马弗炉又叫高温炉, 在测定煤炭灰分, 挥发分, 艾氏卡法全硫以及煤灰成分分析等试验中, 都要利用马弗炉进行加热灼烧试样和沉淀物, 因而它是煤质分析中不可缺少的基本加热设备。

马弗炉的结构通常分炉体和温度控制2个部分。炉体主要由外壳、保温层、炉膛和加热元件组成。炉膛由耐高温、传热系数小的碳化硅材料制成。炉膛内层开有通孔, 穿有加热元件——镍烙丝绕成的炉丝。炉丝能耐1080～1100℃的高温。为防炉丝熔断, 马弗炉的常用温度为900℃, 最高不超过1000℃。

马弗炉内的温度直接影响煤质分析结果的准确性, 所以炉温的准确控制对煤质分析结果具有十分重要的作用。目前马弗炉的控温设备普遍采用自动控温仪。但此类控温仪对温度的控制精度不够, 对马弗炉的热惯性控制不好。ATC温度控温系统根据GB212-2001的规定, 对慢灰、快灰、挥发分测定, 设计了特殊控制程序, 并设有自编自选程序。系统利用加速度超前控温功能, 对于棘手的大热惯性高温炉的时间滞后问题得到了很好地补偿效果。

1 系统功能特性
温度检测元件采用K型热电偶, 由单片机CPU、A/D芯片、SSR固态继电器等单元组成ATC温度自动控制系统。

(1) ATC控温仪采用插接件模块结构, 主程序、取数子程序、功能选择子程序、数据处理子程序、控制算法子程序均为独立模块。主程序完成仪器的全部功能。子程序完成各控制环节的A/D转换、取数、数据过滤、非线性校正、线性拟合、测速控速、慢灰、快灰、挥发分、自编等特定功能。

(2) 利用运算功能较强的单片机8032, 实现PID数据分段线性拟合等较为复杂的控制算法和数据处理。放大电路采用7650放大器作为热电势的自调零运算器, 该运算器运用斩波稳零原理工作, 输入阻抗大 (达1012Ω) 精度高低失调低漂移, 提高了系统控温精度。

(3) SSR固态继电器作为加热元件, 用PID处理过的数字量, 使负载对应电流的输出1～200个半波可调, 精确控制输出电流和电压。这样, 即达到精确控温的效果, 又避免了SSR全通或全关的冲击电流对炉丝寿命的影响。

(4) 利用加速度超前控制法, PID参数达到自整定。马弗炉热惯性表现为当电流突变时, 炉温变化要滞后, 一般为20s至1min。系统控温程序具有超前控制能力, 极好地解决了马弗炉的时间滞后问题, 使炉体温度很快达到要求。

(5) 系统设有断偶、超限及报警功能。试验过程要求对马弗炉的升温速度、保温时间进行分段控制, 各段时间的升温、降温、保温都要与设定值一致, 温度波动不得大于2～3℃。温度参数测定采用加速度超前控制+CPU的PID控制方法, 调节手段采用调节负载电流的控速方式, 实现对整个试验过程的自动控制。

2 工作原理
温度值经热电偶、冷端补偿器及放大器后变成0～2V的直流电压信号, 再经A/D转换进入单片机系统; CPU根据预定的算法得到经PID处理过的数字控制量, 驱动固态继电器使负载获得相应电流, 每当有信号输出时, 继电器导通, 加热炉供电加热。仪器电路原理框图如图1所示。它由8032、74LS373和27C256EPROM组成的最小系统构成, 利用高温炉的超前控制功能, 较好地解决了温升过冲或过低、温度值逐点校正、积分饱和现象等问题, 调整控速参数, 提高控温精度。