù)擬合還原真實結(jié)果。由于氧化鋯氧量分析儀工作環(huán)境存在變溫、風(fēng)速、粉塵和老化等因素,測量存在隨時間變化而偏移,所以需要按需基于不同工況在線校準(zhǔn)。



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