本实用新型涉及测控系统，尤其涉及一种甲醇重整制氢反应器的测控系统。
背景技术：
甲醇重整制氢是一个涉及到复杂化学反应的过程。一直以来,这方面的学术研究主要以化工、化学、新能源、热能等学科领域的科研人员为主，研究内容多集中在催化剂、材料、工艺等方面，对重整制氢过程中所需的各种测控基本上是以手动调节为主。但是，要想使甲醇重整制氢技术在现实生活中广泛推广和普遍采用，靠手动调节装置显然是不科学的，也是不现实的，因为手动调节不仅繁琐易出错、准确度也难以保证，而且需要相关精湛的技术基础和丰富的经验才有可能做到。因此甲醇重整过程的自动测控实现是在实际应用重整制氢技术中必须要解决的首要问题。
然而，实现这一过程的有效精准检测和控制并非易事。由于事先无法准确了解重整反应器内的反应状况，而且化学反应在不同条件下会因工况、环境、催化剂活性的不同参数会发生变化，这种变化往往毫无规律或者规律很难掌握，模型的经常性变化为检测和控制带来了巨大的困难，从控制科学的角度来看，甲醇重整制氢过程就是一个多变量的参变、多输入多输出、非线性的复杂系统。因此就控制系统而言，甲醇制氢重整过程就像是一个黑闸子，只能依靠有限的输出信息对其实施有效控制。
再者，由于现代采用的氢燃料电池技术中阳极输入端对气体压力有一定的要求，频繁的大幅度调动会影响到氢燃料电池的寿命，甚至引发故障。因此，在氢气生产端需要保证供氢量不发生大幅度的调动，从检测和控制角度看，也希望变负荷的动态过程中氢产量不会出现大的波动。上述这个条件在一定程度上也增加了自动检测和自动控制的难度。
因此，如何提供一种适用于甲醇重整制氢反应器的测控系统是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种甲醇重整制氢反应器的测控系统。
本实用新型提供了一种甲醇重整制氢反应器的测控系统，包括甲醇重整制氢反应器、温度控制模块、流量控制模块、压力检测模块、数据采集卡和上位机，所述上位机与所述流量控制模块连接，所述上位机通过数据采集卡分别与所述温度控制模块、压力检测模块连接，所述温度控制模块、流量控制模块、压力检测模块分别与所述甲醇重整制氢反应器连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述流量控制模块包括质量流量控制器和注射泵，所述上位机通过RS485串口总线分别与所述质量流量控制器、注射泵连接，所述质量流量控制器的气体流量输出口、注射泵的液体流量输出口分别与所述甲醇重整制氢反应器连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述压力检测模块包括压力变送器和压力传感器，所述压力传感器设置在所述甲醇重整制氢反应器上，所述压力传感器通过所述压力变送器与所述数据采集卡连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述温度控制模块包括加热装置和温度测量模块，所述数据采集卡的数字输出端与所述加热装置连接，所述加热装置与所述甲醇重整制氢反应器连接，所述温度测量模块设置在所述甲醇重整制氢反应器上，所述温度测量模块的输出端与所述数据采集卡连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述加热装置包括固态继电器和加热棒，所述数据采集卡的数字输出端与所述固态继电器连接，所述固态继电器通过控制开关与所述加热棒连接，所述加热棒设置在所述甲醇重整制氢反应器上。
作为本实用新型的进一步改进，所述温度测量模块包括热电偶和变送器，所述热电偶设置在所述甲醇重整制氢反应器的内部，所述热电偶通过变送器与所述数据采集卡的模拟输入端连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述上位机为计算机，所述计算机连接有显示器、处理器和存储器。
本实用新型的有益效果是：通过上述方案，实现了对甲醇重整制氢反应器的温度、压力、浓度的自动测控。
附图说明
图1是本实用新型一种甲醇重整制氢反应器的测控系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，一种甲醇重整制氢反应器的测控系统，包括甲醇重整制氢反应器14、温度控制模块、流量控制模块、压力检测模块、数据采集卡5和上位机，所述上位机与所述流量控制模块连接，所述上位机通过数据采集卡5分别与所述温度控制模块、压力检测模块连接，所述温度控制模块、流量控制模块、压力检测模块分别与所述甲醇重整制氢反应器14连接。
如图1所示，所述流量控制模块包括质量流量控制器6和注射泵7，所述上位机通过RS485串口总线分别与所述质量流量控制器6、注射泵7连接，所述质量流量控制器6的气体流量输出口、注射泵7的液体流量输出口分别与所述甲醇重整制氢反应器14连接。
如图1所示，所述压力检测模块包括压力变送器12和压力传感器13，所述压力传感器13设置在所述甲醇重整制氢反应器14上，所述压力传感器13通过所述压力变送器12与所述数据采集卡5连接。
如图1所示，所述温度控制模块包括加热装置和温度测量模块，所述数据采集卡5的数字输出端与所述加热装置连接，所述加热装置与所述甲醇重整制氢反应器14连接，所述温度测量模块设置在所述甲醇重整制氢反应器14上，所述温度测量模块的输出端与所述数据采集卡5连接。
如图1所示，所述加热装置包括固态继电器8和加热棒9，所述数据采集卡5的数字输出端与所述固态继电器8连接，所述固态继电器8通过控制开关与所述加热棒9连接，所述加热棒9设置在所述甲醇重整制氢反应器14上。
如图1所示，所述温度测量模块包括热电偶11和变送器10，所述热电偶11设置在所述甲醇重整制氢反应器14的内部，所述热电偶11通过变送器10与所述数据采集卡5的模拟输入端连接。
如图1所示，所述上位机为计算机4，所述计算机4连接有显示器1、处理器2和存储器3。
如图1所示，温度控制模块的工作原理为：通过采用热电偶11对甲醇重整制氢反应器14的蒸发器和反应器的内部温度进行测量，热电偶信号经过调理之后经数据采集卡5模拟输入通道输入到上位机并在显示器1中实时显示。同时上位机按照温度设定值和当前值的差值运算得到对应脉冲宽度调制技术（PWM）控制信号的占空比，并通过数据采集卡5数字输出通道输出该PWM信号用来控制固态继电器8的通断，从而达到开关控制加热棒9的实际功率的目的，最终实现甲醇重整制氢反应器14的温度控制。
如图1所示，流量控制模块的工作原理为：该模块包括还原气体流量质量控制和液体燃料流量控制。气体流量质量控制采取软件控制流量控制器的方式来实现。计算机4通过RS485串口总线与流量质量控制器6进行实时通讯，它根据流量的设定值把控制信号实时传输给流量质量控制器6从而控制阀门的开口大小，实现流量的有效控制目的。重整反应所需的液体燃料采取注射泵7供给方式。它的原理是通过丝杠传动把步进电机的旋转运动转化为直线运动。计算机4通过RS485串口总线与注射泵7进行通讯，信号经过内部电路数字转化后驱动步进电机转动，从而实现微小液体流量的有效、稳定供给。
如图1所示，压力检测模块的工作原理为：该模块用于重整反应进行过程中实时压力监测，确保重整反应安全有序进行。由于醇类（包括其他碳氢液态燃料）重整制氢反应的进行过程对压力没有特别的要求，在常压下即可进行，因此，无需对反应器中的压力进行控制。仅需对压力进行实时监测，一旦压力值超过安全值，就发出警报，并强制终止重整反应进行。
计算机4的主控芯片采用AT89C51，其片内结构主要有256字节的片内RAM、20KFlash存储器，4个8位双向可寻址I/O接口，1个全双工UART（通用异步收发传输器）的串行接口、3个16位的定位器/计数器、多个优先的嵌套中断结构，以及一个片内振荡器和时钟电路。
数据采集卡5选用USB-6259 BNC多功能数据采集卡。该数据采集卡5可以进行8个测试量程的设置，最大量程为-10V～10V,最小量程为-100mV～100mV。板卡自带定时时钟，可同时进行16路模拟信号数据采集,完全可满足温度信号数据采集的需求。同时采集卡还提供了48路I/O通道,且兼容TTL逻辑电平,可控制固态继电器8通断。
由于在本反应器系统中最高温度可超过1000℃，温度测量模块采用数字输出型的K型热电偶信号处理集成芯片MAX6672，其测温范围0～1023.75℃。该芯片主要优点有：温度数据通过SPI串行外设接口传送到单片机，再将K型热电偶的输出热电势数字转换为12位的温度数值，分辨率可达0.25℃。最后经激光内部修正，其转换结果与对应温度值之间具有良好的线性关系：温度数值=（1023.75/4095）×转换后数值。
根据实际需要，温度检测点应不少于6路，因此此装置中又扩展了2个CD4051单8通道多路选择器，用于实现温度选通的输入，信号输入后经过MAX6672的放大、线性化处理以及模数转换之后传输到单片机。如果需要实现多点温度测量，可采取虚拟串口技术，通过片选引脚CS达到多片轮流选通目的。
水醇液体流量的测量与控制采取水泵流量与玻璃转子流量计控制相结合的方式。转子流量计可实现液体流量的精确检测，通过PWM（脉冲宽度调制）方式控制水泵电压来实现流量的大小调节目的。本实用新型中PWM的产生是直接利用了8253芯片的可编程定时/计数器功能。8253内有计数器0～2等三个彼此独立的计数通道，每个通道又可通过编程设置为方式0～5等六种不同的工作方式。本流量信号测控系统中使用的是方式2方波产生工作方式。其Gate0～2三个引脚在电路中均接高电平，利用CPU直接向其寄存器写入初值，完成PWM方波产生。
甲醇重整制氢反应器14的反应产物通过系统可以传输到相关的燃料电池和其他移动氢源（如车载氢源），为了确保系统内各功能结构安全可靠，设计H2/CO测漏电路检测气体浓度，如果浓度超过预设的警戒线，则报警提示。在本测控通道中选用对气体灵敏度高、可抗醇类蒸汽的 MQ-6半导体式气体传感器，其测量范围50～10000ppm，灵敏度1000/500ppm，输出电压设为0.5～5V。电路中采用一款单通道10位A/D转换器TLC1549。与H2/CO传感器的测量范围和灵敏度有关，所选A/D转换器位数应比最低分辨率的精度高一位。以氢气的测量为例，假设其精度要求25ppm，则其所要求的分级数计算为：（10000-50）/25=398，而所选用的TLC1549位数为10，则210=1024>398，故所选的精度25ppm符合要求。
以单片微控制模块为核心的嵌入式控制系统需要解决的一个关键问题就是系统各信息的实时采集、共享及处理，还有与上位机（计算机4）的信息及时通讯问题，同时也包括系统出现故障时的报警与故障排除。系统（从机）与上位机（主机）的通讯采用RS485串行接口，可实现数据的海量存储、分析和集成测控。
本实用新型提供的一种甲醇重整制氢反应器的测控系统，实现了对甲醇重整制氢反应系统的温度、压力、浓度等的自动测控，实时显示测量信息。甲醇重整过程是一个多变量的参变过程，模型参数受到工况调整、系统环境变化、催化剂活性、过程噪声等因素的影响会发生较大变化。基于这种特性,本实用新型设计了一种具有参数自适应能力的控制系统。由于控制量的计算过程不依赖于被控过程的模型参数,这种系统在模型失配情况下依然有比较好的控制效果。甲醇重整过程是多输入多输出过程。在关注主要被控量氢气产量的同时还要密切注意重整温度的变化。针对在变负荷的过程中依然保持输入量之间的最佳混合比将造成重整温度出现无规律的波动的技术缺陷，采用数字输出型的K型热电偶信号处理集成芯片线性化处理以及模数转换来设计温度信号测控通道；针对反应器中传统流量检测不够精确、物料总流量控制不稳定的问题，设计了水泵流量与玻璃转子流量计控制相结合的流量信号测控通道；针对系统安全保障性问题，设计了H2/CO测漏电路（气体流量浓度检测）来确保系统内结构的安全可靠。本实用新型串行通讯采用RS485串行接口，可实现数据的海量存储、分析和集成测控。甲醇重整制氢反应器控制系统是燃料电池和其他现场重整制氢（移动氢源）的核心模块系统，本实用新型潜在的技术可以推广应用到一般的醇类和其他碳氢液态燃料重整制氢反应器中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。