换热器在线监测仪的研制
摘　要: 在深入研究换热和热阻基本原理的基础上,利用spce061a 单片机设计出一个在线监测与控制系统,该系统基于被控对象的特性设计了循环水流量和蒸汽温度时滞补偿控制系统,同时该系统通过在线测定计算出实时热阻,并能进行实时存储、显示与打印。由于采用了集成度的spce061a 单片机芯片核心设计《换热器在线监测仪》,使得外围芯片相对减少,不仅带来整个仪器体积减小,而且实际应用表明仪器的性也得到了提。
关键词: spce061a 单片机;集成化;在线监测x
随着我人口的不断增加和工农业持续发展,全淡水资源日益紧张。为了节约用水,我石油、化工、电力、冶金等企业正在逐步采用循环水冷却系统。但冷却水长期使用后,必然会带来沉积物附着,金属腐蚀和微生物滋生问题,导致换热器效率降低,影响供应,严重能使换热器损害,所以必须加强对循环冷却水的水质处理[1 ] 。为提对水质处理的监管水平,我们用spce061a 单片机设计,研制了《换热器在线监测仪》,取得了良的效果。
1 　系统的组成和原理
1. 1 　系统结构
系统结构如图1 所示。
图1 　系统结构
系统要求监测仪器测量进出口温度、蒸汽温度和流量并对流量和蒸汽进行控制。测温度小于013 % ,流量度015 % ,控制度小于1 %。仪器能够保存100 d 的污垢热阻数据。要求能和计算机实现实时通讯,完成测量的数据报表和曲线的打印并存储大量的数据。
1. 2 　器材选用
温度传感器采用pt100 不锈钢封装。流量信号采用进口转轮式流量传感器,输出4～20 ma 的信号,测量范围011～6 m/ s ,度015 %。调节阀选用气动调节阀,适合长期运行;减压阀应根据现场蒸汽压力大小选型,模拟换热器工作压力011 mpa 。
1. 3 　污垢热阻计算
由管壁两侧为流体的传热基本方程q = rcp · tout - tin 可以导出污垢热阻的计算公式1 [2 ]rs =πdl/ gcp [ t - t12 / t22 - t12 - t -t11 / t21 - t11 ] 1式中: t 为饱和蒸汽温度; d 为换热管直径; l 为换热管的有效总长度; g 为单位时间内冷却水的流量;cp 为水的比热; t12为冷却水进口温度; t22为冷却水出口温度; t11为rs 等于零时冷却水进口温度; t21为
rs 等于零时冷却水出口温度。rs 反映了冷却水中各种沉积物在换热器水侧影响传热效果的阻力。
2 　系统控制实现
如图1 所示,根据换热器瞬时污垢热阻测定的需求[2 ] ,设计了两个控制回路,一个为换热器饱和蒸汽的控制,即通过气动调节阀实现对饱和蒸汽的调节;一个为换热器进水流量控制,即通过图1 所示的流量信号检测,并与气动调节阀构成流量闭环控制回路实现对流量的自动调节。根据换热器饱和蒸汽的调节过程及气动调节阀对流量调节的性能可知[3 ] ,这两个控制回路都可近似表示为含有纯滞后
的一阶惯性环节,即
gi s 为被控对象的传函 i 分别表示为g、t ,由于这两个控制回路都含有纯滞后环节,实际控制中我们采用了基于时滞补偿的控制策略,如图2 所示的流量控制。
图2 中:τg 为纯滞后时间, kg 为被控对象的稳态增益, tg 为对象的时间常数, gc s 为pid 调节器, gτ t 为补偿器的输出, gg s 1 - eτgs 为补偿环节的传递函数。对系统进行采样离散化后可以推得
式中: kp , ki , kd 分别表示为比例、积分和微分系数,通过这种基于时滞补偿的pid 控制算法,使系统得到了良的控制特性蒸汽的控制这里从略 。
3 　监测仪硬件电路组成[4]
监测仪硬件电路以凌阳spce061a 单片机芯片为核心而组成,如图3。spce061a 单片机是一个16位微处理器。可以在较宽的电源电压下工作,其vdd 为216～316 vcpu 、vddh 为0～515 v i/ o 。cpu 时钟为0132～491152 mhz ,内置2 k字sram 、32 k闪存flash ,2 个16 位可编程定时器/ 计数器,2 个10 位dac 输出通道,32 位通用可编程输入/ 输出端口,14 个中断源,32768 hz 实时时钟,7 通道的a/ d 转换器和单通道声音模- 数转换器,有串行设备接口、低电压复位、看门狗监视等功能。另外含有内置在线仿真电路。
ioa0～ioa7 作为低8 位的地址线和8 位数据线,ioa8～ioa15 作为8 位的地址线,8255 芯片、74245 芯片、a \ d 转换和液晶显示的选通信号分别由iob0～iob6l 来控制,aud1h 和aud2 分别输出两路d \ a 控制信号, iob10 向232 口发送信号,iob7 设置为接受信号,完成与计算机通讯。
3．1 　输入通道
输入通道由多路选择器4051、运算放大器op07和a/ d14433 组成,如图4 所示。
a/ d mc14433 抗干扰能力强,3.5位度,转换速度约1～10 次/ s ,它采用扫描方式,bcd 码形式输出,以0 000～1 999共2 000个数码。当测温范围在0～100 ℃,则a/ d 转换度可达0105 ℃/ bit ,能满足系统设计要求。
测量放大器主要由3 个运算放大器op07 组成,信号分别从2 个运放的同相端输入,使得输入阻抗很,抑制温漂性能。
多路选择开关4051 由spce061a 单片机控制自动切换,不仅分别能够采集进口温度、出口温度、蒸汽温度和流量信号,而且还能接收电导率、ph 信号,扩展了仪器应用范围。对仪器的零点和增益标准信号也进行了采集,通过软件实现了测量误差的自动校正,从而保证了测量度。
3.2 　输出通道
spce061a 单片机内含有aud1 和aud2 双通道的10 位数模d/ a 输出口, 输出电压0 ～ 313 v。dac1 通过ic1 , ic2 转换成0～20 ma 控制气动调节阀输出。信号输出要求r3 = r4 , r5 = r6 , r3 , r4 ,r5 , r6 之间的误差直接影响iout度,通过在r6 中串个电阻,可以提度。硬件电路如图5 所示
dac2 输出通道省略 。
从以上硬件电路描述可以看出,由于spce061a单片机的度集成使得外围器件减少。本系统实时动态数据存放在spce061a 单片机的内置2 k 字sram,程序存放在spce061a 单片机的内置32 k闪存flash中。计算机采用rs232 串口通讯,低电压复位,看门狗监视也都含在spce061a 单片机内。
4 　软件设计[5]
编程所用的软件是用μ’nsptm 单片机的汇编指令系统,整个程序就固化在spce061a 单片机内的32krom中,程序设计采用模块化特点。
411 　主运行模块
主运行模块是由初始化程序和10 个子程序组成。仪器运行时,这些子程序不断地被调用。主运行模块框图如图6 所示。
4．2 　运算子程序
数值计算采用μ’nsptm float 浮点型。它*测试度的要求,在内存中存放格式如下:
其中,s 为符号位,存放在z字节的z位。“1”表示负“, 0”表示正。e 为阶码,占用8 位二进制数,存放在两个字节中。阶码e 值是以2 为底的指数再加上偏移量127 ,这样处理的目的是为了避免出现负的阶码值,而指数是可正可负的。阶码e的正常取值范围1～254 ,而实际指数的取值范围-126～ + 127。m为尾数的小数部分,用23 位二进制数表示,存放在低三个字节中。尾数的整数部分为1 ,因此不予保存,但它是隐含存在的。小数点位于隐含的整数位“1”的后面。一个浮点数的数值是
例如,浮点数175125 = 432f4000h ,在内存中的存放格式为:
4．3 　通讯子程序
现代化的科学管理要求实测的数据能即时传送到远处的计算机,spce061a 单片机为提供数据接收端口rx和发送端口tx,分别是iob7 和iob10 端口,可以和计算机232 串口直接相连进行通讯,通讯距离超过100 m ,可以串接长线驱动器。软件采用查询方式,发送10 个数据的程序流程图如图7 所示。
5 　结束语
值得一说的是通过spce061a 单片机的开发是用一个名叫probe 的在线调试器实现在线实时仿真和程序烧写。它利用了spce061a 片内置的在线仿真电路和在线串行编程技术。probe 工作于凌阳集成开发环境软件包下,其5 芯的仿真头直接连接到spce061a 相应的管脚上, probe 的另一头是标准25 针打印机接口,直接连接到计算机打印口与上位机通讯,完成在线调试功能,使用非常方便。目前换热器在线监测仪正在推广应用。