凱氏定氮儀智能溫控消化爐

1、二七年#第三期全自動(dòng)定氮儀使用與維修凱氏定氮儀智能溫控消化爐王尉安(唐山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 唐山 063000)摘 要 介紹在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)中的一些主要技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié),并對(duì)設(shè)計(jì)儀器的組成及主要電路的作用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。關(guān)鍵詞 智能控制 程序升溫 消化爐前言凱氏定氮法自從丹麥化學(xué)家發(fā)明以來(lái),一個(gè)多世紀(jì),至今已廣泛用作食品飼料、土壤、廢水等行業(yè)測(cè)氮和蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法。采用濕方法對(duì)液體或固體物質(zhì)進(jìn)行消化處理。溫度范圍由室溫到450bC,現(xiàn)有的消化爐一般只有溫度控制,沒(méi)有程序升溫功能,在整個(gè)消化過(guò)程中需要人為多次調(diào)節(jié)溫度,很煩瑣。智能溫控消化爐中集成程序升溫功能,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消化,節(jié)省人力

2、、時(shí)間。以下淺析系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法,消化爐對(duì)溫度控制系統(tǒng)的要求,主要是保證消化爐按規(guī)定的溫度曲線變化,超調(diào)小或者無(wú)超調(diào),穩(wěn)定性好,不振蕩,對(duì)系統(tǒng)的快速性要求不高。熱電偶將消化爐溫變換為模擬電壓信號(hào),經(jīng)低通濾波濾掉干擾信號(hào)后送放大器,信號(hào)放大為05V后送模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送單片機(jī)采集。1 溫度檢測(cè)的設(shè)計(jì)本儀器采用Atmel89c51單片機(jī)作為控制核心,配以其他集成電路,加上精心對(duì)軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)儀表智能化。可與熱電偶、熱電阻等傳感器配合使用,對(duì)01300e范圍內(nèi)的各種電加熱爐的溫度進(jìn)行精密測(cè)量,同時(shí),四位LED顯示器直接跟蹤顯示被控對(duì)象的溫度值,準(zhǔn)確度高,顯示清晰,穩(wěn)定可靠,使用方便。整

3、個(gè)儀表的工作原理(見(jiàn)圖1):由單片機(jī)控制,按預(yù)先編制的程序定時(shí)對(duì)熱電偶信號(hào)(即被測(cè)信號(hào))進(jìn)行采樣,并自動(dòng)進(jìn)行零漂校正,最后顯示所測(cè)溫度值,同時(shí)按設(shè)定值、所測(cè)溫度值、溫度變化速率,自動(dòng)進(jìn)行PID參數(shù)自整定和運(yùn)算,并輸出010mA控制電流,配以主回路實(shí)現(xiàn)溫度的控制。2 測(cè)量及控制作用該儀器屬智能化儀器,測(cè)量精度012級(jí),顯示分辨率1e,控制精度015級(jí),控制方式為PID算法,設(shè)圖1 溫度檢測(cè)器原理圖定方式為直接溫度值設(shè)定,同時(shí)具有超溫及斷偶報(bào)警,因而內(nèi)部的電路比較多,下面就該測(cè)量?jī)x中主要電路及各個(gè)環(huán)節(jié)的作用予以介紹。211 熱電偶型號(hào)WRN,分度號(hào)K,測(cè)溫范圍01300e,可以長(zhǎng)時(shí)間工作在0100

4、0e,短時(shí)間工作到1300e,是一種測(cè)量溫度信號(hào)的傳感器,其正極是鎳锘合金,負(fù)極是鎳硅合金。使用時(shí)直接按要求放進(jìn)無(wú)罐爐,鎳锘-鎳硅作為一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,在測(cè)取熱電勢(shì)時(shí),其冷端溫度T0=0e(實(shí)際應(yīng)用中要通過(guò)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)),根據(jù)測(cè)得的熱電勢(shì)通過(guò)查表,可以直接讀出熱端溫度值。可見(jiàn),熱電偶在爐中的位置并不是任意的,其熱端所處的位置必須準(zhǔn)確反映爐溫。另外,熱電偶性能的好壞直接影響熱處理工件的質(zhì)量,因此,必須定期對(duì)熱電偶進(jìn)行檢查、更換。212 預(yù)處理電路其作用包括:對(duì)熱電偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償;斷偶報(bào)警保護(hù);三極濾波(見(jiàn)圖2),圖中冷端補(bǔ)償電路主要為一直流電橋,Rt為銅電阻,是一標(biāo)準(zhǔn)熱電阻,當(dāng)溫度變化時(shí),Rt的阻值

5、將發(fā)生變化,因此把Rt放置在熱電偶的冷端,讓其感受冷端溫度的變化。當(dāng)溫度為0e時(shí),橋壓輸出U0=0V,如果溫度升高,則Rt變大,使橋壓輸出大于零,由此橋壓的輸出值即熱電偶冷端溫度所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。斷偶報(bào)警通過(guò)單片機(jī)輸出控制四位LED顯示器同時(shí)閃爍顯示/E0或蜂鳴器報(bào)警(電路未畫(huà))。59圖2 預(yù)處理電路213 放大及切換電路由4066B四雙向開(kāi)關(guān)和兩級(jí)運(yùn)算放大器組成。首先,在單片機(jī)的控制下,模擬地信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換,在單片機(jī)內(nèi)完成模擬地和數(shù)字地的轉(zhuǎn)換。然后,參考電壓輸入放大,送到A/D轉(zhuǎn)換器,為測(cè)熱電偶信號(hào)做好準(zhǔn)備,最后熱電偶信號(hào)輸入放大,送A/D轉(zhuǎn)換?？梢?jiàn),該電路的作用是:把熱電偶拾

6、取的信號(hào)放大,以及把模擬地在單片機(jī)的控制下轉(zhuǎn)換為數(shù)字地。214 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由4066B四雙向開(kāi)關(guān)和LM358低功耗雙運(yùn)算放大器組成。轉(zhuǎn)換原理是雙積分式轉(zhuǎn)換,整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段,(1)休止期:消除積分器上的零偏電壓。(2)積分期:將放大后的模擬電壓信號(hào)在時(shí)間T1(T1為定值)內(nèi)積分;(3)反積分期:對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓反向積分,這樣就將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔,最后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器將此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)1。215 顯示電路由74LS247七段譯碼器、74LS139雙二四線譯碼器、74LS05六倒向器各一片和四位LED顯示器組成。單片機(jī)把要顯示的熱電偶溫度信號(hào)通過(guò)P110P

7、113口送到74LS247,經(jīng)譯碼后送七段數(shù)碼顯示器,然后再由單片機(jī)的P114P115口輸出位選通信號(hào),選通要顯示的位。四位顯示器從個(gè)位到千位依次輪番點(diǎn)亮,每位顯示時(shí)間1ms,顯示實(shí)際測(cè)量的溫度以及斷偶報(bào)警。216 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將PID運(yùn)算的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量,經(jīng)放大和V/I轉(zhuǎn)換后得到010mA的電流連續(xù)信號(hào)作為輸出控制。3 控制規(guī)律的選擇與分析311 測(cè)對(duì)象的特征60消化爐消化爐的溫度要求在任何時(shí)間都保持定值(或在規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)),但由于外界影響,例如,消化管的加入、電源電壓的波動(dòng)等,會(huì)使消化爐溫有一定程度的變化。312 控制規(guī)律的選擇根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特征,必須選擇一種控制規(guī)律,使?fàn)t

8、溫有變化趨勢(shì)時(shí)而被限制,本系統(tǒng)采用自整定PID調(diào)節(jié)。對(duì)于許多多段溫度控制系統(tǒng),當(dāng)溫度達(dá)到給定值時(shí),溫度曲線總會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。為此,筆者采用智能判斷的方法對(duì)振蕩進(jìn)行抑制,收到良好的效果。利用人工智能抑制振蕩的方法如下:在升溫階段,當(dāng)-30e<|Xn-1|-|Xn|<-5e時(shí),讓系統(tǒng)按曲線升溫。升溫速率可根據(jù)系統(tǒng)的滯后情況設(shè)定為15e。同時(shí)系統(tǒng)按照曲線升溫階段的自校正PID控制算法進(jìn)行控制,只是控制量為升溫速率。當(dāng)|Xn-1|-|Xn|<-5e時(shí),將速度升溫的PID參數(shù)值定為恒溫控制時(shí)的PID參數(shù)初值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用這種控制方法總能使系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果,系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào),并且PID參數(shù)的整定在速率升溫結(jié)束后的幾分鐘內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)定。313 程序升溫當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值后進(jìn)行恒溫控制,升溫程序按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)升溫,在進(jìn)入恒溫控制,程序可編輯4個(gè)升溫段,并控制每個(gè)階段的升溫速率,升溫速率計(jì)算:$T=(Tn-Tn-1)/tTn終止溫度;Tn-1起始溫度;t升溫時(shí)間。通過(guò)312中的方法,自動(dòng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),在整個(gè)消化過(guò)程中使消化管升溫均勻,有利于消化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行,樣品不易噴出或飛濺。4 結(jié)束語(yǔ)該儀器從設(shè)計(jì)到應(yīng)用,一直從實(shí)際出發(fā),比如技術(shù)指標(biāo)、使用環(huán)境的要求等。與傳統(tǒng)的消化器相比的優(yōu)勢(shì)在于,消化過(guò)程采取程序升溫,對(duì)不同