快速量热仪的研究与设计

论文摘要

煤的发热量是衡量煤质的主要指标,准确测定煤、石油等能源资源的发热量是耗煤企业必须的一道工序,仪器的测量精度将直接影响企业的经济效益。仪器的测试速度也直接影响着化验员的工作效率,企业的整体运行效率。目前国内的快速量热仪在测量精度、可靠性、快速算法等方面存在一定的缺陷。所以,研究并开发一种高精度、高可靠性的快速量热仪具有很重要的现实意义。论文首先阐述了量热仪的发展历程、国内外现况、研究的意义以及现实问题,其次探讨了热值测量的基本原理、方法、步骤、过程以及所用到的公式,在此基础上研究了系统的功能和设计原则,针对机械结构的几个关键部件进行了相关论述和改进,确定了系统硬件设计方案,软件设计方案和软件流程图。为了充分利用现代计算机的PCI总线资源,围绕硬件设计方案,采用PCI9052桥接芯片构建了PCI总线平台,通过模式设置实现了传统ISA总线到PCI总线的平滑过渡,既解决了量热仪系统中主控制器与扩展板卡之间的通讯问题,又可直接利用原有的量热仪扩展板卡等硬件单元。给出了高精度、高分辨率的内桶温度采集电路的详细设计和相关计算,同时也给出了其他硬件电路的设计与相关说明。本文根据燃烧热的基准以及燃烧热计量器具检定系统的相关理论知识,提出了采用电能标定系统代替苯甲酸标定仪器热容量的方法。首先给出了设计思路和电能采集电路图及相关计算,然后在实验经验和数据归纳的基础上,充分考虑电热转换因子的相关影响因素,提出了求解转换因子的模糊分类算法。最后通过实验验证得出电能标定系统能够代替苯甲酸标定仪器热容量。此方法环保、经济,进一步完善后可以得以推广应用。本文在现有量热仪快速算法的基础上,根据热力学相关理论提出一种动态预测的数学模型,该数学模型采用复合的指数函数作为余热的基函数,充分考虑搅拌热与内外桶热交换的影响,并且通过MATLAB进行仿真与推导,在现有相关数据的比较下,可以得出该预测方法准确性高、可靠性好,适用性强等优点。该算法对快速量热仪的研究具有一定的指导作用和理论意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 量热仪的研究现况
• 1.1.1 量热仪的作用
• 1.1.2 量热仪的发展与研究现状
• 1.2 论文研究的方向与研究意义
• 1.3 本文主要研究内容与创新点
• 第2章 量热仪的基本原理与系统结构设计
• 2.1 量热仪的基本原理
• 2.1.1 测量流程
• 2.1.2 仪器热容量
• 2.1.3 计算 C 的瑞方公式
• 2.1.4 弹筒发热量
• 2.1.5 高位发热量
• 2.1.6 低位发热量
• 2.2 量热仪的系统机械结构设计
• 2.2.1 恒温桶的结构设计
• 2.2.2 水路的优化设计
• 2.3 硬件电路部分设计
• 2.3.1 温度采集模块
• 2.3.2 氧弹识别及点火丝检测模块
• 2.3.3 控制模块
• 2.3.4 数据通信模块
• 2.4 软件设计原则与流程图
• 第3章 量热仪的硬件电路设计与研究
• 3.1 快速量热仪的主要技术参数
• 3.2 量热仪的硬件构成与功能
• 3.3 PCI9052 的设计
• 3.3.1 PCI 总线简介
• 3.3.2 PCI9052 桥接芯片
• 3.3.3 ISA 模式下的引脚及其功能
• 3.3.4 EEPROM 与寄存器的设置
• 3.4 内桶温度采集电路设计
• 3.4.1 内桶温度传感器选择
• 3.4.2 内桶温度测量电路设计
• 3.4.3 内桶温度电路数据分析
• 3.5 其他硬件电路
• 3.5.1 外桶水温采集电路
• 3.5.2 室温采集电路
• 第4章 电能标定系统的研究与设计
• 4.1 电能标定理论及燃烧热计量器具检定系统
• 4.2 量热仪电能标定系统的基本原理
• 4.2.1 量热仪电能标定系统的设计思想
• 4.2.2 量热仪电能标定系统的实现思路
• 4.3 量热仪电能标定系统的设计
• 4.3.1 电流采集电路
• 4.3.2 电压采样电路
• 4.3.3 加热功率计算与误差分析
• 4.4 转换因子的确定
• 4.4.1 转换因子的影响因数
• 4.4.2 转换因子的模糊划分及隶属函数
• 4.4.3 确定转换因子的模糊系统
• 4.4.4 实验数据分析与验证
• 4.5 电能标定与苯甲酸标定比较
• 第5章 量热仪快速算法的研究
• 5.1 常用量热仪快速法简介
• 5.1.1 推算法
• 5.1.2 预测法
• 5.2 热动力学理论及其研究方法
• 5.2.1 热动力学基础理论
• 5.2.2 模拟热谱曲线法
• 5.3 量热仪快速算法数学模型的建立
• 5.3.1 特征点的判断
• 5.3.2 曲线拟合数据的选取
• 5.3.3 曲线拟合过程
• 5.4 量热仪快速算法实例
• 5.4.1 特征点的判断
• 5.4.2 曲线拟合数据选取
• 5.4.3 搅拌热的求解
• 5.4.4 内外桶的散热
• 5.4.5 整体曲线方程
• 5.5 快速算法的验证
• 5.5.1 快速算法可靠性等的判断方法
• 5.5.2 同一煤样发热量在不同质量情况下的比较
• 5.5.3 七种1g 国标煤样发热量的对比
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 快速量热仪样机照片