氧化锆分析仪系统组成

1、系统组成

       本系统由电源单元、加热和恒温控制单元、锆池电动势及内阻采集单元、数据通信及数据处理单元组成。设计技术难点氧化锆探头恒温精确控制技术和锆池电动势微弱信号提取技术，恒温的稳定性直接决定测量的稳定性，同时标气的纯度和流速稳定性也影响测试结果，而实际工业现场工况的不一致性和传感器探头的生产工艺不一致性，也影响最终测量误差。主控采用意法半导体的STM32F103VET6单片机，控制和通信采用磁隔离数字信号，采集单元采用差分高阻抗运放输出和衰减配合适应宽范围动态测试；加温采用高速光耦隔离和高功率晶闸管驱动加热器，适应快速控制恒温要求。

       加热控制电路采用电磁和高速光耦组合隔离，结合功率型可控硅实现加热驱动，通过同步过零触发电路实现可控硅的加热控制，减小了类似移相触发带来的电网污染噪声。因为触发时刻距电压过零点愈近，导通瞬间电流愈小，所造成的干扰脉冲在电网电压波形中就越小，仅在90度导通角时产生的干扰脉冲最大。采用的隔离光耦采压摆率达到1500V/us，驱动可控硅后级电路需要考虑浪涌电压吸收和静态dv/dt指标提高。

       恒温过程是一个动态平衡过程，不同控制算法、测控电路延时和测量精度影响控制精度和响应时间。为了实现精准控制，采用模糊-PID复合算法来提高控制的精度和跟踪性能；为了提供影响速度采用分段控制，合理裁剪PID中的积分单元，升温过程快速实现，接近目标温度精确控制。这种方法大大提高了恒温的动态性能和适应内部参数的鲁棒性，减小了稳态误差，提高温度控制精度。

3、数据采集及处理

       氧量测量不准确将带来煤炭能耗增加、锅炉效率下降、环境污染等一系列问题。目前针对氧测量在硬件上存在传感器差别和材料工艺改进上发展，同时也因为硬件成本高、响应速度慢、易老化、精度限制等原因逐步发展软测量分支。即可通过选择主蒸汽流量、给水流量、燃料量、排烟温度、送风机参数、引风机参数等作为软测量模型的输入，来计算表征含氧量。但由于软测量是通过离线模式建立参数模型评估预测，依赖于输入变量的准确性，在工程应用上还有差距，本文主要采用硬件实时测量分析。

       采集电路部分主要由K热电偶电动势采集和冷端温度补偿采集、锆池电动势采集和内阻采集。由于信号为uV到mV级变化，同时存在数字时钟噪声、通信时序脉冲噪声、开关噪声和工频关断等噪声，也存在较大的共摸干扰信号，本文采用差分传输，前置运放采用ADI的程控运放AD8250，18nV/√Hz 超低噪声水平，共模抑制比达到110dB，输入阻抗5GΩ，足够满足信号接近完整性输入。为了适应较高动态范围，后级增加程控衰减器AD8475，噪声水平10nV/√Hz，共模抑制比达到 76dB，差分传输。经过低通滤波器抑制信号中噪声，采用TI的ADS1220，24位ADC，自带50Hz和60Hz的抑制数字滤波器，采样率达到2kSPS，内置小范围程控增益和温度采集单元。以上设计，既满足了信号采集精度需求，也良好的抑制了共摸噪声和信号干扰噪声，同时能适应较宽动态范围，提高了测量的灵敏度。测量数据通过数字滤波、线性拟合和指数拟合还原真实结果。由于氧化锆氧量分析仪工作环境存在变温、风速、粉尘和老化等因素，测量存在随时间变化而偏移，所以需要按需基于不同工况在线校准。