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原來氧化鋯氧量分析儀系統中,采用了24位ADC

發表時間:2022-05-05
科技的發展,芯片的需求也是越來越大,而芯片也有不同的位數,如:8位ADC、24位ADC等,每一芯片運用在產品中,都可以發揮不同功能,而今天要講的內容是氧化鋯氧量分析儀系統組成中,也采用了24位ADC芯片,接下來看看相關內容。


  一、系統組成


  該系統由電源單元、加熱恒溫控制單元、鋯池電動勢和內阻采集單元、數據通信和數據處理單元組成。設計技術難點:氧化鋯探針恒溫精密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了測量的穩定性。同時,標準氣體的純度和流量穩定性也會影響測試結果。實際工業現場工作條件與傳感器探頭生產過程的不一致也會影響最終的測量誤差。主控采用益發半導體Stm32f103vet6單片機,控制和通訊采用隔磁數字信號,采集單元采用差分高阻抗運算放大器輸出和衰減,適應大范圍動態測試;加熱采用高速光耦隔離和大功率晶閘管驅動加熱器,滿足快速恒溫控制的要求。


  二、加熱驅動和恒溫控制


  加熱控制電路采用電磁與高速光耦的組合隔離,實現與功率晶閘管組合的加熱驅動,并通過同步過零觸發電路實現晶閘管的上電控制,降低了類似移相觸發引起的電網污染噪聲。因為觸發時間越接近電壓過零點,導通瞬間的電流越小,電網電壓波形中的干擾脈沖越小,并且只有在90度的導通角下才會產生最大的干擾脈沖。所采用的隔離光耦的電壓擺幅率達到1500V/us,在驅動晶閘管后級電路時需要考慮浪涌電壓吸收和靜態DV/dt指標的提高。


  恒溫過程是一個動態平衡過程。不同的控制算法、測量和控制電路延遲以及測量精度會影響控制精度和響應時間。為了實現精確控制,采用模糊PID復合算法提高控制精度和跟蹤性能;為了提供影響速度,采用分段控制,并合理切割PID中的積分單元。升溫過程快速實現,接近目標溫度。該方法大大提高了恒溫的動態性能和對內部參數的魯棒性,減小了穩態誤差,提高了溫度控制精度。

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  三、數據采集與處理


  氧氣測量不準確會帶來一系列問題,如煤炭能耗增加、鍋爐效率降低、環境污染等。目前,在氧氣測量中,傳感器在硬件和材料工藝改進方面存在差異。同時,由于硬件成本高、響應速度慢、易老化、精度受限等原因,軟測量的分支也逐漸發展起來。通過選擇主蒸汽流量、給水流量、燃料量、廢氣溫度、送風機參數和引風機參數作為軟測量模型的輸入,可以計算特征氧含量。然而,由于軟測量是通過離線模式建立參數模型進行評估和預測,這取決于輸入變量的準確性,因此在工程應用中仍存在差距。本文主要采用硬件實時測量與分析。


  采集電路主要包括K熱電偶電動勢采集、冷端溫度補償采集、鋯池電動勢采集和內阻采集。由于信號從紫外到毫伏不等,存在數字時鐘噪聲、通信序列脈沖噪聲、開關噪聲、工頻關機等噪聲,以及較大的共觸干擾信號。本文采用差分傳輸方式,前置運放采用ADI程控運放ad8250,18nv/√ Hz超低噪聲級,共模抑制比達到110dB,輸入阻抗為5gΩ,足以滿足信號接近完整性輸入。


  為了適應高動態范圍,后級增加了程控衰減器ad8475,噪聲級為10nv/√ 共模抑制比達到76dB,差分傳輸。低通濾波器用于抑制信號中的噪聲。采用Ti ads1220和24位ADC,帶有50Hz和60Hz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。上述設計不僅滿足了信號采集精度的要求,而且很好地抑制了常見的接觸噪聲和信號干擾噪聲。同時,它可以適應較寬的動態范圍,提高測量的靈敏度。測量數據通過數字濾波、線性擬合和指數擬合恢復真實結果。由于氧化鋯氧分析儀的工作環境存在溫度變化、風速、灰塵和老化等因素,且測量值隨時間而變化,因此需要根據不同的工作條件進行在線校準。

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