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烟尘自动等速采样装置的研制

2013年04月27日 13:29

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　　摘要：在充分考虑现场情况的条件下，利用静压平衡采样原理研制出了烟尘自动等速采样装置。在完成装置功能模块设计的基础上，硬件以单片机为控制核心，固态继电器输出调整抽气流量，并特别设计了一个携带模块，使人机界面更趋友好。
　　
　　大型燃煤锅炉由于烟道断面很大，其烟尘采样工作艰苦而繁琐，需要耗费大量的人力。利用静压平衡采样原理研制出的烟尘自动等速采样装置，可大大减少采样过程的工作量。
　　
　　1装置的工作原理及功能模块
　　
　　1．1工作原理
　　
　　静压平衡等速采样是通过维持采样枪嘴气流和其所在烟道气流的静压差为零来实现的。因此，在采样过程中，应不断根据烟道气流的变化来调整抽气流量，以保持静压差为零。在实际采样中，通常需一个人调整流量，而其他人员操作采样枪。采样过程是在采样断面上多个采样点完成的，每一个采样点采集的时间相同。当完成一个点的采样后，在尽量短的时间须更换采样点。烟尘自动等速采样装置研制的目的就是要取代原采样过程中的大量人工操作，从而使控制更加准确，人员更少，工作更方便。
　　
　　1．2功能模块
　　
　　为了使装置能够代替采样过程中的大量人工操作，其必须具备以下基本功能：
　　
　　（1）接受采样人员的指令；
　　
　　（2）监视静压差，并根据监视结果，适时调整抽气流量，维持静压差为零；
　　
　　（3）在预定的采样时间通知采样人员更换采样点；
　　
　　（4）在因故不能维持静压差为零时，通知采样人员进行故障处理。
　　
　　此外，装置还可以作为电子微压计使用，从而减少整个烟气测试的仪器装备。整个自动等速采样装置包括如下几个功能模块（图1）：（1）差压测试模块；（2）流量调节模块；（3）显示及参数设置模块；（4）控制模块；（5）携带模块。
　　
　　装置在接通电源后，由显示及参数设置模块完成采样时每个测点采样时间的设置。设置完成后，启动抽气泵，将采样枪插入预定采样点，由携带模块发布采样指令，开始采样。此时，控制模块根据差压测量模块所测得的静压差值向流量调节模块发布指令进行流量调节，以使测枪内外静压差为零，实现等速采样。一个点采样结束后，由控制模块向携带模块发出切换采样点信号，然后由控制模块继续维持等速采样。当所有点采样完毕后，采样人员通过携带模块向控制模块发出采样结束信号。
　　
　　2功能实现
　　
　　2．1软件
　　
　　图2、图3分别为功能设置和采样过程的程序流程图。软件设计采用标准PLM语言，采用各中断服务完成主要功能，主程序定时完成计算功能。键盘扫描程序和显示程序分量较大，各种中断服务程序虽然比较小巧，却是核心部分。整个程序设有两个标志控制字节DP—ID和IDEN，它们为程序流程的核心。
　　
　　软件设计遵循结构化规范，全部软件由21个子程序组成。主程序是一无限循环的程序，根据固定频率进行PID计算，其中5个中断服务程序是核心程序，完成相应的功能，而其它程序则分别被调用。
　　
　　2．2硬件
　　
　　系统控制核心是80C196KC单片机（CHMOS高性能16位单片机），其具有片内振荡器，状态周期由振荡器信号两分频得到。整个控制器围绕80C196KC单片机工作,其硬件如图4所示。
　　
　　此外，在硬件设计上，采用了抗干扰、通用外围接口芯片、非易失性ROM接口电路等技术。差压传感器为轻便扩散硅式，容许差压信号的正反向输入，测量范围为-2~+2kPa，zui大偏差为5Pa。采用具有高隔离性的随机固态继电器输出电路控制抽气泵，其zui大容许通过电流为10A，可以配接各种抽气装置。
　　
　　携带模块是一双向控制模块，采用航空插座与控制装置连接。该模块可由采样人员随身携带，采样人员可通过该模块控制装置的启停，并可在采样过程中通过该模块接收装置发出各种信息，随时切换采样点和处理采样过程中的不等速问题。该模块的引入是该装置区别于其它自动等速采样仪器的重要特征，在减少采样人员和提高人机界面友好性方面具有重要意义。
　　
　　综上所述，该装置在软硬件设计上具有以下特点：
　　
　　（1）采用软件控制算法；
　　
　　（2）高分辨率的交流信号过零检测；
　　
　　（3）采用高分辨率的输出控制，输出控制分辨率达7000个码；
　　
　　（4）采用良好的人机接口，通过薄膜键盘控制程序可变参数，通过携带模块控制程序的启停操作和得到控制器的各种报警信息；
　　
　　（5）在线可调整控制参数；
　　
　　（6）高稳定度的控制精度，快速的动态响应过程；
　　
　　（7）使用集成化器件带来的高可靠性和抗*力；
　　
　　（8）所有设定参数具有非易失性记忆功能。
　　
　　3实验验证
　　
　　3.1试验方法
　　
　　软硬件设计完成后，在实验室对装置的各种性能进行了调整试验，并在现场条件下与传统的静压平衡烟尘测试方法进行了对比。为了尽量消除其它操作误差可能带来的影响，以便于试验数据的对比，试验采取单个采样点采样。同时，为了避免采样过程中锅炉的工况发生变化，采用两种方法交替采样。
　　
　　3．2试验结果表1是分别采用2种方法，在同一采样点，1min所采集的烟尘量。YA所对应的数据是采用本装置进行控制的方法得到的；YB是用传统方法进行控制所得到的数据。表中还列出了2种方法所采烟尘量差值和各列的平均值及方差。由表1可以看出，2种方法采样的平均偏差仅为0．5％。
　　
　　对2种方法所得数据的方差齐性可采用F检验法检验；对两组数据间的算术平均值是否存在差异可采用t检验法。据此，对表1中的数据按下式进行计算：
　　
　　1.690。显然，在显著性水平为0．1时，可以接受2种方法所测结果方差和平均值相等的假设，两组数据不存在显著性差异。因此，认为采用本文所研制的装置进行采样是可靠的。
　　
　　4结论
　　
　　烟尘自动等速采样装置由于引入了携带模块，从而大大增强了装置的人机界面特性。特别适用于现场强噪声条件下的烟尘测试，减少了人力，大大提高了劳动效率。而且，该装置还可以作为电子微压计使用，减少了烟气测试的仪器装备。现场条件下，新研制的装置与传统烟尘采样方法的对比试验表明：在显著性水平为0．1时，二者无显著性差异。经几个电厂的现场应用，证明该装置具有抗振动、抗干扰性、操作方便、便于运输等特点。

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