劉劍琴

一、引言

延長(zhǎng)高爐壽命可以有效提高高爐生產(chǎn)效率，降低高爐維修和大修的巨額費(fèi)用，是高爐穩(wěn)定運(yùn)行、高效低耗的重要保證。 在高爐爐役期間，爐缸爐底的內(nèi)襯侵蝕狀況直接反應(yīng)在冷卻壁熱流強(qiáng)度上，熱流強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

q=cMΔt/F                          （1）

式中： q —冷卻壁熱流強(qiáng)度， W/m² ； c —水的質(zhì)量熱容， J/ （ kg · ℃ ）； M —冷卻水流量， kg/s ； Δt — 冷卻壁進(jìn)出水溫差， ℃ ； F —冷卻壁傳熱面積， m² 。

從式（ 1 ）可看出，除冷卻壁進(jìn)出水溫差為變量外，其余系數(shù)一般為常數(shù)。 因此熱流強(qiáng)度檢測(cè)的核心在于水溫差的檢測(cè)，高精度冷卻壁水溫差在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于高爐事故隱患的避免及長(zhǎng)壽高產(chǎn)十分重要。

二、高爐熱流強(qiáng)度檢測(cè)分析系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括終端采集器及集中器模塊，基本電路有無(wú)線模塊電路、電源電路、溫度采集電路、電池電量狀態(tài)檢測(cè)電路、人機(jī)交互畫面顯示及控制電路、通信狀態(tài)顯示電路以及 RS-485 電路。 核心是完成溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線采集。 主要系統(tǒng)性能指標(biāo)如下：

（1）系統(tǒng)準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性較好，終端采集器溫度采集需達(dá)到 0.02℃ 的準(zhǔn)確度。

（2）該系統(tǒng)于集中器段設(shè)置了液晶顯示、故障報(bào)警提示燈等功能，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)及中控室均可實(shí)時(shí)查看水溫?cái)?shù)據(jù)。

高爐熱流強(qiáng)度高精度檢測(cè)分析系統(tǒng)具體性能指標(biāo)如表 1 所示。

高爐冷卻壁熱流強(qiáng)度的高精度檢測(cè)與設(shè)計(jì)核心部分采用無(wú)線測(cè)溫終端采集溫度數(shù)據(jù)， 所以無(wú)線測(cè)溫終端采集器是設(shè)計(jì)的終端，無(wú)線模塊采用 CC1110 芯片。

CC1110 硬件設(shè)計(jì)如圖 1 所示， 工作在 433MHz 的ISM （工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻率波段，最大輸出功率為

10dBm ，當(dāng)配置為最大輸出功率時(shí)，典型電流消耗為33mA ，接收靈敏度可達(dá) -110dBm ，是一種真正的低成本無(wú)線 SoC 。 可配置為多個(gè)低功耗運(yùn)行模式，在休眠模式下電流僅 0.5μA ，待機(jī)模式下低于 0.3μA ，專為低功耗無(wú)線應(yīng)用設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)溫度采集部分的 A/D 轉(zhuǎn)換電路由 PT1000 鉑電阻構(gòu)成的三線制電橋電路以及 ADI 公司推出的一款高精度低速 24 位 Σ-Δ 型 ADC 器件 AD7799 完成。

三、高爐熱流強(qiáng)度檢測(cè)分析系統(tǒng)軟件

高爐熱流強(qiáng)度檢測(cè)分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括終端采集器的軟件設(shè)計(jì)和集中器的軟件設(shè)計(jì)。 達(dá)到模塊程序的低功耗、協(xié)議架構(gòu)的自組網(wǎng)要求。系統(tǒng)有兩層通信，即終端采集器模塊與集中器模塊之間的 433M 頻段無(wú)線通信及集中器模塊與上位機(jī)之間基于 RS485 接口的 MODBUS 通信協(xié)議。 軟件系統(tǒng)基于 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

終端采集器軟件設(shè)計(jì)根本內(nèi)容是溫度數(shù)據(jù)的采集、電池電源電量的檢測(cè)以及無(wú)線信號(hào)傳輸，核心是熱流強(qiáng)度的檢測(cè)和監(jiān)控。

終端采集器上電后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初始化， 請(qǐng)求加入集中器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，如果加入成功，則以一定周期進(jìn)行溫度和電源數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換并向集中器發(fā)送通信數(shù)據(jù)。

溫 度 數(shù) 據(jù) 采 集 由 24 位 高 精 度 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 芯 片AD7799 完成。 系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)其各參數(shù)進(jìn)行配置并選用差分輸入通道 AIN1+ 、 AIN1- 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。

由于轉(zhuǎn)換完成以后的 AD 數(shù)據(jù)有 24 位，最低的 8 位實(shí)際為溫度數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后面的第 4 位及以后的數(shù)據(jù)， 跳變很大，而且準(zhǔn)確度只要求達(dá)到 ±0.02℃ ，分辨力只需達(dá)到 0.005℃ ， 故在每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成以后省略 AD 值的低 8 位數(shù)據(jù)，只保留 16 位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。

四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)溫準(zhǔn)確度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，因而標(biāo)定是整個(gè)設(shè)計(jì)步驟重要的一個(gè)部分，設(shè)計(jì)主要從芯片的選型以及硬件電路的設(shè)計(jì)上保證測(cè)溫準(zhǔn)確度。 本次調(diào)試采用FLUKE 公司高穩(wěn)定性的恒溫槽以及高精度的測(cè)溫儀表 1551A EX （以下簡(jiǎn)稱“ 1551A ”）進(jìn)行溫度的標(biāo)定。 恒溫槽中的介質(zhì)為水。

系統(tǒng)標(biāo)定是將終端采集器與 1551A 一起放入恒溫槽內(nèi)，共選擇了 15℃~70℃ 之間的 12 個(gè)點(diǎn)，恒溫槽分別加熱到相應(yīng)溫度， 記錄 1551A 及終端采集器測(cè)量溫度值及相應(yīng)的 AD 值（見表 2），然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，生成的參數(shù)寫入終端設(shè)備程序。

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)，以測(cè)量溫度的 AD 值為 x 軸，以放大 1000 倍的標(biāo)準(zhǔn)溫度為 y 軸， 通過(guò) Matlab 進(jìn)行曲線擬合，其計(jì)算關(guān)系如圖 2 所示，擬合關(guān)系式為式（ 2 ）。 由圖2 和式（ 2 ）可知，溫度和 AD 值呈高度的線性關(guān)系。

Y _t =0.000001X ² _ad +2.8181X _ad -764.6517%%R ² =0.9984     （2）

式中： Y _t —放大 1000 倍的標(biāo)準(zhǔn)溫度； X _ad — 測(cè)量溫度的 AD 值。 將式 （ 2 ） 上面的 3 個(gè)參數(shù)［ 0.0000012.8181-764.6517 ］ 寫入溫度轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行修正后，重新設(shè)定如表 2 中各標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行驗(yàn)證， 然后將標(biāo)準(zhǔn)溫度與測(cè)量溫度在 Matlab 中作差值處理。

由圖（3）可知，經(jīng)過(guò)曲線擬合后的終端設(shè)備測(cè)溫準(zhǔn)確度能夠達(dá)到 ±0.02℃ ，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)際使用要求。 本次終端設(shè)備主要使用于高爐爐缸部位，其溫度一般在 40℃~45℃ 之間， 而儀表在此范圍內(nèi)基本能夠保證在 ±0.01℃ 之間，能夠?yàn)楦郀t生產(chǎn)過(guò)程中熱流強(qiáng)度的計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)值。

溫度標(biāo)定時(shí)， 0℃ 的 AD 值約為 495 ， 70℃ 對(duì)應(yīng)的 AD值為 24951 ，通過(guò)計(jì)算得相應(yīng)差值：

70/24956-495=0.00286       （3）

由此得知，系統(tǒng)滿足 0.005℃ 的溫度分辨力。

四、小結(jié)

通過(guò)與某公司合作的產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目， 高爐冷卻壁的熱流強(qiáng)度高精度檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行很成功， 主要是研制了終端采集器和集中器，系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行周期為 60 天。 周期內(nèi)有 1 個(gè)終端采集器由于安裝操作的原因?qū)е鹿收希溆嘟K端設(shè)備及集中器未出現(xiàn)死機(jī)及掉線情況。

測(cè)試過(guò)程中通過(guò)集中器的菜單選項(xiàng)，利用方便的人機(jī)畫面對(duì)各終端采集器信息進(jìn)行查詢，主要查詢各節(jié)點(diǎn)的電池電量及信號(hào)強(qiáng)度信息。 測(cè)試結(jié)果表明，高精度檢測(cè)儀表設(shè)計(jì)運(yùn)行較為成功。