酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和終端處理系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)由通過氣體管路連接的冷凝處理裝置、測量室I、去酸裝置、氧傳感器、測量室II和抽氣泵組成；所述信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由依次連接的濾波放大單元、信號輸入單元、單片機和DA轉(zhuǎn)換器組成；所述終端處理系統(tǒng)由PLC和上位機組成；多路信號經(jīng)調(diào)理并通過單片機處理后，數(shù)據(jù)通過PLC進入上位機實施在線氧濃度監(jiān)測的終端處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：在高溫腐蝕性氣體環(huán)境下對含氧量進行測量，將電路系統(tǒng)與氣體采樣和傳感單元直接連接，縮短了系統(tǒng)反應時間，通過酸堿中和過濾裝置實現(xiàn)對測量元件的保護和環(huán)保要求。
【專利說明】酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及工業(yè)生產(chǎn)中氧含量監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]冶金行業(yè)采用噴霧焙燒法再生鹽酸的生產(chǎn)過程中，酸再生機組的核心設備是焙燒爐，爐內(nèi)燃燒天然氣和空氣，產(chǎn)生的燃燒廢氣主要成分為HCL(氣)、N2、H20(氣)、C02等.
[0003]焙燒爐燒嘴室溫度在1000?1200°C之間，燃燒氣體由燃氣和助燃空氣組成，燃氣和助燃空氣的配比被稱為空燃比，空燃比如果配比不當容易引起爆炸。因此，對焙燒爐燃燒廢氣中的氧氣含量進行在線監(jiān)測是保證酸再生機組安全生產(chǎn)的必要手段。
[0004]焙燒爐內(nèi)燃燒廢氣中含氧量測量環(huán)境的特點是:(I)被測氣體是高溫的腐蝕性氣體，對測量裝置的耐高溫防腐要求較高，焙燒爐頂部出口氣體溫度在380?400°C之間，且HCL氣體具有強腐蝕性；(2)由于爐內(nèi)是燃氣加熱，故對用電安全要求較高；(3)為保證廢酸的產(chǎn)品質(zhì)量和爐內(nèi)燃氣的安全燃燒，燃燒廢氣中含氧量需要隨時監(jiān)測。
[0005]現(xiàn)階段酸再生機組氧氣含量測量方法，主要有人工經(jīng)驗配比測量法、半導體激光氣體分析測量法、基于氧氣傳感器的氧氣含量測量法。人工經(jīng)驗配比測量法很難精確控制燃氣和空氣充分燃燒，空氣系數(shù)如果過大，焙燒爐內(nèi)反應溫度不夠，廢酸不能完全氧化分解，生成的氧化鐵粉質(zhì)量不合格；空氣系數(shù)過小，則造成燃燒不完全，浪費能源并容易產(chǎn)生燃氣爆炸。半導體激光測量方法的機械連接部位不耐腐蝕及高溫爐氣，并需要進樣氣體前期處理，成本高昂；氧化鋯傳感器不耐腐蝕，且其工作溫度高于60(TC，加熱氣體會給機組正常運行帶來安全隱患。對焙燒爐燃燒廢氣中的氧氣含量進行在線監(jiān)測不僅要做到及時、準確、可靠，同時還需考慮安全和環(huán)保因素。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型提供了一種酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠滿足在高溫腐蝕性氣體環(huán)境下對含氧量進行準確、穩(wěn)定測量的要求，將實現(xiàn)信號檢測功能的電路系統(tǒng)與氣體采樣和傳感單元直接連接進行檢測，縮短了系統(tǒng)的反應時間，通過酸堿中和過濾裝置實現(xiàn)對測量元件的保護和環(huán)保要求。
[0007]為了達到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和終端處理系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)由通過氣體管路連接的冷凝處理裝置、測量室1、去酸裝置、氧傳感器、測量室II和抽氣泵組成；信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由依次連接的濾波放大單元、信號輸入單元、單片機和DA轉(zhuǎn)換器組成；終端處理系統(tǒng)由相連的PLC和上位機組成；所述信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將在測量系統(tǒng)中采集的多路信號進行濾波放大等信號調(diào)理，經(jīng)接口模塊進入單片機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)接口模塊與PLC相連，并通過PLC進入上位機的相應監(jiān)控變量區(qū)，實施在線氧濃度監(jiān)測的終端處理。
[0009]所述氧傳感器為Citytech公司的A02型氧傳感器,響應時間< 5S。
[0010]所述濾波放大單元由LM358放大器和INA128PA放大器組成，采用12V電源供電，LM358放大器負責對米樣氣體的壓力信號、流量信號、溫度信號進行2次放大，INA128PA放大器負責對氧傳感器信號進行濾波放大。
[0011]所述信號輸入單元為TLC2543，單片機為宏晶科技的STC89C58-RD型號單片機，單片機設有0CMJ12232C中文液晶顯示模塊作為顯示器件，單片機與PLC之間的DAC接口模塊為TLV5616的D/A轉(zhuǎn)換器。
[0012]所述上位機至少為2臺，分別負責監(jiān)控和操作，采用德國西門子公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件進行組態(tài)，上位機通過西門子CP系列通訊卡與西門子PLCS7通訊；PLC通過對熱繼電器、斷路器、接觸器的控制實現(xiàn)對現(xiàn)場電機、儀表設備的控制，并實時傳遞和執(zhí)行上位機發(fā)出的指令。
[0013]所述測量室I和測量室II中分別設有壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，其輸出信號與氧傳感器輸出信號均接入濾波放大單元。
[0014]所述測量室I內(nèi)壓力變送器耐溫450°C，流量變送器耐溫250°C，溫度變送器耐溫500°C，三個變送器材質(zhì)均為金屬鉭；測量室II內(nèi)壓力變送器耐溫200°C，流量變送器耐溫2000C，溫度變送器耐溫500°C，三個變送器材質(zhì)均為不銹鋼。
[0015]所述冷凝處理裝置由5-6m冷凝管組成，出口氣體溫度150_200°C。
[0016]所述去酸裝置由堿性池和干燥瓶組成，通過導氣管連接。
[0017]所述氣體管路起始段與焙燒爐氣體出口管道上的氣體取樣口連通，取樣口公稱直徑< 25_，開口方向朝上。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0019]I)基于Citytech公司的A02型氧傳感器基礎(chǔ)上設計的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠滿足焙燒爐內(nèi)燃燒廢氣為高溫腐蝕性氣體的環(huán)境下對含氧量測量的要求；
[0020]2)本實用新型將檢測電路與氣體采樣和傳感單元直接連接，總反應時間短，能夠快速準確地監(jiān)測氧含量；
[0021]3)通過在氣體管路上加設降溫及去酸過濾裝置的方法，給采樣氣體降溫并去除HCL氣體的影響，延長氧傳感器的使用壽命；
[0022]4)通過信號放大、濾波、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等方法保證氧含量信號測量的精度和穩(wěn)定性；通過氮氧氣體均勻混合對氧含量監(jiān)測系統(tǒng)進行標定，得到氧含量監(jiān)測系統(tǒng)在量程為O?20%時，精度為±0.44%。對于2%氧含量的焙燒爐燃燒廢氣監(jiān)測，其他氣體中相對干擾誤差為6.07% ；
[0023]5)監(jiān)測結(jié)果分別在監(jiān)控柜單片機的液晶顯示模塊上和通過PLC在上位機的WINCC組態(tài)軟件進行顯示，現(xiàn)場和遠程都可進行顯示和控制，并通過上位機的數(shù)據(jù)處理功能，實現(xiàn)了對氧含量進行在線監(jiān)測、標定、超限時報警和數(shù)據(jù)存儲的功能；
[0024]6)對信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)增加了防爆電路設計，利用低電壓和低電流的工作方式實現(xiàn)防爆功能，使最大電壓〈12V，正常工作電流<70mA，最大短路< 0.5A ；
[0025]7)根據(jù)理想氣體方程公式設計采樣氣體的氣路，通過堿性池和干燥瓶對采樣氣體進行過濾和干燥，保證最終排放到大氣中的采樣氣體達到國家排放標準，不污染環(huán)境。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本實用新型的組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0027]圖2是采樣氣體的氣路流程圖。
[0028]圖3是信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0029]圖4是電源電路圖。
[0030]圖5是溫度變送器Tl信號的濾波放大電路。
[0031]圖6是氧傳感器信號的濾波放大電路。
[0032]圖7是TLC2543信號輸入單元弓丨腳圖。
[0033]圖8是STC89C58單片機弓丨腳圖。
[0034]圖9是TLV5616CPDA轉(zhuǎn)換器與單片機、終端處理系統(tǒng)接口電路圖。
[0035]圖10是0CMJ12232C-3液晶顯示模塊引腳圖。
[0036]圖11是本實用新型程序流程圖。
[0037]圖12是終端數(shù)據(jù)顯示程序流程圖。
[0038]圖中:1.測量系統(tǒng)2.信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3.終端處理系統(tǒng)4.取樣口
5.高溫球閥6.冷凝處理裝置7.測量室I 8.堿性池9.干燥瓶10.測量室II 11.抽氣泵

【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步說明:
[0040]見圖1，是本實用新型的組成結(jié)構(gòu)示意圖，本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括測量系統(tǒng)1、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2和終端處理系統(tǒng)3，所述測量系統(tǒng)I由通過氣體管路連接的冷凝處理裝置6、測量室17、去酸裝置、氧傳感器、測量室IIlO和抽氣泵11組成；信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2由依次連接的濾波放大單元、信號輸入單元、單片機和DA轉(zhuǎn)換器組成；終端處理系統(tǒng)由PLC和上位機組成；所述信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將在測量系統(tǒng)中采集的多路信號進行濾波放大等信號調(diào)理，經(jīng)接口模塊進入單片機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)接口模塊與PLC相連，并通過PLC進入上位機的相應監(jiān)控變量區(qū)，實施在線氧濃度監(jiān)測的終端處理。
[0041]所述氧傳感器為Citytech公司的A02型氧傳感器,響應時間< 5S。
[0042]所述濾波放大單元由LM358放大器和INA128PA放大器組成，采用12V電源供電，LM358放大器負責對米樣氣體的壓力信號、流量信號、溫度信號進行2次放大，INA128PA放大器負責對氧傳感器信號進行濾波放大。
[0043]所述信號輸入單元為TLC2543，單片機為宏晶科技的STC89C58-RD型號單片機，單片機設有0CMJ12232C中文液晶顯示模塊作為顯示器件，單片機與PLC之間的DAC接口模塊為TLV5616的D/A轉(zhuǎn)換器。
[0044]所述上位機至少為2臺，分別負責監(jiān)控和操作，采用德國西門子公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件進行組態(tài)，上位機通過西門子CP系列通訊卡與西門子PLCS7通訊；PLC通過對熱繼電器、斷路器、接觸器的控制實現(xiàn)對現(xiàn)場電機、儀表設備的控制，并實時傳遞和執(zhí)行上位機發(fā)出的指令。
[0045]所述測量室I 7和測量室II 10中分別設有壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，其輸出信號與氧傳感器輸出信號均接入濾波放大單元。
[0046]所述測量室I 7內(nèi)壓力變送器耐溫450°C，流量變送器耐溫250°C，溫度變送器耐溫500°C，三個變送器材質(zhì)均為金屬鉭；測量室II 10內(nèi)壓力變送器耐溫200°C，流量變送器耐溫200°C，溫度變送器耐溫500°C，三個變送器材質(zhì)均為不銹鋼。
[0047]所述冷凝處理裝置6由5-6m冷凝管組成，出口氣體溫度150_200°C。
[0048]所述去酸裝置由堿性池8和干燥瓶9組成，通過導氣管連接。
[0049]所述氣體管路起始段與焙燒爐氣體出口管道上的氣體取樣口 4連通，取樣口 4公稱直徑< 25mm,開口方向朝上。
[0050]原電池型氧傳感器工藝成熟、價格經(jīng)濟、適用于常溫下對氧氣含量的在線監(jiān)測，本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)選用原電池氧傳感器測量方法，采用Citytech公司的A02型氧傳感器，其工作原理為氧透過隔膜后溶解在隔膜與陰極間的薄層電解液中，當氧達到陰極表面時被還原，其電極反應為:02+2H20+4e — 40F,02+4H+4e — 2H20,同時在鉛陽極上發(fā)生氧化反應:2Pb+2H20+4e — 2Pb0+4H+。由于焙燒爐內(nèi)產(chǎn)生氣體由HCL、H2O, N2, CO2, O2等氣體混合，氧氣含量影響需要考慮混合氣體的交叉敏感性，其數(shù)據(jù)如下表所示:
[0051]N2, H2, CO2等氣體對氧氣含量測量的影響
氣體 A02信號輸出(相當于％02
_)_
16% CO2 /N2 平衡<0.01
5%H, /N，平衡<0.001
[0052]匕

2000ppm n-hexane〈0.01
/N2平衡
6%C0/N2平衡<0.002
3000pptn NO / N2平衡〈0.002
[0053]焙燒爐內(nèi)燃燒廢氣中氧含量監(jiān)測系統(tǒng)對氣體變化的反應時間不應該僅看作氧傳感器本身的檢測時間，而是從被檢測點氧氣含量發(fā)生變化到數(shù)據(jù)最后被讀取的時間總和，在本系統(tǒng)中就是經(jīng)過的氣路系統(tǒng)、傳感器和電路系統(tǒng)的時間總和，總反應時間為:T =TG+TS+TE，其中:
[0054]Te是被測氣體從采樣、冷凝到傳感器的時間，主要由采樣點到傳感器的距離、氣路系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和氣路系統(tǒng)中的氣體流量所決定，采用最短的氣路長度、適當?shù)募哟髿怏w流量可以提高反應時間。
[0055]Ts是傳感器的響應時間，A02氧傳感器的響應時間< 5s ；
[0056]Te是信號檢測到最后顯示的時間，Te主要由電路系統(tǒng)工作的頻率和多路數(shù)據(jù)處理復雜的程度決定，其中電路系統(tǒng)的晶振頻率在幾萬Hz以上，所以Te在毫秒數(shù)量級。
[0057]為了快速的檢測氧含量，本實用新型將監(jiān)測電路與氣體采樣和傳感單元直接連接，見圖2，是采樣氣體的氣路流程圖，測量系統(tǒng)I由通過氣體管路連接的冷凝處理裝置6、測量室17、去酸裝置、氧傳感器、測量室IIlO和抽氣泵11組成，設定采樣氣體溫度400°C，含HCL氣體含量約8.5%，考慮到A02型氧傳感器不耐高溫，必須先經(jīng)過5米左右的冷凝管給氣體降溫，溫度降到約150°C左右；經(jīng)過冷凝處理溫度降低，采樣氣體中部分HCL氣體冷凝成為鹽酸液體，而氧傳感器探頭不耐酸氣腐蝕，必須過濾掉HCL氣體后才能進行測量，本實用新型采用氫氧化鈉溶液酸堿中和的方法過濾酸性氣體，采樣氣體在堿性池8內(nèi)進行酸堿中和,過濾氣體中的HCL氣體，再通過干燥瓶9干燥氣體。
[0058]如果在氧傳感器之前測得的氣體流量Q1,其氣體狀態(tài)參數(shù)分別為壓力P1和溫度T10換算到氧傳感器之后的氣體流量為Q1'，其氣體狀態(tài)參數(shù)分別為壓力P2和溫度T2，則根


PO P Of
據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(又稱理想氣體定律或克拉佩龍方程)= f


上1丄2
[0059]堿性池8吸收的酸性氣體總量為Q/和氧傳感器之后測得的氣體流量Q2之差，即Q/ -Q2O
[0060]設氧傳感器檢測到的氧氣含量為VdetM，則原焙燒爐中的氧氣含量V“al的計算公式為:
V =V Ql = VQ: ^ 丁丨 '/
[0061]一.m'tQ; lLiPlQlTj QlIilT, m't


T1 P2
[0062]因此采樣氣體需要測量的參數(shù)有氧傳感器之前的氣體流量Q1、壓力P1、溫度T1，氧氣含量，氧傳感器之后的氣體流量為Q2、壓力P2、溫度T2。其中Q1、壓力P1、溫度T1在測量室I 7內(nèi)通過壓力變送器1、溫度變送器I和流量變送器I采集，Q2、壓力P2、溫度T2在測量室II 10內(nèi)通過壓力變送器I1、溫度變送器II和流量變送器II采集，采樣氣體最終由一臺抽氣泵11排放到大氣，此時氣體不含酸性，達到國家排放標準。
[0063]見圖3，是本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)中信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2結(jié)構(gòu)框圖，所述信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2由依次連接的濾波放大單元、信號輸入單元、單片機和DA轉(zhuǎn)換器組成。信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2的基本功能是:選用PS7W12D12S輸出12V給濾波放大器LM358和INA128PA供電，選用PS10W5S輸出5V給單片機供電；6路米樣氣體選用LM358濾波放大器放大,氧傳感器信號通過INA128PA濾波放大器進行百倍放大；信號輸入單元TLC2543對7路采樣信號進行AD轉(zhuǎn)換，通過STC89C58單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)的串口傳輸?shù)裙δ埽籘LV5616的D/A轉(zhuǎn)換器將單片機輸出的氧含量監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換成O?5V的模擬信號，TLV5616的D/A轉(zhuǎn)換器將單片機輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成O?5V的模擬信號，然后信號再通過電壓/電流信號隔離放大器ISO EM轉(zhuǎn)換成4?20mA的電流信號進入PLC。
[0064]圖4，是本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路圖。電源電壓由屏蔽電纜引入信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可通過控制柜內(nèi)的空開斷電，220V電壓通過PS7W12D12S輸出12V給濾波放大器LM358和INA128PA供電，通過PS10W5S輸出5V給單片機供電。圖中，端子AC1、AC2處輸入AC220V電源；FU1、FU2是熔斷器，防止電流過大燒壞電源模塊；YM1、YM2是壓敏電阻，防止電壓過大燒壞電源模塊；PS1，PS2選用工業(yè)級電源轉(zhuǎn)換模塊，分別輸出+12v，-12v和5v電壓為運算放大器和單片機提供電源電壓。
[0065]信號調(diào)理電路以溫度變送器Tl信號的濾波放大電路為例說明，(見圖5)。圖中，LM358為雙運算放大器，濾波放大器電路中第一個LM358作為電壓跟隨用，起到低通濾波、隔離信號的作用；第二個LM358作為濾波放大用。LM358的偏置電流約45nA，當輸人阻抗為1kQ時，輸出失調(diào)電壓為10kQx45nA = 0.45mV。
[0066]因為AD輸入電壓為0-12V，傳感器信號4?20Ma，XR222 = 20mA，X250歐姆=12V,12V/12V = 1，增益選擇為I倍、頻率特性f_3DB彡500kHz、輸人阻抗1kQ、因為AD轉(zhuǎn)換器TLC2543為12位轉(zhuǎn)換器，其值為0-4095，5V/4095 = 1.2mV,因此確定輸入失調(diào)電壓為lmV，這樣，理論上AD轉(zhuǎn)換誤差不會超過I。
[0067]見圖6，是本實用新型所述氧傳感器信號的濾波放大電路。A02氧濃度傳感器信號輸出是25%含氧量時輸出為9?13mV，10%含氧量時輸出為5mV左右。單片機測量需要的信號輸出是V級電壓信號，因此濾波放大器的放大倍數(shù)要設定為100，本實用新型選用的濾波放大器是INA128PA。
[0068]采樣氣體的溫度信號(2路)、壓力信號(2路)、流量信號(2路)和氧濃度傳感器信號共7路信號經(jīng)濾波放大器后進入信號輸入單元TLC2543進行AD轉(zhuǎn)換，它是12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換，串行輸入結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省單片機的I/O資源；且價格適中，分辨率較高。
[0069]見圖7，是信號輸入單元TLC2543信號輸入單元引腳圖，圖中:
[0070]AO?A6，引腳為I?7，模擬量輸入端，為采樣氣體的流量信號(2路)、壓力信號(2路)、溫度信號(2路)和氧濃度傳感器信號。
[0071]E0C，引腳為19，轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后，EOC從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準備傳輸為止。EOC引腳由高變低是在第12個時鐘的下降沿，它標志TLC2543開始對本次采樣的模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，標志轉(zhuǎn)換結(jié)束。
[0072]DATA0UT，引腳為16，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。為高時處于高阻抗狀態(tài)，為低時處于激活狀態(tài)。
[0073]ADDRESS，引腳為17，串行數(shù)據(jù)輸入端。由8位數(shù)據(jù)規(guī)定了要轉(zhuǎn)換的模擬量輸入通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度、輸出數(shù)據(jù)的格式。
[0074]I/O CLOCK，引腳為18，輸入/輸出時鐘端，控制輸入輸出的時鐘，由外部輸入。
[0075]CS，引腳為15，片選端。在CS端由高變低時，內(nèi)部計數(shù)器復位；由低變高時，在設定時間內(nèi)禁止DATA OUT和I/O CLOCK。
[0076]7路數(shù)據(jù)信號經(jīng)過采集轉(zhuǎn)換后進入單片機進行精確計算，并按照一定頻率進行串行輸出，本實用新型選用宏晶科技的STC89C58-RD型號單片機。見圖8，是STC89C58單片機引腳圖，單片機的40個引腳大致可分為4類:電源、時鐘、控制和I/O引腳。由于前置信號有7路信號需要處理，并且發(fā)送電路要求功耗低、頻率精確，系統(tǒng)時鐘頻率要求較高，因此，采用片內(nèi)振蕩器用于CPU的時鐘源，晶振產(chǎn)生的時鐘頻率為11.0592MHz。在單片機的Xl和X2兩引腳分別為單級片內(nèi)反相放大器的輸入輸出端，其頻率為11.0592MHz。單片機Xl和X2兩引腳之間連接一個晶體振蕩器，并接兩個小電容后接地。單片機數(shù)據(jù)通信的方式有并行通信和串行通信兩種，本系統(tǒng)選擇通過單片機自帶的串口進行RS-232方式的通信。與RS-232相匹配的連接器選擇為DB-9，只提供異步通信的9個信號。使用P3.0(10腳RXD)和P3.1(11 B TXD)分別連接到DB-9連接器的TxD (3腳)和RxD (2腳)，DB-9連接器的地線(5腳)要求接地。
[0077]本實用新型充分利用STC89C58單片機內(nèi)部特殊寄存器PCON中的相應節(jié)能與休眠控制位的編程控制完成節(jié)能與休眠功能的控制，將PCON寄存器的IDL位置“ 1”，單片機進入待機方式；將PCON寄存器的H)位置“1”，單片機進入掉電保護方式。
[0078]7路信號在單片機內(nèi)進行計算后，以數(shù)字數(shù)據(jù)形式輸出，由于PLC輸入信號是4?20mA的電流信號，因此需要數(shù)據(jù)信號先通過TLV5616的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成O?5V的模擬信號，然后信號通過LM358濾波放大后再通過電壓/電流信號隔離放大器ISOEM轉(zhuǎn)換成4?20mA的電流信號進入PLC。
[0079]見圖9，是TLV5616CPDA轉(zhuǎn)換器與單片機、終端處理系統(tǒng)接口電路圖。主要引腳說明:
[0080]DIN，引腳為1，串行數(shù)字數(shù)據(jù)輸入端。與單片機Ρ2.4(引腳為25)相連接。該引腳必須與CS啟用設置為低。然后，F(xiàn)S下降沿開始轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)位，每比特(與MSB)開始關(guān)于SCLK內(nèi)部寄存器的下降沿經(jīng)過16位被轉(zhuǎn)換或FS上升時，移位寄存器的內(nèi)容被移到DAC鎖存的更新電壓輸出到新的水平。
[0081]SCLK，引腳為2，串行數(shù)字時鐘輸入端。與單片機P2.5 (引腳為26)相連接。最大串行時鐘頻率為20MHz。
[0082]CS，引腳為3，芯片選擇端。與單片機P2.6 (引腳為27)相連接。數(shù)字輸入用于啟用和禁用輸入，低電平有效。
[0083]FS，引腳為4，幀同步。與單片機P2.7 (引腳為28)相連接。數(shù)字輸入4線串行接□。
[0084]REFIN，引腳為6，參考模擬輸入電壓。
[0085]0UT，引腳為7，DAC模擬輸入端。信號輸出后與LM358濾波放大器連接。
[0086]氧含量監(jiān)測系統(tǒng)處于易燃易爆的天然氣監(jiān)測的現(xiàn)場，雖然整個酸再生機組是負壓運行，天然氣不會進入現(xiàn)場，但是如果管道泄漏等情況發(fā)生，監(jiān)測信號調(diào)理與處理電路就會形成危險的爆炸源，因此必須對監(jiān)測信號調(diào)理與處理電路進行防爆設計。本實用新型從限制產(chǎn)生電火花和熱效應的能量出發(fā)，將電路中的電流和電壓嚴格限制在一個允許范圍內(nèi)，保證電路在正常工作或短接或元器件受損等情況下避免可能存在的危險氣體爆炸。
[0087]本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)所述信號調(diào)理與處理電路中，最大電壓〈12V，正常工作電流<70mA，最大短路電流通過限流電阻可以控制在0.5A以下，電容元件的電容值之和小于32 μ F，電感元件之和小于I μ H，都低于簡單電路點燃曲線。另外對于氫氣環(huán)境，必須將電路功率限制在1.3W左右，在本實用新型的信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理電路中，短時間內(nèi)(I秒內(nèi))能量輸出:E1 = 12VX0.07A = 0.84W = 0.84J/s ;在PLC中，使用隔離放大器ISO EM將信號轉(zhuǎn)換為4?20mA安全工業(yè)防爆信號，Siemens的S7-300/400PLC工作電源+24V，PLC測量監(jiān)測信號短時間內(nèi)輸出能量:E2 = 24VX0.02A = 0.48W = 0.48J/s，滿足防爆電路的設計要求。
[0088]本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的終端處理系統(tǒng)3由PLC和上位機組成，負責信號的接收、處理和顯示。為了方便操作人員在現(xiàn)場可以直接讀取氧氣含量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以在單片機的液晶顯示模塊上顯示并同時通過PLC在上位機的西門子公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件進行顯示，本實用新型采用0CMJ12232C中文液晶顯示模塊作為本機顯示器件。
[0089]見圖10，是0CMJ12232C-3液晶顯示模塊引腳圖，其中:
[0090]RS(CS)，引腳4，方向為輸入，選擇高電平時用作數(shù)據(jù)，選擇低電平時用作指令碼，此引腳與單片機的39腳P0.0相連接，作為輸入寄存器選擇位用；
[0091]R/W(STD)，引腳5，方向為輸入，輸入讀/寫選擇選擇信號，此引腳與單片機的38腳P0.1相連接；
[0092]E(SCLK)，引腳6，方向為輸入，輸入使能信號，高電平有效，此引腳與單片機的37腳P0.2相連接；
[0093]RST，引腳16，方向為輸入，復位信號，此引腳與單片機的34腳P0.5相連接；
[0094]DO?D7，引腳7?14，數(shù)據(jù)O?數(shù)據(jù)7，此引腳與單片機的I?8腳Pl.0?Pl.7腳相連接，是單片機用來給液晶傳送命令和數(shù)據(jù)的；
[0095]LEDK，引腳17，背光源負極(OV)，此引腳與單片機的33腳P0.6相連接，當BKON為高電平，三極管N501導通，LEDlOl得電發(fā)光，液晶背光亮；當BKON為低電平，三極管N501截止，LEDlOl失電不發(fā)光，液晶背光不亮；
[0096]氧含量的測量范圍為O?22%，IXD以XX.XX的格式顯示數(shù)據(jù)，單位為％ ;IXD還可以顯示流量、溫度和壓力的數(shù)據(jù)。見圖11，是本實用新型數(shù)據(jù)顯示程序流程圖，單片機與IXD顯示模塊間通過RS-232串口通信，通過管腳P0.0-0.2和P0.5向IXD模塊的CS、R/W、E和RST管腳發(fā)送讀寫時序指令，完成IXD字符的顯示和存儲，通過P1.0-P1.7管腳向IXD模塊的D0-D7管腳發(fā)出數(shù)據(jù)信號。
[0097]本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場顯示功能通過對單片機的編程實現(xiàn)，見圖12，是終端數(shù)據(jù)顯示程序流程圖。AD2543芯片片選時鐘置高電平，是為了能啟動AD轉(zhuǎn)換，因為AD轉(zhuǎn)換需要下降沿；2543的作用是采樣流量、壓力、溫度和氧含量等；DA5616芯片片選輸入置高電平，是為了能啟動DA轉(zhuǎn)換，因為DA轉(zhuǎn)換需要下降沿；5616的作用是為了將運算得出的最終氧氣含量，轉(zhuǎn)換為電壓值，送入電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸入端，輸出相應的電流給PLC;液晶LCD有一單獨復位端，用單片機管腳單獨控制，可在適當?shù)臅r候復位液晶控制器，防止出現(xiàn)顯示混亂；初始化串行口，是為了能和上位機進行通訊，本系統(tǒng)中無通訊，但保留了通訊功能；主程序開始，按照順序讀取流量I流量2，壓力I壓力2，溫度I溫度2，氧氣傳感器的氧氣含量，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程進行運算，得出氧氣含量值，并通過DA5616轉(zhuǎn)換為電壓，并將此電壓供給電壓電流轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為電流，提供給上位PLC，然后程序再返回讀取流量12等，可以一直循環(huán)；數(shù)據(jù)顯示和按鍵處理能看到中間的數(shù)據(jù)，便于調(diào)試。
[0098]ISO EM-U1-P3-01模塊將TLV5616DAC的O?5V的電壓信號轉(zhuǎn)換成4?20mA的電流信號，并實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信號的隔離轉(zhuǎn)換功能，電流信號直接通過PLC發(fā)送到酸再生機組計算機系統(tǒng)中的上位機組態(tài)軟件上顯示。酸再生機組所在冷軋鋼廠的監(jiān)控系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)是:2臺工控機作為上位機，其中一臺監(jiān)控，一臺操作，本實用新型采用德國西門子公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件進行組態(tài)，上位機通過西門子CP系列通訊卡與西門子PLCS7通訊。PLC對熱繼電器、斷路器、接觸器等的控制來達到對現(xiàn)場的電機、儀表設備的控制，并實時傳遞和執(zhí)行上位機發(fā)出的指令。氧含量監(jiān)測系統(tǒng)在上位機組態(tài)監(jiān)控畫面上顯示點為煙氣含氧量，當煙氣含氧量的范圍超過設定值時會進行報警。
[0099]【實施例1】利用本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，在山東濱州博興縣新美達科技材料有限公司進行了 96小時的連續(xù)監(jiān)測，測量點在酸再生機組五層焙燒爐頂部出口管道處?，F(xiàn)場實驗結(jié)果見下表:
[0100]山東新美達現(xiàn)場氧含量參數(shù)表

天然氣量空氣量時間空燃比，，..、,,;,氧含量％


(In 1 I )( m / h )
[0101]
12.91!4:00 14.1 --331461.4
12.9日 12:00 13.3 25533851.3
12.91? 20:00 14.1 24033751.3
12.10日4:00 12.5 23629521.1
12.10日 12:00 13.6 23531991.3
12.10臼 20:00 13.7 23532171.4
12.1104:00 13.2 26134481.3
[0102]
12.11日 12:00 13.1 24031441,1
12.11日 20:00 13.2 24031591.1
12.12日 4:00 13.3 23631321.2
12.12012:00 13.2 21428341.0
12.12日 20:00 13.1 21428070.9
[0103]【實施例2】利用本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，在天津江林科技發(fā)展有限公司進行了 72小時的連續(xù)監(jiān)測，測量點在酸再生機組五層焙燒爐頂部出口管道處?，F(xiàn)場實驗結(jié)果見下表:
[0104]天津江林現(xiàn)場氧含量參數(shù)表天然氣量空氣量時間空燃比 f 3,,、 f 3/,、氧含量％

Cm /h} Cm /h)
3.21 ?6:0012.0 20825041.3
[0105]
3.2日 12:00 12.0 20424551,1
3.2018:00 12.0 20424481.3
3.3日 0:0012.0 20424421.6
3.306:0012.0 20824951.3
3.3日 12:00 12.0 20825021.7
3.3日 18:00 12.5 20025012.0
3.400:0012.6 19825011.9
[0106]
3.4日 6:0012 5 20024991.5
3.4日 12:00 12 4 202 24991,4
3.4| 118:00 12.5 200 24941.6
3,5| 10:00 12.6 198 25002.0
[0107]從以上數(shù)據(jù)可以看出，山東新美達測得的氧含量數(shù)據(jù)范圍在0.9?1.4%之間，天津江林測得的氧含量數(shù)據(jù)范圍在1.1?2.0%之間。
[0108]對本實用新型酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)通過氮氧氣體均勻混合進行實驗標定，得到氧含量監(jiān)測系統(tǒng)在量程為O?20%時，精度為±0.44%。對于2%氧含量的焙燒爐燃燒廢氣監(jiān)測，其他氣體中相對干擾誤差為6.07% ;
【權(quán)利要求】
1.酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括測量系統(tǒng)、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和終端處理系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)由通過氣體管路連接的冷凝處理裝置、測量室1、去酸裝置、氧傳感器、測量室II和抽氣泵組成；信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由依次連接的濾波放大單元、信號輸入單元、單片機和DA轉(zhuǎn)換器組成；終端處理系統(tǒng)由相連的PLC和上位機組成；所述信號調(diào)理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將在測量系統(tǒng)中采集的多路信號進行濾波放大等信號調(diào)理，經(jīng)接口模塊進入單片機進行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)接口模塊與PLC相連，并通過PLC進入上位機的相應監(jiān)控變量區(qū)，實施在線氧濃度監(jiān)測的終端處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述氧傳感器為Citytech公司的A02型氧傳感器，響應時間< 5S。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波放大單元由LM358放大器和INA128PA放大器組成，采用12V電源供電，LM358放大器負責對米樣氣體的壓力信號、流量信號、溫度信號進行2次放大,INA128PA放大器負責對氧傳感器信號進行濾波放大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號輸入單元為TLC2543，單片機為宏晶科技的STC89C58-RD型號單片機，單片機設有0CMJ12232C中文液晶顯示模塊作為顯示器件，單片機與PLC之間的DAC接口模塊為TLV5616的D/A轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機至少為2臺，分別負責監(jiān)控和操作，采用德國西門子公司W(wǎng)INCC組態(tài)軟件進行組態(tài)，上位機通過西門子CP系列通訊卡與西門子PLCS7通訊；PLC通過對熱繼電器、斷路器、接觸器的控制實現(xiàn)對現(xiàn)場電機、儀表設備的控制，并實時傳遞和執(zhí)行上位機發(fā)出的指令。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述測量室I和測量室II中分別設有壓力變送器、溫度變送器和流量變送器，其輸出信號與氧傳感器輸出信號均接入濾波放大單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述測量室I內(nèi)壓力變送器耐溫450°C，流量變送器耐溫250°C，溫度變送器耐溫500°C，三個變送器材質(zhì)均為金屬鉭；測量室II內(nèi)壓力變送器耐溫200°C，流量變送器耐溫200°C，溫度變送器耐溫500°C，三個變送器材質(zhì)均為不銹鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝處理裝置由5-6m冷凝管組成，出口氣體溫度150-200°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述去酸裝置由堿性池和干燥瓶組成，通過導氣管連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸再生焙燒爐殘氧含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體管路起始段與焙燒爐氣體出口管道上的氣體取樣口連通，取樣口公稱直徑< 25mm，開口方向朝上。
【文檔編號】G01N27/26GK203929702SQ201420250511
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】張璇, 孟祥全, 張子曄, 張嘉鵬, 王宗巖 申請人:鞍山創(chuàng)新廢酸除硅再生工程有限公司