劉劍琴
一、引言
延長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用，是高爐穩(wěn)定運行、高效低耗的重要保證。 在高爐爐役期間，爐缸爐底的內襯侵蝕狀況直接反應在冷卻壁熱流強度上，熱流強度計算公式如下：
q=cMΔt/F （1）
式中： q —冷卻壁熱流強度， W/m2 ； c —水的質量熱容， J/ （ kg · ℃ ）； M —冷卻水流量， kg/s ； Δt — 冷卻壁進出水溫差， ℃ ； F —冷卻壁傳熱面積， m2 。
從式（ 1 ）可看出，除冷卻壁進出水溫差為變量外，其余系數(shù)一般為常數(shù)。 因此熱流強度檢測的核心在于水溫差的檢測，高精度冷卻壁水溫差在線檢測技術的應用對于高爐事故隱患的避免及長壽高產(chǎn)十分重要。
二、高爐熱流強度檢測分析系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)的硬件電路設計包括終端采集器及集中器模塊，基本電路有無線模塊電路、電源電路、溫度采集電路、電池電量狀態(tài)檢測電路、人機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)的無線采集。 主要系統(tǒng)性能指標如下：
（1）系統(tǒng)準確度與穩(wěn)定性較好，終端采集器溫度采集需達到 0.02℃ 的準確度。
（2）該系統(tǒng)于集中器段設置了液晶顯示、故障報警提示燈等功能，操作人員在現(xiàn)場及中控室均可實時查看水溫數(shù)據(jù)。
高爐熱流強度高精度檢測分析系統(tǒng)具體性能指標如表 1 所示。
高爐冷卻壁熱流強度的高精度檢測與設計核心部分采用無線測溫終端采集溫度數(shù)據(jù)， 所以無線測溫終端采集器是設計的終端，無線模塊采用 CC1110 芯片。
CC1110 硬件設計如圖 1 所示， 工作在 433MHz 的ISM （工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻率波段，最大輸出功率為
10dBm ，當配置為最大輸出功率時，典型電流消耗為33mA ，接收靈敏度可達 -110dBm ，是一種真正的低成本無線 SoC 。 可配置為多個低功耗運行模式，在休眠模式下電流僅 0.5μA ，待機模式下低于 0.3μA ，專為低功耗無線應用設計。
系統(tǒng)溫度采集部分的 A/D 轉換電路由 PT1000 鉑電阻構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、高爐熱流強度檢測分析系統(tǒng)軟件
高爐熱流強度檢測分析系統(tǒng)軟件設計主要包括終端采集器的軟件設計和集中器的軟件設計。 達到模塊程序的低功耗、協(xié)議架構的自組網(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 頻段無線通信及集中器模塊與上位機之間基于 RS485 接口的 MODBUS 通信協(xié)議。 軟件系統(tǒng)基于 SimpliciTI 網(wǎng)絡協(xié)議結構，采用結構化設計。
終端采集器軟件設計根本內容是溫度數(shù)據(jù)的采集、電池電源電量的檢測以及無線信號傳輸，核心是熱流強度的檢測和監(jiān)控。
終端采集器上電后經(jīng)過系統(tǒng)初始化， 請求加入集中器構建的網(wǎng)絡，如果加入成功，則以一定周期進行溫度和電源數(shù)據(jù)的采集轉換并向集中器發(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 換 芯 片AD7799 完成。 系統(tǒng)利用單片機對其各參數(shù)進行配置并選用差分輸入通道 AIN1+ 、 AIN1- 對信號進行采樣。
由于轉換完成以后的 AD 數(shù)據(jù)有 24 位，最低的 8 位實際為溫度數(shù)據(jù)小數(shù)點后面的第 4 位及以后的數(shù)據(jù)， 跳變很大，而且準確度只要求達到 ±0.02℃ ，分辨力只需達到 0.005℃ ， 故在每次數(shù)據(jù)轉換完成以后省略 AD 值的低 8 位數(shù)據(jù)，只保留 16 位轉換結果數(shù)據(jù)。
四、實驗測試
測溫準確度是系統(tǒng)設計的核心，因而標定是整個設計步驟重要的一個部分，設計主要從芯片的選型以及硬件電路的設計上保證測溫準確度。 本次調試采用FLUKE 公司高穩(wěn)定性的恒溫槽以及高精度的測溫儀表 1551A EX （以下簡稱“ 1551A ”）進行溫度的標定。 恒溫槽中的介質為水。
系統(tǒng)標定是將終端采集器與 1551A 一起放入恒溫槽內，共選擇了 15℃~70℃ 之間的 12 個點，恒溫槽分別加熱到相應溫度， 記錄 1551A 及終端采集器測量溫度值及相應的 AD 值（見表 2），然后將數(shù)據(jù)進行擬合，生成的參數(shù)寫入終端設備程序。
根據(jù)所測數(shù)據(jù)，以測量溫度的 AD 值為 x 軸，以放大 1000 倍的標準溫度為 y 軸， 通過 Matlab 進行曲線擬合，其計算關系如圖 2 所示，擬合關系式為式（ 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 倍的標準溫度； X ad — 測量溫度的 AD 值。 將式 （ 2 ） 上面的 3 個參數(shù)［ 0.0000012.8181-764.6517 ］ 寫入溫度轉換程序進行修正后，重新設定如表 2 中各標準溫度值進行驗證， 然后將標準溫度與測量溫度在 Matlab 中作差值處理。
由圖（3）可知，經(jīng)過曲線擬合后的終端設備測溫準確度能夠達到 ±0.02℃ ，符合系統(tǒng)設計及實際使用要求。 本次終端設備主要使用于高爐爐缸部位，其溫度一般在 40℃~45℃ 之間， 而儀表在此范圍內基本能夠保證在 ±0.01℃ 之間，能夠為高爐生產(chǎn)過程中熱流強度的計算提供準確的數(shù)值。
溫度標定時， 0℃ 的 AD 值約為 495 ， 70℃ 對應的 AD值為 24951 ，通過計算得相應差值：
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
通過與某公司合作的產(chǎn)學研項目， 高爐冷卻壁的熱流強度高精度檢測系統(tǒng)運行很成功， 主要是研制了終端采集器和集中器，系統(tǒng)測試運行周期為 60 天。 周期內有 1 個終端采集器由于安裝操作的原因導致故障，其余終端設備及集中器未出現(xiàn)死機及掉線情況。
測試過程中通過集中器的菜單選項，利用方便的人機畫面對各終端采集器信息進行查詢，主要查詢各節(jié)點的電池電量及信號強度信息。 測試結果表明，高精度檢測儀表設計運行較為成功。