重力式给煤机控制器称重系统的设计
摘要：本文介绍电子重力式给煤机称重系统的传感器和相关电路的设计,包括：应变片式重力传感器,自跟踪桥路电源,重力信号的采集、调理、放大及A/D转换电路,ADC7705与微机的硬件接口及软件。系统设计的目标为确保给煤的计量精度达到3‰。
关键词：重力式给煤机;自跟踪电源;ADC7705
电子重力式给煤机主要用于火力发电厂的供煤系统中,承担向锅炉连续、定量、均匀供煤的任务,给煤机控制系统实现在运行过程中对燃煤进行精确计量,并根据人工设定值和燃烧控制系统的反馈信息控制给煤率,使输送入锅炉的燃煤与所需燃料相适应,从而达到理想的管理效果和经济效益。控制器工作的基本原理是测量皮带上单位长度的煤重q（公斤/米）和皮带的行进速度V（米/秒）,两者相乘得出实际的给煤率。控制器不断将实际的给煤率与设定的给煤率相比较后经PID运算,自动调节输送皮带速度,达到精确的给煤率。
由此可见,燃煤的精确计量对本系统的精度起着关键作用,所以,在给煤机控制器称重系统中,不但对称重传感器本身进行精心选择,而且还对传感器的桥电源和A/D转换器进行了精心设计。
1. 应变片式称重传感器
称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置,它的性能在很大程度上决定了给煤机控制器的准确性和稳定性。由于应变片式传感器具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等优点,所以本系统采用此类型号的传感器。
金属电阻应变片是利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细、电阻增加的原理制成的。将该片贴在被测物体上,当被测物体受外力作用伸缩时,其电阻值也作相应变化。应变片被接成桥式电路后,应变片电阻的变化就转换成电压的变化。为了增加电桥的输出,本传感器桥路设计成4枚应变片都受力作用的形式,如图1所示。假如电桥平衡时R1=R2=R3=R4＝R时,那么桥的输出电压与输入电压关系为：
ΔUo＝ΔR×Ui/R
由于电阻应变片式传感器受温度影响较大,为了改善其温度特性,传感器中除采用本身温度自补偿应变片外,还在不受力方向上各贴二片零点补偿Rw1、Rw2和灵敏度补偿片R01、R02。零点补偿是在桥中接入电阻温度系数和电桥中应变片温度系数相反的电阻元件,使桥路电阻温度影响相互抵消,减少电桥零点随温度的变化。灵敏度补偿是在对桥中串接两个与电桥温度系数相同的电阻,减少桥输出电压随温度的变化。
图1
2. 自跟踪式传感器电桥电源
由于应变片式传感器电桥输出信号电压非常小,因而要求供桥的电压也要很稳定,为此系统采用对称型,并且有良好跟踪性能的电源,其电路如图2所示。
图2 自跟踪电源电路
图中,IC1为同相放大器,把高精度稳压集成电路LM431输出的2.5V基准电压放大2倍,经N2驱动,N1限流输出稳定的+5V电压,作为桥的正电源。IC2为反相1倍放大器,把IC1输出的+5V电压反相,再经P2驱动,P1限流输出-5V电压,作为桥的负电源。桥的正负电源电压绝对值相等、符号相反,所以该电路有效地抑制电桥中点电压的漂移,为传感器提供稳定的电源,提高了传感器输出信号的精度。
3．A/D转换器
电阻应变片式传感器其输出电压一般为毫伏级,传统的电路设计方法是在A/D转换前增加一级高精度的测量放大器,这样就增加了成本,系统也较为复杂。本系统采用AD7705作为桥路信号的调理、放大和A/D转换电路,AD7705的2个全差分输入通道正好满足系统使用两个称重传感器测量皮带上的重量的需要。
AD7705是ADI出品的适用于低频测量仪器的A/D转换器。它具有完整的模拟前端,能将从传感器接收到的很弱的输入信号经信号调理、放大和A/D转换,直接转换成串行数字信号输出,而无需外部仪表放大器。AD7705采用的∑-Δ的ADC,实现16位无误码的良好性能,器件还包括自校准和系统校准选项,以消除器件本身或系统中的增益和偏移误差。AD7705采用串行总线与微控制器或DSP系统连接,通过软件编程可以对增益、信号极性、输入通道、数据输出更新率、数字滤波器的第一个凹口作出设置。
