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。設計技術難點氧化鋯探頭恒溫精確控制技術和鋯池電動勢微弱信號提取技術，恒溫的穩定性直接決定測量的穩定性，同時標氣的純度和流速穩定性也影響測試結果，而實際工業現場工況的不一致性和傳感器探頭的生產工藝不一致性，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態測試；加溫采用高速光耦隔離和高功率晶閘管驅動加熱器，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現加熱驅動，通過同步過零觸發電路實現可控硅的加電控制，減小了類似移相觸發帶來的電網污染噪聲。因為觸發時刻距電壓過零點愈近，導通瞬間電流愈小，所造成的干擾脈沖在電網電壓波形中就越小，僅在90度導通角時產生的干擾脈沖最大。采用的隔離光耦采壓擺率達到1500V/us，驅動可控硅后級電路需要考慮浪涌電壓吸收和靜態dv/dt指標提高。

恒溫過程是一個動態平衡過程，不同控制算法、測控電路延時和測量精度影響控制精度和響應時間。為了實現精準控制，采用模糊-PID復合算法來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，升溫過程快速實現，接近目標溫度精確控制。這種方法大大提高了恒溫的動態性能和適應內部參數的魯棒性，減小了穩態誤差，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煤炭能耗增加、鍋爐效率下降、環境污染等一系列問題。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上發展，同時也因為硬件成本高、響應速度慢、易老化、精度限制等原因逐步發展軟測量分支。即可通過選擇主蒸汽流量、給水流量、燃料量、排煙溫度、送風機參數、引風機參數等作為軟測量模型的輸入，來計算表征含氧量。但由于軟測量是通過離線模式建立參數模型評估預測，依賴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時測量分析。

       采集電路部分主要由K熱電偶電動勢采集和冷端溫度補償采集、鋯池電動勢采集和內阻采集。由于信號為uV到mV級變化，同時存在數字時鐘噪聲、通信時序脈沖噪聲、開關噪聲和工頻關斷等噪聲，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，足夠滿足信號接近完整性輸入。為了適應較高動態范圍，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。經過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，同時能適應較寬動態范圍，提高了測量的靈敏度。測量數據通過數字濾波、線性擬合和指數擬合還原真實結果。由于氧化鋯氧量分析儀工作環境存在變溫、風速、粉塵和老化等因素，測量存在隨時間變化而偏移，所以需要按需基于不同工況在線校準。