松散物料導熱系數便攜式測試系統

陳國凡，陳清華

（安徽理工大學，淮南 232001）

0 引言

松散物料導熱系數的測定，目前的方案較多，筆者通過分析對比，得出以下特點：大多數測試裝置體積較大，不適用于某些場合；溫度測試和控制多半采用PLC加特殊模塊的方式，花費昂貴且不利于集成和拓展功能；溫度測點只有一個，不利于消除環境干擾的偶然誤差[1～4]。

基于上述原因，我們設計了便攜式測試系統，采用多分布傳感器采集溫度，利用單片機對數據進行處理，減小了體積，降低了成本，提高了精度。

1 系統結構及測試過程簡介

本測試裝置由：盛料桶、高精度穩壓電源、加熱棒、單片機系統、溫度傳感器和筆記本電腦組成，系統組成如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 系統組成圖

圖2 系統實物圖

測試時，在盛料桶里放入松散物料（顆粒半徑小于10mm），單片機系統先測定環境溫度并傳輸到計算機，然后驅動高精度穩壓器用加熱棒對松散物料進行恒功率加熱，加熱過程中單片機系統實時讀取三個傳感器采集的溫度信號，計算平均值并實時傳輸到計算機，計算機內使用Labview編程實現平行熱線法算法將松散物料的導熱系數計算并顯示出來。

2 系統設計

2.1 盛料桶和加熱棒

盛料桶用來盛放需要測定導熱系數的松散物料，加熱棒用來對物料進行恒功率加熱，其三維圖如圖3所示。盛料桶由安徽理工大學實習機械廠加工。溫度傳感器測頭到加熱棒中心距離為15±1mm，符合GB10297-88規定。溫度傳感器型號為DS18b20，美國DALLAS公司生產，精度可達0.0625度，符合GB10297-88規定的溫度誤差0.1度的要求，本裝置在桶內均勻布置三個測頭，安放3只DS18b20溫度傳感器以減小測量誤差提高精度。

圖3 盛料桶和加熱棒三維圖

2.2 單片機系統

單片機系統由AT89S52單片機、MAX232電平轉換芯片、九針串口接頭、上電復位電路、晶振電路、供電USB接口等組成、電路圖如圖4所示。單片機系統程序流程如圖5所示。

圖4 單片機系統電路圖

2.3 計算機操作界面

計算機操作界面通過Labview編程實現[5]，可設定采樣間隔時間，顯示實時溫度、環境溫度t0、測試溫度t1、測試溫度t2、溫度曲線圖以及計算導熱系數。計算機操作界面如圖6所示。

2.4 上位機Labview程序

上位機程序由串口通信程序和導熱系數計算算法程序構成。串口通信程序如圖7所示，該程序由串口設置模塊、寫串口模塊、讀串口模塊、關閉串口模塊、數據轉換與標定模塊組成，與單片機系統串口通信程序配合，形成一個串口通訊協議，實現了單片機系統和上位機間的實時數據交換。

圖5 單片機系統程序流程

圖6 計算機操作界面

圖7 串口通信程序

上位機導熱系數計算算法程序流程如圖8所示，先測定環境溫度，然后在60秒間隔內兩次測試加熱溫度，再計算溫差比值，查表計算指數積分，最后計算導熱系數。

基于Labview軟件實現了上述算法，其G語言程序如圖9所示。

3 實驗效果

使用淮南礦業集團孔李煤礦松散煤樣進行測試，實測熱線溫升數據如表1所示。

圖8 程序流程圖

圖9 部分G語言程序

經計算其導熱系數為0.14231，與文獻[1]用交叉熱線法的測試結果0.14319很相近，相對誤差0.61%，測試結果比較滿意。

4 結論

1）本測試裝置使用平行熱線法測松散物料導熱系數，系統的關鍵參數符合國家標準，能有效地提高測量精度。

表1 熱線溫升數據

2）本裝置為便攜式，結構緊湊，操作方便。

3）溫度采集為多分布數字溫度傳感器，能進一步減小測量誤差，提高精度。

本測試裝置結構緊湊、測試精度高、操作過程簡單和使用范圍廣泛，可用于各種非金屬固體松散物料導熱系數的測定。

[1] 陳清華, 張國樞, 秦汝祥, 等. 熱線法同時測松散煤體導熱系數及熱擴散率[J]. 中國礦業大學學報, 2009, 38(3):336-340.

[2] 唐明云, 張國樞, 戴廣龍, 等.熱線法測定松散煤體導熱系數裝置改進設計[J]. 煤礦安全, 2008(7):55-57.

[3] 李建偉,葛嶺梅,徐精彩. 松散煤體導熱系數測定實驗[J].遼寧工程技術大學學報,2004, 23(1): 4-8.

[4] SUN Ji-ping, SONG Shu. Recognition of Spontaneous Combustion in Coal Mines Based on Genetic Clustering[J].Journal of China University of Mining and Technology,2006, 16(1): 42-45.

[5] 楊樂平, 李海濤, 肖相生, 等.LabVIEW程序設計與應用[M].電子工業出版社, 2001.