刘剑琴

一、引言

延长高炉寿命可以有效提高高炉生产效率，降低高炉维修和大修的巨额费用，是高炉稳定运行、高效低耗的重要保证。 在高炉炉役期间，炉缸炉底的内衬侵蚀状况直接反应在冷却壁热流强度上，热流强度计算公式如下：

q=cMΔt/F                          （1）

式中： q —冷却壁热流强度， W/m² ； c —水的质量热容， J/ （ kg · ℃ ）； M —冷却水流量， kg/s ； Δt — 冷却壁进出水温差， ℃ ； F —冷却壁传热面积， m² 。

从式（ 1 ）可看出，除冷却壁进出水温差为变量外，其余系数一般为常数。 因此热流强度检测的核心在于水温差的检测，高精度冷却壁水温差在线检测技术的应用对于高炉事故隐患的避免及长寿高产十分重要。

二、高炉热流强度检测分析系统硬件设计

系统的硬件电路设计包括终端采集器及集中器模块，基本电路有无线模块电路、电源电路、温度采集电路、电池电量状态检测电路、人机交互画面显示及控制电路、通信状态显示电路以及 RS-485 电路。 核心是完成温度数据的无线采集。 主要系统性能指标如下：

（1）系统准确度与稳定性较好，终端采集器温度采集需达到 0.02℃ 的准确度。

（2）该系统于集中器段设置了液晶显示、故障报警提示灯等功能，操作人员在现场及中控室均可实时查看水温数据。

高炉热流强度高精度检测分析系统具体性能指标如表 1 所示。

高炉冷却壁热流强度的高精度检测与设计核心部分采用无线测温终端采集温度数据， 所以无线测温终端采集器是设计的终端，无线模块采用 CC1110 芯片。

CC1110 硬件设计如图 1 所示， 工作在 433MHz 的ISM （工业、科学和医学）频率波段，最大输出功率为

10dBm ，当配置为最大输出功率时，典型电流消耗为33mA ，接收灵敏度可达 -110dBm ，是一种真正的低成本无线 SoC 。 可配置为多个低功耗运行模式，在休眠模式下电流仅 0.5μA ，待机模式下低于 0.3μA ，专为低功耗无线应用设计。

系统温度采集部分的 A/D 转换电路由 PT1000 铂电阻构成的三线制电桥电路以及 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、高炉热流强度检测分析系统软件

高炉热流强度检测分析系统软件设计主要包括终端采集器的软件设计和集中器的软件设计。 达到模块程序的低功耗、协议架构的自组网要求。系统有两层通信，即终端采集器模块与集中器模块之间的 433M 频段无线通信及集中器模块与上位机之间基于 RS485 接口的 MODBUS 通信协议。 软件系统基于 SimpliciTI 网络协议结构，采用结构化设计。

终端采集器软件设计根本内容是温度数据的采集、电池电源电量的检测以及无线信号传输，核心是热流强度的检测和监控。

终端采集器上电后经过系统初始化， 请求加入集中器构建的网络，如果加入成功，则以一定周期进行温度和电源数据的采集转换并向集中器发送通信数据。

温 度 数 据 采 集 由 24 位 高 精 度 模 数 转 换 芯 片AD7799 完成。 系统利用单片机对其各参数进行配置并选用差分输入通道 AIN1+ 、 AIN1- 对信号进行采样。

由于转换完成以后的 AD 数据有 24 位，最低的 8 位实际为温度数据小数点后面的第 4 位及以后的数据， 跳变很大，而且准确度只要求达到 ±0.02℃ ，分辨力只需达到 0.005℃ ， 故在每次数据转换完成以后省略 AD 值的低 8 位数据，只保留 16 位转换结果数据。

四、实验测试

测温准确度是系统设计的核心，因而标定是整个设计步骤重要的一个部分，设计主要从芯片的选型以及硬件电路的设计上保证测温准确度。 本次调试采用FLUKE 公司高稳定性的恒温槽以及高精度的测温仪表 1551A EX （以下简称“ 1551A ”）进行温度的标定。 恒温槽中的介质为水。

系统标定是将终端采集器与 1551A 一起放入恒温槽内，共选择了 15℃~70℃ 之间的 12 个点，恒温槽分别加热到相应温度， 记录 1551A 及终端采集器测量温度值及相应的 AD 值（见表 2），然后将数据进行拟合，生成的参数写入终端设备程序。

根据所测数据，以测量温度的 AD 值为 x 轴，以放大 1000 倍的标准温度为 y 轴， 通过 Matlab 进行曲线拟合，其计算关系如图 2 所示，拟合关系式为式（ 2 ）。 由图2 和式（ 2 ）可知，温度和 AD 值呈高度的线性关系。

Y _t =0.000001X ² _ad +2.8181X _ad -764.6517%%R ² =0.9984     （2）

式中： Y _t —放大 1000 倍的标准温度； X _ad — 测量温度的 AD 值。 将式 （ 2 ） 上面的 3 个参数［ 0.0000012.8181-764.6517 ］ 写入温度转换程序进行修正后，重新设定如表 2 中各标准温度值进行验证， 然后将标准温度与测量温度在 Matlab 中作差值处理。

由图（3）可知，经过曲线拟合后的终端设备测温准确度能够达到 ±0.02℃ ，符合系统设计及实际使用要求。 本次终端设备主要使用于高炉炉缸部位，其温度一般在 40℃~45℃ 之间， 而仪表在此范围内基本能够保证在 ±0.01℃ 之间，能够为高炉生产过程中热流强度的计算提供准确的数值。

温度标定时， 0℃ 的 AD 值约为 495 ， 70℃ 对应的 AD值为 24951 ，通过计算得相应差值：

70/24956-495=0.00286       （3）

由此得知，系统满足 0.005℃ 的温度分辨力。

四、小结

通过与某公司合作的产学研项目， 高炉冷却壁的热流强度高精度检测系统运行很成功， 主要是研制了终端采集器和集中器，系统测试运行周期为 60 天。 周期内有 1 个终端采集器由于安装操作的原因导致故障，其余终端设备及集中器未出现死机及掉线情况。

测试过程中通过集中器的菜单选项，利用方便的人机画面对各终端采集器信息进行查询，主要查询各节点的电池电量及信号强度信息。 测试结果表明，高精度检测仪表设计运行较为成功。