氧化鋯氧量分析儀的系統組成解析

1、系統組成

       本系統由電源單元、加熱和恒溫控制單元、鋯池電動(dòng)勢及內阻采集單元、數據通信及數據處理單元組成，如圖所示。設計技術(shù)難點(diǎn)氧化鋯探頭恒溫精確控制技術(shù)和鋯池電動(dòng)勢微弱信號提取技術(shù)，恒溫的穩定性直接決定測量的穩定性，同時(shí)標氣的純度和流速穩定性也影響測試結果，而實(shí)際工業(yè)現場(chǎng)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。主控采用意法半導體的STM32F103VET6單片機，控制和通信采用磁隔離數字信號，采集單元采用差分高阻抗運放輸出和衰減配合適應寬范圍動(dòng)態(tài)測試；加溫采用高速光耦隔離和高功率晶閘管驅動(dòng)加熱器，適應快速控制恒溫要求。

       加熱控制電路采用電磁和高速光耦組合隔離，結合功率型可控硅實(shí)現加熱驅動(dòng)，通過(guò)同步過(guò)零觸發(fā)電路實(shí)現可控硅的加電控制，減小了類(lèi)似移相觸發(fā)帶來(lái)的電網(wǎng)污染噪聲。因為觸發(fā)時(shí)刻距電壓過(guò)零點(diǎn)愈近，導通瞬間電流愈小，所造成的干擾脈沖在電網(wǎng)電壓波形中就越小，僅在90度導通角時(shí)產(chǎn)生的干擾脈沖最大。采用的隔離光耦采壓擺率達到1500V/us，驅動(dòng)可控硅后級電路需要考慮浪涌電壓吸收和靜態(tài)dv/dt指標提高。

恒溫過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，不同控制算法、測控電路延時(shí)和測量精度影響控制精度和響應時(shí)間。為了實(shí)現精準控制，采用模糊-PID復合算法來(lái)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(guò)程快速實(shí)現，接近目標溫度精確控制。這種方法大大提高了恒溫的動(dòng)態(tài)性能和適應內部參數的魯棒性，減小了穩態(tài)誤差，提高溫度控制精度。

3、數據采集及處理

       氧量測量不準確將帶來(lái)煤炭能耗增加、鍋爐效率下降、環(huán)境污染等一系列問(wèn)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(shí)也因為硬件成本高、響應速度慢、易老化、精度限制等原因逐步發(fā)展軟測量分支。即可通過(guò)選擇主蒸汽流量、給水流量、燃料量、排煙溫度、送風(fēng)機參數、引風(fēng)機參數等作為軟測量模型的輸入，來(lái)計算表征含氧量。但由于軟測量是通過(guò)離線(xiàn)模式建立參數模型評估預測，依賴(lài)于輸入變量的準確性，在工程應用上還有差距，本文主要采用硬件實(shí)時(shí)測量分析。

       采集電路部分主要由K熱電偶電動(dòng)勢采集和冷端溫度補償采集、鋯池電動(dòng)勢采集和內阻采集。由于信號為uV到mV級變化，同時(shí)存在數字時(shí)鐘噪聲、通信時(shí)序脈沖噪聲、開(kāi)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，共模抑制比達到110dB，輸入阻抗5GΩ，足夠滿(mǎn)足信號接近完整性輸入。為了適應較高動(dòng)態(tài)范圍，后級增加程控衰減器AD8475，噪聲水平10nV/√Hz，共模抑制比達到 76dB，差分傳輸。經(jīng)過(guò)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的抑制數字濾波器，采樣率達到2kSPS，內置小范圍程控增益和溫度采集單元。以上設計，既滿(mǎn)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(shí)能適應較寬動(dòng)態(tài)范圍，提高了測量的靈敏度。測量數據通過(guò)數字濾波、線(xiàn)性擬合和指數擬合還原真實(shí)結果。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(shí)間變化而偏移，所以需要按需基于不同工況在線(xiàn)校準。