1 引 言
含硫量高的煤，供燃燒氣化或煉焦煤使用時都會帶來很大的危害。如高硫煤用作燃料時，燃燒后所產(chǎn)生的二氧化硫氣體，不僅嚴(yán)重腐蝕鍋爐管道，而且還嚴(yán)重污染大氣；在煉焦工業(yè)中，硫分的影響更大，一方面煤中硫分高，焦炭的硫分也高，從而直接影響鋼鐵的質(zhì)量，另一方面為了脫去鋼鐵中硫，就必須在高爐中加入較多的石灰石，這樣又會減少高爐的有效容量，同時增加出渣量。因此，為了有效而經(jīng)濟(jì)地利用煤炭資源，必須了解煤中硫的含量。
采用庫侖滴定法進(jìn)行煤中硫含量的測試。以碘為滴定劑，煤樣在1150℃高溫下，煤中的硫會轉(zhuǎn)化為SO2和SO3氣體；將氣體全部導(dǎo)人電解池，SO2與水反應(yīng)生成亞硫酸，將電解碘氧化而成硫酸。儀器采用雙鉑電極指示終點。根據(jù)電解碘過程中所耗用的電量，由法拉第定律可以計算出煤中硫的含量：
2 儀器的構(gòu)成及工作原理
儀器由PC機、智能控制器、進(jìn)樣裝置、高溫燃燒爐、電源系統(tǒng)、空氣輸送與凈化系統(tǒng)、電解池和攪拌器等部分構(gòu)成。
PC機主要完成控制參數(shù)的設(shè)置和控制指令的發(fā)送、測量數(shù)據(jù)的處理、溫度和電解電流變化曲線的顯示、測量結(jié)果的存儲與打印等功能。
智能控制器是測硫儀的關(guān)鍵部分，它可以接收PC機通過USB接口發(fā)送來的控制指令和控制參數(shù)，與電解池、硅碳管、熱電偶等共同完成高溫爐的加熱控制與溫度測量、電解的測量與控制、試樣的送達(dá)與退出等功能，并將測量過程中的電解電流和溫度的變化情況以及電量的測量結(jié)果通過USB接口發(fā)送到PC機。
高溫燃燒爐中的加熱元件采用硅碳管，并采用熱電偶測量爐溫。空氣輸送與凈化系統(tǒng)由電磁泵、空氣流量計、干燥管和干燥劑組成。電解池殼體用有機玻璃制成，上蓋固定一對電解電極和一對指示電極。在電解池內(nèi)放有一磁性攪拌子，在磁力攪拌器驅(qū)動下以約500 r／min的速度轉(zhuǎn)動，保證電解池內(nèi)電解液的狀態(tài)均勻分布。
3 智能控制器的設(shè)計
智能控制器在測硫儀中處于核心地位，完成熱電偶溫度、冷端溫度、指示電極電壓、電解電流等數(shù)據(jù)的采集以及爐溫、電解電流的控制；同時還要控制測量過程中的積分時間，并將電量的積分結(jié)果通過USB接口發(fā)送到PC機。
智能控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中帶USB接口的微控制器采用CY7C68013A，該芯片內(nèi)含一個增強型8052內(nèi)核和16KB的RAM，可在上電時通過串行接口將存儲在EEPROM內(nèi)的程序自動加載到RAM中運行，時鐘頻率可高達(dá)48MHz；同時它還具有一個USB2.0接口，既可以與其它設(shè)備實現(xiàn)串行通訊功能，還可以通過該接口實現(xiàn)程序的在線更新，給系統(tǒng)的調(diào)試和升級帶來極大的方便。
3.1 電解電流控制模塊
由于在庫侖滴定法中，硫的含量是對電解電流進(jìn)行積分的結(jié)果，因此對電解電流的合理控制和精確測量尤其重要。在測硫儀中，電解電流是根據(jù)電解電極電壓的測量結(jié)果進(jìn)行控制的。當(dāng)電解電極電壓超過平衡電壓時，開始啟動電解過程；通常情況下，電解電流與電解電極電壓成正比。由于電解電極電壓波動較大，也可對電解電流進(jìn)行分段控制。
從微處理器輸出的電解電流數(shù)據(jù)首先通過DAC0832及I-V變換電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓，然后輸入到電壓比較器的同相端；電壓比較器的反相端接采樣電阻R，構(gòu)成負(fù)反饋。當(dāng)采樣電阻R上的電壓降低于D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓時，電壓比較器的輸出為正，由場效應(yīng)管和三極管構(gòu)成的復(fù)合管導(dǎo)通，采樣電阻R上的電壓降增大；當(dāng)采樣電阻R上的電壓降高于D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓時，電壓比較器的輸出為負(fù)，復(fù)合管截止，采樣電阻R上的電壓降減小。由于這一過程是通過硬件自動進(jìn)行調(diào)節(jié)的，采樣電阻R上的電壓降波動極小，始終與D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓保持相等。從圖1可以看出，流過采樣電阻R的電流與流過電解池的電流是相等的，因此當(dāng)采樣電阻R保持恒定時，采樣電阻R上的電壓降與電解電流成正比，從而可以通過D／A轉(zhuǎn)換器對電解電流進(jìn)行控制。
由于DAC0832只有8位的轉(zhuǎn)換精度，并且存在一定的非線性，為了保證儀器的精度，電解電流的值不是直接根據(jù)微處理器送給DAC0832的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，而是采用12位的A／D轉(zhuǎn)換器MAX1247進(jìn)行測量，同時整個積分過程采用微處理器的定時器進(jìn)行控制，從而保證了電量積分環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確度。
3.2爐溫控制模塊
為了保證測量精度，在實驗過程中還必須對爐溫進(jìn)行精確的測量與控制。在測硫儀中，對爐溫的測量采用了熱電偶，并利用AD 590測量環(huán)境溫度，實現(xiàn)對熱電偶的冷端補償。
當(dāng)爐溫在1100℃以內(nèi)時，以2s為周期，采用70％占空比的PWM信號對燃燒爐進(jìn)行加溫；當(dāng)爐溫高于1 100℃時，為了避免加熱元件的頻繁通電和斷電損傷硅碳管壽命，對爐溫進(jìn)行PID控制，其比例、積分和微分系數(shù)分別為：
KP=2.45，KI=2.5，KD=1.25 (2)
在測試過程中，爐溫穩(wěn)定地保持在(1150±2)℃。
3.3數(shù)據(jù)采集模塊
在智能控制器中，需要完成電解電極電壓、電解電流、熱偶溫度、冷端溫度這4路信號的采集。采用12位串行A／D轉(zhuǎn)換器MAX1247來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，它內(nèi)含4通道模擬開關(guān)和采樣保持電路，可將4路模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給微控制器。
電解電極電壓的幅度一般在20mV～200mV之間，并且由于直接取自電解池，在送到A／D轉(zhuǎn)換器之前，先采用精密儀表放大器將其放大，再采用隔離放大器將其與電解池隔離。熱電偶的輸出電壓非常微弱，因此采用兩級精密放大器將其放大400倍后再送入A／D；AD590用于測量熱電偶的冷端溫度，需要采用10 kΩ的精密電阻將其輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號后再送入A／D；A／D轉(zhuǎn)換器的最后一路輸入信號來自采樣電阻R上的電壓降(與電解電流成正比)。
4 測試結(jié)果及精度分析
采用所設(shè)計的測硫儀分別對試樣1(標(biāo)準(zhǔn)含硫量為0.88％)和試樣2(標(biāo)準(zhǔn)含硫量為4.24％)進(jìn)行了10次測試，測試結(jié)果如表1和表2所示。
從表中可以看出，試樣1測試結(jié)果的最大誤差為0.02％，低于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的低硫煤(含硫量在1％以下)的誤差容限(0.05％)；試樣2測試結(jié)果的最大誤差為0.05％，也低于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高硫煤(含硫量在4％以上)的誤差容限(0.2％)。
5 結(jié)束語
庫侖法是一種常用的硫含量測量方法。在庫侖法中，硫含量根據(jù)電解電量的積分來確定。對基于USB接口的測硫儀的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，重點分析了儀器的數(shù)據(jù)采集模塊、電解電流控制模塊和爐溫控制模塊，并對測量精度進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，儀器的測量精度達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。