凯氏定氮仪智能温控消化炉

前言

凯氏定氮法自从丹麦化学家发明以来,一个多世纪,至今已广泛用作食品饲料、土壤、废水等行业测氮和蛋白质的标准方法。采用湿方法对液体或固体物质进行消化处理。温度范围由室温到450bC,现有的消化炉一般只有温度控制,没有程序升温功能,在整个消化过程中需要人为多次调节温度,很烦琐。智能温控消化炉中集成程序升温功能,实现自动消化,节省人力、时间。以下浅析系统设计过程及实现方法,消化炉对温度控制系统的要求,主要是保证消化炉按规定的温度曲线变化,超调小或者无超调,稳定性好,不振荡,对系统的快速性要求不高。热电偶将消化炉温变换为模拟电压信号,经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器,信号放大为0~5V后送模/数转换器转换为数字量送单片机采集。

1 温度检测的设计

本仪器采用Atmel89c51单片机作为控制核心,配以其他集成电路,加上精心对软件设计,实现仪表智能化。可与热电偶、热电阻等传感器配合使用,对0~1300e范围内的各种电加热炉的温度进行精密测量,同时,四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值,准确度高,显示清晰,稳定可靠,使用方便。

整个仪表的工作原理(见图1):由单片机控制,按预先编制的程序定时对热电偶信号(即被测信号)进行采样,并自动进行零漂校正,Z后显示所测温度值,同时按设定值、所测温度值、温度变化速率,自动进行PID参数自整定和运算,并输出0~10mA控制电流,配以主回路实现温度的控制。

2 测量及控制作用

该仪器属智能化仪器,测量精度012级,显示分辨率1e,控制精度015级,控制方式为PID算法,设定方式为直接温度值设定,同时具有超温及断偶报警,因而内部的电路比较多,下面就该测量仪中主要电路及各个环节的作用予以介绍。

1 热电偶

型号WRN,分度号K,测温范围0~1300e,可以长时间工作在0~1000e,短时间工作到1300e,是一种测量温度信号的传感器,其正极是镍锘合金,负极是镍硅合金。

2 预处理电路

其作用包括:对热电偶信号的冷端补偿;断偶报警保护;三极滤波(见图2)

3 模数转换电路

转换原理是双积分式转换,整个过程分为三个阶段,(1)休止期:消除积分器上的零偏电压。(2)积分期:将放大后的模拟电压信号在时间T1(T1为定值)内积分;(3)反积分期:对标准电压反向积分,这样就将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔,Z后利用时钟脉冲和计数器将此时间间隔转化成数字信号。

3 控制规律的选择与分析

1 测对象的特征消化炉的温度要求在任何时间都保持定值(或在规定的误差范围以内),但由于外界影响,例如,消化管的加入、电源电压的波动等,会使消化炉温有一定程度的变化。

2 控制规律的选择

根据被测对象的特征,必须选择一种控制规律,使炉温有变化趋势时而被限制,本系统采用自整定PID调节。

3 程序升温

当温度到达设定值后进行恒温控制,升温程序按预先设定的时间自动升温,在进入恒温控制,程序可编辑4个升温段,并控制每个阶段的升温速率。

4 特点

该仪器从设计到应用,一直从实际出发,比如技术指标、使用环境的要求等。与传统的消化器相比的优势在于,消化过程采取程序升温,对不同物质采取不同升温速率,防止消化物溢出,实现消化过程的自动化,该仪器控制精度比较高,而且节省人力,并设有超温和断偶报警,有问题立即就能发现。