CN101692049B - 用于cod在线自动监测仪的控制系统 - Google Patents

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本发明涉及一种用于COD在线自动监测仪的控制系统，包括多路输入程控集成运算放大器，其接收外部送来的检测信号；模数转换器，其将外部信号进行模数转换；微处理器，其对模数转换器送来的数字信号进行处理，将处理后的光强度值反馈信号输送到数模转换器，将处理后的光电信号转换成COD信号值通过输出模块对外输出，将处理后的其他命令信号送到多路控制继电器；数模转换器，其对微处理器送来的光强度值反馈信号进行数模转换，并将转换后的模拟信号输出；以及多路控制继电器，其接收微处理器送来的其他命令信号，对外部设备进行相应控制。本发明能够实现对水质污染的在线自动监测，并能够实现对仪器的远程控制，且系统运行性能稳定。

Description

用于COD在线自动监测仪的控制系统
技术领域
本发明涉及一种水资源中化学需氧量(COD)的在线自动监测设备，具体涉及一种此在线监测设备的自动控制系统。
背景技术
随着全球人口的不断增加，社会的不断进步，城市化进程的加速，工、农业的快速发展，产生了大量的污染物，对环境尤其是水资源已经造成了严重的破坏。目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，有大概5.5万亿立方米的淡水受到了污染，这相当于全球径流总量的14％以上。
目前，我国水环境的首要污染物是化学需氧量(COD)，COD值越高，说明水质的污染程度越严重。因此，对水资源进行监测，特别是水体中的化学需氧量(COD)含量的监测，越来越受到重视。
国家标准GB 11914-89《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》所规定的测量方法是针对实验室加热回流法的检测标准。实验室加热回流实验需要长达两个小时的时间，而且全部操作都需手动进行，根本无法满足监测要求。而且，现有国产的化学需氧量在线自动监测设备运行不稳定，并不具备远程控制系统，为水环境在线监测及数据采集对比带来麻烦。国家环保部曾组织中国2020年环境保护战略对策研究，对今后十几年的工业和生活废水污染防治提出了新要求。为适应这一需求，开展水中污染指标的在线自动监测研究，对于及时掌握和控制水中的污染指标具有深远意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于COD在线自动监测仪的控制系统。该控制系统能够实现对水质污染的在线自动监测，并能够实现对仪器的远程控制，且系统运行性能稳定。
本发明的技术解决方案是：用于COD在线自动监测仪的控制系统，包括
多路输入程控集成运算放大器，其接收外部送来的检测信号，对该检测信号进行放大后输送到模数转换器；
模数转换器，其将多路输入程控集成运算放大器送来的放大信号转换成数字信号后通过I/O接口输送到微处理器；
微处理器，其对模数转换器通过I/O接口送来的数字信号进行处理，将处理后的光强度值反馈信号输送到数模转换器，将处理后的光电信号转换成COD信号值通过输出模块对外输出，将处理后的其他命令信号通过I/O接口输送到多路控制继电器；
数模转换器，其对微处理器送来的光强度值反馈信号进行数模转换，并将转换后的模拟信号输出；以及
多路控制继电器，其接收微处理器通过I/O接口送来的其他命令信号，对外部设备进行相应控制。
进一步地，所述微处理器为ARM处理器。
再进一步地，所述微处理器为基于ARM7技术的32位CPU，该CPU内嵌基于uCOS和OpenPCS的软件操作系统。
进一步地，所述输出模块包括模拟输出接口和485/RS232通讯接口，所述模拟输出接口和485/RS232通讯接口直接与所述微处理器相连。
再进一步地，所述输出模块还包括远程控制终端，该远程控制终端与所述485/RS232通讯接口的输出端连接。
进一步地，所述输出模块还包括干结点输出，所述干结点输出与所述微处理器直接相连。
进一步地，该控制系统还包括与所述微处理器进行信息交互的人机交互设备。
再进一步地，所述人机交互设备为组态触摸屏。
进一步地，所述I/O接口为串行I/O接口。
所述多路输入程控集成运算放大器与外部的温度传感器、液位传感器、光电探测器和反馈探测器连接。
所述多路控制继电器与外部的水冷装置、真空气泵、蒸馏水泵、硫酸泵、重铬酸钾泵、水样泵、消解阀、比色阀、加热片、冷却风扇、计量阀、进样阀和外接泵连接。
所述数模转换器将所述微处理器送来的光强度值反馈信号进行数模转换后输送到发光二极管。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明自动监测仪的控制系统包括微处理器、多路输入程控集成运算放大器、模数转换器、数模转换器和多路控制继电器，系统结构简单、运行性能稳定，能够有效实现对水质污染源的在线自动监测控制。并且该控制系统数据传输可靠性高，系统抗干扰能力强，适用于恶劣的工业环境。
(2)本发明是基于ARM平台的环境在线自动监测远程控制终端(RTU：Remote Terminal Unit)的自动控制系统，具备野外恶劣环境的远程传输功能，能够实现对仪器的远程控制。进一步地，本发明采用基于ARM7技术的uCOS和OpenPCS内嵌软件操作系统，能够实现实时多任务操作。
(3)本发明测量范围较宽、灵敏度高，且系统重现性好、成本低，满足现场水污染源的在线自动监测要求。
(4)本发明的控制系统还包括组态触摸屏，使得人机交互方便有效。
附图说明
图1为本发明的化学需氧量在线自动监测仪的系统示意图。
图2为本发明的化学需氧量在线自动监测仪的控制系统示意图。
图3为本发明的化学需氧量在线自动监测仪的控制操作流程图。
图号说明：1-预处理装置，2-进样阀，3-外接泵，4-真空气泵，5-水样泵，6-重铬酸钾泵，7-蒸馏水泵，8-硫酸泵，9-计量室，10-计量阀，11-消解室，12-水冷装置，13-冷却风扇，14-消解阀，15-比色室，16-比色阀，17-温度传感器，18-液位传感器，19-光电探测器，20-反馈探测器，21-多路输入程控集成运算放大器，22-A/D模数转换器，23-串行I/O接口，24-ARM7平台控制处理器，25-D/A数模转换器，26-发光二极管，27-多路控制继电器，28-组态触摸屏，29-模拟输出接口，30-干结点输出，31-485/RS232通讯接口，32-远程控制终端(RTU)，33-加热片。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的实施例进行说明。
如图1所示，化学需氧量在线自动监测仪系统由预处理装置1、进样阀2、外接泵3、真空气泵4、水样泵5、重铬酸钾泵6、蒸馏水泵7、硫酸泵8、计量室9、计量阀10、消解室11、水冷装置12、冷却风扇13、消解阀14、比色室15和比色阀16共同连接构成。按照由上而下的连接顺序，其相互连接关系为：预处理装置1、进样阀2、外接泵3组成监测仪的预处理系统，对所抽入的污水进行过滤，并静置一段时间后再由水样泵5抽取进行检测；真空气泵4、水样泵5、重铬酸钾泵6、蒸馏水泵7、硫酸泵8分别与计量室9连接，计量室9下部出口通过计量阀10与消解室11上部入口连接，消解室11的下部出口通过消解阀14与比色室15的上部入口连接，最底部由比色阀16来控制比色室15液体的排放；水样泵5、重铬酸钾泵6、蒸馏水泵7、硫酸泵8、液位传感器18、计量室9和计量阀10属于进样计量单元，由此控制进入消解单元的样品量；消解单元包括消解室11、加热片33、温度传感器17、冷却风扇13、水冷装置12和消解阀14，主要用于对样品进行消解，加速反应，并且对反应过后的溶液静置冷却以便进入比色单元进行比色检测；比色单元由比色室15、发光二极管26、光电探测器19、反馈探测器20和比色阀16组成，对消解过后的水样进行光谱检测，最终由ARM7平台控制处理器24进行数据分析，得出吸光度与COD值的关系。
整个控制系统原理示意图如图2所示，控制系统包括微处理器、多路输入程控集成运算放大器、模数转换器、数模转换器、输入及量程控制器和多路控制继电器，本实施方式中微处理器为ARM处理器(也可以是其它处理器)，进一步地，采用ARM7平台控制处理器。
系统通过组态触摸屏28实现人机界面操作。在控制过程中，温度传感器17、液位传感器18、光电探测器19和反馈探测器20的信号经多路输入程控集成运算放大器21进行信号放大后，利用A/D模数转换器22及串行I/O接口23输送至ARM7平台控制处理器24处理，其中处理后的光强度值反馈信号输送到D/A数模转换器25再传送到发光二极管26，进而调节光源的稳定性；ARM7平台控制处理器24发出的其他命令信号(包括温度信号、液位信号等)通过串行I/O接口23输送到多路控制继电器27，然后经多路控制继电器27完成信号对水冷装置12、真空气泵4、蒸馏水泵7、硫酸泵8、重铬酸钾泵6、水样泵5、消解阀14、比色阀16、加热片33、冷却风扇13、计量阀10、进样阀2和外接泵3地控制；ARM7平台控制处理器24处理计算后的COD信号值经组态触摸屏28显示及模拟输出接口29、干结点输出30和485/RS232通讯接口31对外输出。
控制系统的输出模块包括模拟输出接口和485/RS232通讯接口，与485/RS232通讯接口的输出端连接的还有远程控制终端(RTU)32，能够实现对仪器的远程控制。所述输出模块还包括干结点输出，该干结点输出直接连接在ARM7平台控制处理器上，能够与其他任何通讯协议的仪器接口相连。
其中还有一光电信号处理电路，能有效处理由光电探测器19输入的mA量级小信号；并且采用了闭环的精密恒流控制自动补偿系统，通过反馈探测器20检测到的发光二极管26光强度值的变化，来调节光源的供电电流，消除了仪器检测过程中的因环境条件、元器件和电路的各类效应产生的光源漂移问题。
本实施例的多路输入程控集成运算放大器21选取Analog Devices公司的AD704芯片及Maxim公司的Max543芯片，A/D模数转换器选取凌特公司的LTC1867IGN芯片，D/A数模转换器选取Maxim公司的Max543芯片，多路控制继电器选取AIKS公司的ASRP2-202D芯片，模拟输出接口优选4～20mA模拟输出接口，选取凌特公司的LT1013IN8芯片。
整个系统控制操作流程图如图3所示，首先ARM7平台控制处理器24通过多路控制继电器27发出信号运行进样阀2和外接泵3，抽取污水进入预处理装置1，进行过滤静置；然后控制水样泵5排除水样泵5及其连接管中前次检测余留的残液，真空气泵4启动进行吹气排除计量室9、消解室11和比色室15的残液，然后蒸馏水进行清洗计量室9、消解室11和比色室15，真空气泵4在进行吹气排空；上述清洗工作完成后，水样泵5开始首先从预处理装置1中抽取水样进入计量室9后流入消解室11，然后重铬酸钾泵启动引入强氧化剂重铬酸钾到计量室9后流入消解室11，最后启动硫酸泵8吸取浓硫酸到计量室9后流入消解室11。上述进样工作准备完毕后，对上述试剂进行加热消解，达到一定时间，加热停止，消解静置、冷却，并且蒸馏水泵7启动对反应过后的溶液进行稀释，然后将其排入到比色室15，进行比色检测；当比色读数在显示屏上显示后，按照上述清洗过程对管路进行清洗。这样化学需氧量在线自动监测仪的一个检测周期完成。
操作过程具体为：手动操作组态触摸屏28，使ARM7平台控制处理器24发出开始检测以及其他一系列命令。外接泵3抽取污水通过开启的进样阀2进入预处理装置1，进行一段时间的过滤静置后，水样泵5抽取待测水样，以便排除水样泵5及其连接管中前次检测余留的残液，真空气泵4启动进行吹气排除计量室9、消解室11和比色室15的残液，然后蒸馏水泵7进行清洗计量室9、消解室11和比色室15，真空气泵4再进行吹气排空。与此同时温度传感器17、液位传感器18、发光二极管26、光电探测器19和反馈探测器20也已经开始工作，温度传感器17检测消解室11的消解温度，一直保持在一定温度为止；液位传感器18用于检测计量室9计量试剂量的大小；发光二极管26和光电探测器19检测空白溶液和污水的透光率；反馈探测器20探测发光二极管26发光强度的变化，以便调节供电电流，消除了仪器检测过程中的因环境条件、元器件和电路的各类效应产生的光源漂移问题。
在上述清洗工作完成后，水样泵5启动，从预处理装置1中抽取水样经计量室9计量后流入消解室11，然后重铬酸钾泵6、硫酸泵8分别启动抽取强氧化剂重铬酸钾、浓硫酸经计量室9后流入消解室11。进样工作准备完毕后，在一定温度下加热消解上述进入消解室11的试剂，达到一定时间，加热停止，消解静置、冷却，并且蒸馏水泵7启动对反应过后的溶液进行稀释，然后将其排入到比色室15，进行比色检测，由光电探测器19产生光电信号；比色检测产生的光电信号经多路输入程控集成运算放大器21进行信号放大后，利用A/D模数转换器22及串行I/O接口23输送至ARM7平台控制处理器24，完成信号数据处理，得出COD值经组态触摸屏28显示及4～20mA模拟输出接口29、干结点输出30和485/RS232通讯接口对外输出31，并且可以通过RTU32进行远程传输。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：包括
多路输入程控集成运算放大器，其接收外部送来的检测信号，对该检测信号进行放大后输送到模数转换器；
模数转换器，其将多路输入程控集成运算放大器送来的放大信号转换成数字信号后通过I/O接口输送到微处理器；
微处理器，其对模数转换器通过I/O接口送来的数字信号进行处理，将处理后的光强度值反馈信号输送到数模转换器，将处理后的光电信号转换成COD信号值通过输出模块对外输出，将处理后的其他命令信号通过I/O接口输送到多路控制继电器；
数模转换器，其对微处理器送来的光强度值反馈信号进行数模转换，并将转换后的模拟信号输出；以及
多路控制继电器，其接收微处理器通过I/O接口送来的其他命令信号，对外部设备进行相应控制。
2.根据权利要求1所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述微处理器为ARM处理器。
3.根据权利要求2所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述微处理器为基于ARM7技术的32位CPU，该CPU内嵌基于uCOS和OpenPCS的软件操作系统。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述输出模块包括模拟输出接口和485/RS232通讯接口，所述模拟输出接口和485/RS232通讯接口直接与所述微处理器相连。
5.根据权利要求4所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述输出模块还包括远程控制终端，该远程控制终端与所述485/RS232通讯接口的输出端连接。
6.根据权利要求4所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述输出模块还包括干结点输出，所述干结点输出与所述微处理器直接相连。
7.根据权利要求1或2或3所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：该控制系统还包括与所述微处理器进行信息交互的人机交互设备。
8.根据权利要求7所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述人机交互设备为组态触摸屏。
9.根据权利要求1或2或3所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述多路输入程控集成运算放大器与外部的温度传感器、液位传感器、光电探测器和反馈探测器连接；
所述多路控制继电器与外部的水冷装置(12)、真空气泵(4)、蒸馏水泵(7)、硫酸泵(8)、重铬酸钾泵(6)、水样泵(5)、消解阀(14)、比色阀(16)、加热片(33)、冷却风扇(13)、计量阀(10)、进样阀(2)和外接泵(3)连接。
10.根据权利要求1或2或3所述的用于COD在线自动监测仪的控制系统，其特征在于：所述数模转换器将所述微处理器送来的光强度值反馈信号进行数模转换后输送到发光二极管。
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