维普资讯 http://www.cqvip.com 储氢合金的压力一组成一温度关系测试仪的优化陈通进,等 储氢合金的压力一组成一温度关系测试仪的优化 Optimization of Measuring Apparatus for Pressure--composition--temperature Relationship in Hydrogen Storage Alloys 陈通(苎 关 铹 钦 佩 李言林 余学双 毛建镥 簧饮 徐 砍 (中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050) 摘要:随着储氢合金在能源领域中的应用日益广泛,对测试仪精确性和稳定性的要求更高。针对精确稳定的要求提出了测试仪的 优化方案,通过采用内有集成16位分辨率ADC的控制器ADIxC848和2.5 V外部基准电源等措施来提高数据采集精度和工作稳定 度。简述了基于实际气体状态方程的测试原理和结构,同时详细描述了控制器性能、K型热电偶电路、硬件组成关系和软件流程。经 过优化的测试仪实验运行,表明它可以精确可靠地进行储氢合金性能测试。 关键词:储氢合金ADt ̄C848控制器PCT测试K型热电偶数据采集 中图分类号:TH81 文献标志码:B Abstract:As the hydrogen storage alloys have been used in wider energy field,pressure—composition—temperature(PCT)measurement appara- tus is required to be more accurate and more reliable.Aiming at this target,the optimized strategy for PCT apparatus is proposed.The accuracy of data acquisition and stability of operation have been enhanced by adopting 2.5 V external reference voltage,and ADt ̄C848 controHer,in which 16一bit resolution ADC is integrated.The measuring principle based on gas state equation as well as the structure of device are described briefly In addition,the performance of controller,K—type thermocouple circuit,hardware configuration and software lfowchart are expounded in detail.The experimental operation of this optimized apparatus indicates that reliable test of full performance of hydrogen storage alloys Call be implemented with this device Keywords:Hydrogen storage alloy ADIxC848 controller PCT measurement K-type thermocouple Data acquisition O 引言 根据采集到的压力变化,控制相应的电磁阀工作,使适 量的氢气传送到反应室;在吸氢结束后,根据吸氢前后 LaNi 、TiFe、Mg Ni等储氢合金,作为一种能源材 的压力、体积和温度。可知氢气物质的量的变化,得出 料,由于具有无污染和运输安全等特点,在镍氢电池和 储氢合金的吸氢量。在吸氢达到饱和状态之后并且在 燃料电池汽车领域已经展现出巨大的应用前景。储氢 放氢之前的这段状态为平衡状态,在平衡状态时,首先 合金的PCT曲线是表征合金的平衡压力、吸氢量和温 关闭进气口,打开反应室,排放氢气到多通管和控制 度之间的定量关系曲线,其平台压力、平台宽度与倾斜 室,这样可测出储氢合金具体的放氢量 。 度、平台起始浓度和滞后效应是常规鉴定储氢合金吸 在测试中计算氢气物质的量采用氢气的实际气 放氢性能的主要指标,又是探索新的储氢合金的依 体状态方程,在0~400℃温度和0.1~10 MPa压力 据¨ 。所以储氢合金PCT测试仪在储氢合金吸放氢的 范围时,采用实际气体状态方程的结果比理想气体 研究中应用十分广泛。在我所原有PCT测试仪的基础 状态方程要准确6%左右 。氢气的实际气体状态 上,通过采用ADI ̄C848、光耦和AD595等相关器件和处 方程为: 理电路,改进研制了新型PCT测试仪,增强了仪器的智 能化和性能,同时仪器的可靠性也相应提高,更加符合 n 。(p, )= 巳! ; × (1) 了储氢合金数据精确性和测试稳定的要求。 式中:Z(p, ):1+[。 +6 + ] ;。: JLg 1测试原理和结构 一17.13 642 X 10一 in K;b=23.38 904 X 10一’in K;c= 在测试吸氢性能之前,进气口放进适量氢气,然后 8.95 336 X 10一。 在一定体积 的反应容器中,根据P和 可得氢 修改稿收到日期:2007—03—02。 第一作者陈通进。男,1977年生,现为中国科学院上海微系统与信息 气实际的量的变化,依此可知氢在合金中的质量比。 技术研究所在读硕士研究生;主要研究方向是贮氢装置。 PCT测试仪系统的整体结构如图1所示,采用了7个 70 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.29 No.2 February 2008 维普资讯 http://www.cqvip.com 储氢合金的压力一组成一温度关系测试仪的优化陈通进,等 电磁阀V。~V ,3个压力变送器P。~P ,2个压力开关 s。~s ,和1个K型热电偶。储氢罐通过阀门V。进气 至反应室过程中经过多通管,并含有1个温度传感器, 硬件电路PCB通过RS.232与上位机相连。整个系统 还有功能扩展的空间。 2硬件组成 整个硬件电路包括控制器、继电器、数据采集、调理 电路以及开关电源等部分。控制器采用ADIxC848芯片, 通过继电器控制阀门和压力开关,控制器与继电器之间 用光耦隔离,并加驱动器件。压力变送器和温度采集数据 经调理电路传送至控制器,压力同时送至显示面板。 代表与控制PCB的电气连接 2.1控制器 采用美国ADI公司一款具有较高性价比的模拟 Fig.1 Structure of test system 控制器ADI.zC848,其结构如图2所示。 重巨 皇皇 g 警 置 盆盆盆盆盆盆盆盆自盆自自自自自 《《 暑 ; ; 箸 ; 罟 善 暑 暑 : 譬 当 三 竺 室重量莲善藿垂l喜直I墓I墓言亳≥ I堇I喜 ;l AD ̄tC848 AINl 圳: AIN H控 正I l分H )-1 Mc AIN4 A/D转换 AIN 模拟开关 嚣 AIN6(L0 、r一~一PWMo 开 关 PWM‘ AIN, PWMCLK 一一一一一一一一AINs AINCOM/DAC 基准电压l带隙 l I程序寄存器 I 62k字节 ,L l6位计数 REnN。 ,定时器 外部参考 电源探测 IEXCI ̄ IEXC2 SPIJ[ ̄线接口ll I c总线接口ll晶振 复位 串口H !! 少弋§卜 ! l 2 吞呈Iv H 詈 暑 苫 器 图2 52一MQFP封装的ADtxC848内部功能结构图 Fig.2 Interior functional structure of 52一MQFP packed AD ̄C848 ADIxC848的特点主要有: ②52一MQFP封装的ADIxC848集成有8通道16位 ①片内集成有62 k字节Flash/EE程序存储空 分辨率的ADC,可设置成4种工作方式,也拥有12位 间,4 k字节Flash/EE数据存储空间,2 304字节RAM, 电压输出DAC。 有三级程序存储加密模式,防止非法拷贝程序,程序存 ③具有最高频率为12.58 MHz的片内可编程锁 储空间还可以配置成60 k字节的非易失数据存储区。 相环PLL。 《自动化仪表》第29卷第2期2008年2月 71 维普资讯 http://www.cqvip.com 储氢合金的压力一组成一温度关系测试仪的优化陈通进。等 可以输出电流与绝对温度成正比的电流。温度0℃时 ④中断源达到11个,有两个优先级别。 ⑤时间间隔计数器可计时间长,由于时间间隔计 数器是根据片外32.768 kHz晶振工作,可计时间可长 达255 h;而标准8051单片机中的定时/计数器由于根 输出电流为273.2 A,温度每变化1 K,输出电流变化 1 。AD590使用+5 V代替+15 V电源可以降低其消 耗的功率,减小温升,从而减小温度误差。AD590的输 据内核工作时钟频率工作,计时/计数值都很小。 ⑥与片外配有UART、SPI和I c串行I/O接口, 看门狗定时器和电源监视器。 出电流通过电位器变为电压信号,再进行采集。 反应室的温度由K型热电偶测量,计算的温度范 围为0~600℃。K型热电偶的冷端补偿和放大部分 采用AD595芯片,AD595是K型热电偶的专用集成电 路,输出电压 与温度关系为10 mV/K,电路连接如 ⑦不需要任何硬件仿真器就可以通过串口实现 在线调试和高速下载。 由于这些特点,适合用于工业和仪器应用中要求 图3所示。该电路连接简单,只要把AD595的第1和 精确测量宽动态低频信号的应用场所。 第14脚分别接到热电偶正负级,就可以进行冷端的温 AD1 ̄C848的供电部分分为模拟电源和数字电源 度补偿和热电动势的放大。为使冷端补偿充分精确, 两部分。对模拟电源部分的供电要求更高,所以在模 在PCB上在第1和第14脚布置对称的粗铜导线,尽量 拟电源AV。。输入端加上10 V的电解电容和0.1 F的 减小瞬态热的影响。第12脚连接PNP三极管和 瓷片电容。模拟电源AV。 和数字电源DV。。可以由同 LED,组成断线检测电路。AD595输出电压经电压调 一个电源供电,为防止DV。。干扰AVnD,之间加上磁珠 理电路送至控制器。AD595的输出电压可以表示为: 和1 n的电阻,DGND和AGND共地。 Vo=( +11 mV)×247.3 (2) 2.2隔离和执行部分 式中: 为AD595的输出电压,nlV; 为K型热电偶 为了提高系统的抗干扰性,采用光耦器件TLP51—4 的输出电压,mV。 隔离控制器和继电器。读取阀门状态也采用同样的隔 +1 V 离。采用带OC门的反向驱动器7406,连接继电器工 作,7406高电平输出时可输出高达30 V电压,其最大 允许拉电流,oH为0.25 mA,最大允许灌电流, 为 40 mA。电磁阀选用德国Burkert公司0255型直动式 柱塞电磁阀,适用于高温高压,最高压力10 MPa。除 了在PC机上自动控制电磁阀之外,也可以在面板上 手动开关电磁阀,每个阀门的状态可在计算机应用程 图3 K型热电偶的基准补偿和放大电路 序中显示。 Fig.3 Reference compensation and amplifying 2.3数据采集部分 circuit of K—type thermocouple 对数据采集AD1 ̄C848可提供1.25 V内部参考电 2.4开关电源 源,一般是在对输出精度要求不高的情况下使用。为 采用-4-15 V直流电源,需要有足够大的功率,最 了扩大采集范围和保证精确度,采用2.5 V外部基准 大输出功率选为100 W,负载调整率3%,噪声和纹波 电源。为此选用ADR421电源基准芯片,其工作稳压 电压小于100 mV,效率>70%。有过载保护/短路保 变化量△ 为50×10~/1 000 h。 护功能,另加风扇降温。电路中需要的+5 V电压通 AD1 ̄C848内部ADC属于 一△型,包含缓冲器、 过78L05转换。对压力变送器24 V供电,采用DC—DC 程控增益放大器和数字滤波功能,有了缓冲器可以有 电压转换器.可以有效减小电源间的相互干扰。 效解决信号源阻抗问题,这样可以在模拟量输入端放 置RC电路解决噪声和射频干扰。如果关闭内部缓冲 3软件设计 功能,外部不当的RC电路可能引起ADC错误,甚至 单片机程序使用c语言编写,用Keil.C51调试和 可能会影响整个控制器的正常工作。 编译,主程序主要检测命令控制字,从而调用对应的子 压力测量采用宝鸡秦岭传感器厂生产的DBY300 程序,其流程如图4所示。 压阻式压力变送器,精度等级为0.2,24 V供电。多通管 中断处理程序包括0.5 s计时器中断处理程序和 的温度测量采用ADS90,AD590是ADI公司生产的电流 接收上位机数据中断处理程序。在0.5 s计时器中断 型PN结集成温度传感器,只需接上4~30 V的电源,就 处理程序的工作有AD口采样和发送当前状态数据; 72 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1.29 No.2 Febnlary 2008 维普资讯 http://www.cqvip.com 储氢合金的压力一组成一温度关系测试仪的优化陈通进。等 则置状态为寿命测试模式,并接收后续的17个字节的 丝些:主——一 ———寿命测试参数数据;若A为“0”或…1’或“2”或“3”或 延时 =“4”或“5”或“6”则置相对应的阀门的改变位,并置状 要阀门操作? == === 阀门操作子程序 === 态为阀门操作。 二===r——一 计算机应用程序使用Visual C++软件开发,图 系统测试子程序 二===丁_——一 形界面友好,采集的数据通过RS-232串口以9 600 bps \ 自动PCI测试 自动PCT测试子程序 的波特率传送到计算机,计算机串口接收响应中断事 ===二r——一 ^、 件。计算机应用程序可以进行数据的保存、分析和曲线 吸放氢测试’ 吸放氢测试子程序 ==二= ——一 的显示。Pc机通过发送校正参数和命令,可进行相关 寿命测试子程序 校准、系统测试、故障诊断和自动PCT测试等功能操作。 4结束语 图4主程序流程图 系统经过调试,达到了监控的效果,能自动测试多种 Fig.4 Flowcha ̄of main program 储氢合金的PCT曲线。采用计算机控制的PCT测试仪, 接收上位机数据中断处理程序主要是响应上位机的命 可以重复可靠地进行测试工作,不仅减轻了手工操作的 令控制字,根据当前的测试模式和接收到的命令控制 强度,同时也提高了测试的精确度,还可以进行吸放氢的 字来设置相应的状态位。命令控制字存入变量A,若 循环寿命测试,成为储氢合金性能研究的有效仪器。 当前是“系统测试”或“自动PCT测试”或“吸放氢测 参考文献 试”或“寿命测试”模式且A为“e”,则置结束当前步 [1]丁福臣,易玉峰.制氢储氢技术[M].北京:化学工业出版社, 骤位为1;若当前是“系统测试”或“自动PCT测试”或 2006:252. “吸放氢测试”或“寿命测试”模式且A为“E”则置结 [2]陈金舟,吴铸,黄太仲,等.稀土储氢合金测试的自动控制系统 束当前功能位为1;若A为“T”则置状态为系统测试 设计[J].自动化仪表,2004,25(12):26—27,34. [3]KAPISCHKE J,HAPKE J.Measurement of the pressure-composi- 模式;若A为“G”则置状态为自动PCT测试模式,并 tion isotherms of high-temperature and low-temperature metal 接收自动PCT参数数据;若A为“g”则置状态为吸放 hydrides[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1998,18 氢测试模式,并接收吸放氢测试参数数据;若A为“S” (1):70—81. (上接第69页) 断点测定的难题,将有力推动相关行业的快速发展;③ 0.925%没有超过1%,表明该系统测试精度较高。产 通过高性能单片机及软硬件的配合可以达到所需要 生误差的原因是多方面的,但主要原因是由于电缆传 求;④装置的体积小,方便实用。 输中的回波损耗及噪声,以及单片机处理速度的影响, 参考文献 使检测精度受到了一定的限制。 [1]蔡美琴,张为民,沈新群,等.MCS-51系列单片机系统及其应用 [M].北京:高等教育出版社,2001:124—125. 5结束语 [2]马天兵,杨洪涛,赵春轩.基于89C52对电缆断点的测定系统设 该测距系统的优点主要体现在:①结构简单,整个 计[J].电气应用,2005,24(8):82. 装置采用的都是常见的电子器件,容易形成产品,且价 [3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].3版.北京:高等教育 出版社,2006:9—17. 格便宜;②设计采用的方法原理简单易行,自动化、智 [4]侯建军.数字电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2003: 能化的工作过程可大大减少人的工作量,测量结果准 73—86. 确度高,对温度、适度等环境指标要求不高,环境适应 [5]刘法治,赵明富,宁鹏达.基于单片机的汽车多功能报警系统设 性强,该装置系统应用于生产实践中,可有效解决电缆 计[J].自动化仪表,2005,26(8):l4一l5. .’ ’’’’’’’’’’’’’’’’ 一 ,, 、、 _ 2《自动化仪表》 邮发代号:4—304,2o08年定价:&0o元,全年价:96.0o元;国外代号:M 721: ^ ^ _ 欢迎赐籀, 欢迎 囱,欢迎室黄建钽,欢迎喜 各垂广告i tIIIIIIIIIIIIIItI IIIIIIIItIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIItIIIIIIIIIIII‘ 《自动化仪表》第29卷第2期2008年2月 73