CN101788526B - 多通道盐度在线测量系统 - Google Patents

Abstract

一种多通道盐度在线测量系统，属于自动化检测技术领域。是一种同时测量多点盐度的自动测量系统，该系统包括正弦信号产生电路、通道选择电路、测量电极、信号采集转换电路、微控制器电路、远程通讯电路、计算机应用软件。通过对测量信号的全波采样，微控制器求取该波周期内所包络区域的面积，该面积与盐度成正比，实现盐度的高精度测量。通过独特的通道选择电路实现多点盐度的测量。通过远程通讯电路实现了测量信号的远传，应用软件自动保存数据和绘制曲线。设计的超细测量电极极大地减小了对被测流体流场的影响。是一种成本低，精度高的可广泛用于科研、实验的多点盐度测量系统。

Description

多通道盐度在线测量系统

技术领域

本发明涉及流体的盐度测量，属于自动化检测技术领域，特别涉及多点盐度的在线自动测量，设计的超细测量电极极大地减小了对被测流体流场的影响。主要应用于核电厂、火电厂等的离子排放检测、水力特性、水质监测等科研实验工程领域。

背景技术

在诸多科研、实验工程应用中都要研究流体水力特性，例如，火电厂温排放水力特性、核电厂温排放水力特性等。进行流体水力特性研究时盐度是个很重要的参数，须对多个点的盐度进行测量，通过对多个点的测量数据进行分析研究进而确定其输盐特性。

目前，还未见到多点盐度测量系统，虽然有一些盐度测量仪器，但都是单点测量，且测量电极尺寸过大，严重的影响了被测流体的流场，无法应用于水力特性的研究。

盐度测量的方法归纳起来通常有如下三种：

1、比重法。比重法测量在海洋学中被广泛采用。比重是一个标准大气压下，单位体积海水的重量与同温度同体积蒸馏水的重量之比。由于海水比重和海水密度密切相关，而海水密度又取决于温度和盐度，所以比重计的实质是，从比重求密度，再根据密度、温度推求盐度。

可见，此种方法不能用于在线自动测量。

2、折射率法。属于光学测量技术，其原理是当一束光通过含盐水质时，折射率随盐度的变化而变化，通过测量光在水质中的折射率来确定盐度，折射率是通过测量折射角来测定。主要由光源、接收光纤、高分辨力CCD光探测器和图像采集处理软件等组成，而这些器件的造价都非常昂贵，加之此类仪器结构复杂，限制了其推广应用。

3、电导率法。是利用不同盐度具有不同导电特性来测定盐度的，水质盐度与其电导率成正比，通过测量电导率便可计算出盐度。

目前基于电导率法测量盐度的仪器存在以下几个问题：

一是单点测量，一台仪器只可检测一个点，而在流体水力特性的科研实验中必须同时测量多点，如火电厂温排放水力热力特性研究中监测点多达500个，这便需要购买500台仪器，增大了研究的成本，满足不了科研的要求。

二是测量信号是利用模拟电路进行峰值检测，导致其测量精度较低。

三是测量电极尺寸过大，目前的测量电极直径最细的也在12.8mm，这种测量电极严重干扰了被测流体的流场，导致研究的结果不准确。

四是多数仪器不能在线自动测量，只能通过人工记录数据。少数能用于在线测量，由于测量精度不高且需要通过DCS系统的采集板卡实现多台仪器数据的采集，而DCS系统结构复杂，非专业人员无法应用。因此，对科研而言无疑加大了投入成本及使用难度。

以上几种测量盐度的方法及仪器均不能满足科研、实验的要求。急需要有新的既能满足高精度要求又能进行多点在线测量的盐度测量系统。

发明内容

本发明的目的在于：

1、克服传统盐度测量仪器只能用于单点测量的不足，解决科研、实验中盐度的多点测量问题，满足科研、实验的需要。

2、提供了一种利用全采样技术进行盐度高精度测量的方法。

3、提供了一种直径为5mm超细测量电极，大大地减小了对被测流体流场的影响。

4、解决盐度的在线测量，并将结果远距离自动传输、保存的问题。

5、降低造价，提供一种可广泛应用于科研、实验的低成本盐度测量系统。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：多通道盐度在线测量系统，该系统包括正弦信号发生电路、通道选择电路、测量电极、测量信号放大电路、A/D转换电路、微控制器电路、远程通讯电路、计算机应用软件。正弦信号送至通道选择电路，通道选择电路将正弦信号依次施加于各个测量电极，施加到测量电极两端的电压信号经由放大器接收，放大器的输出送至A/D转换电路，微控制器读取A/D转换结果，该结果经过计算处理得到盐度值，该盐度值经过RS-485通讯网络传输至远程计算机；计算机设计了专门的应用软件用于接收传输来的数据并将其自动保存，而且可以绘制各个测量通道的实时曲线。所述的通道选择电路是由信号继电器组成的逻辑开关阵列，其通道的选择由微控制器指定，完成各个通道的巡检，一个通道为一个测量点；所述的测量电极为柱状绝缘体上镶嵌的两个环形铂金圈；所述RS-485通讯网络，电气特性为RS-485，通讯协议MODBUS；所述的应用软件是由VC编写而成。

本发明中的正弦信号发生电路产生的交流电压为盐度测量提供激励，交流激励电压可以有效防止由测量电极的极化所引起的测量误差。在交变电场的作用下，两电极环的极性周期性的不断改变，交替地进行着相反的过程，可维持电极附近正负离子的平衡，消除离子沉积。

本发明还提供了一种利用全采样技术进行盐度高精度测量的方法，该方法工作原理如下，正弦信号发生电路发出激励电压，该激励电压施加于测量电极，测量电极与被测流体接触，而被测流体含有的盐份离子具有导电特性，三者构成一闭合回路，因此测量电极上可检测到与盐度相关的电压信号，该电压信号经放大后由A/D转换电路进行全波采样，采样结果传送至微控制器；微控制器通过积分的方法求取该波周期内所包络区域的面积，该面积与盐度成正比，进而计算出盐度。盐度与温度有关，须同时给出测得盐度时的温度，温度值可使用其它温度测量仪表测得。

本发明的测量电极为浸入式，测量部分直径仅5mm，高度仅25mm，极大地减小了测量电极对被测流体在水平方向和垂直方向上流场特性的影响。浸入深度可根据应用灵活改变，只要保证被测流体完全淹没两电极环即可。

本发明是一种在线测量、测量结果远距离自动传输保存的盐度测量系统。测量系统通过RS-485通讯网络将测量数据进行远距离传输，远程计算机通过所设计的应用软件周期地向测量系统发送命令，测量系统采用中断-响应方式接收命令，当通讯网络有命令发送来时触发中断，在响应程序中接收，当命令与自己的通讯地址和参数类型相一致的时加以响应，向计算机发送测量数据；否则放弃响应。计算机接收到测量系统发送来的数据后实时显示，并将其保存以供日后分析研究，减轻了人工记录的负担，还可绘制各个测量通道的盐度实时曲线以直观显示变化趋势。

在盐度测量前需进行标定，标定测量系统的零点、量程和求解线性化斜率，计算机应用软件上设计有标定菜单。零点标定使用去离子水，将电极浸入去离子水中，读数稳定后由应用软件将其输入盐度测量系统。量程标定根据应用而定，取值应使其盐度测量的最大值落在量程的三分之二处，如被测盐度的最大值为20，则量程应设为30；须配制1个已知浓度的NaCl溶液，将电极浸入已知浓度的NaCl溶液，读数稳定后由应用软件输入该NaCl溶液的浓度。还需再配制1个在量程内的已知浓度的NaCl溶液，读数稳定后由应用软件输入该浓度；上述3个值输入后测量系统会自动建立线性回归方程求解回归系数，并将回归系数保存到测量系统。标定完成后便可进行盐度测量。

附图说明

图1是本发明的整体原理结构示意图。

图2是本发明实施例正弦信号发生电路原理图。

图3是本发明实施例的通道选择电路原理图。

图4是本发明实施例的测量电极。

图5是本发明实施例的测量信号放大电路原理图。

图6是本发明实施例的A/D转换电路原理图。

图7是本发明实施例的微控制器电路原理图。

图8是本发明实施例的远程通讯电路原理图。

图9是本发明实施例的应用软件流程图。

具体实施方式

在下文中结合附图对本发明的具体实施方式和过程作更详尽的说明，以下实施例用于本发明，但并不用来限制本发明的范围及形式。

图1示出本发明的整体原理结构图。本多通道盐度在线测量系统包括正弦信号发生电路1、通道选择电路2、信号放大电路3、A/D转换电路4、微控制器5、电源6、就地操作7、RS-485通讯网络8、RS-485/RS-232转换电路9。

系统电源6为5V DC供电；就地操作7可在就地进行系统标定；10为接线端子，接测量电极；RS-485/RS-232转换电路用于配接计算机，进行RS-485/RS-232的双向转换。

图2的正弦信号发生电路在微控制器5端口PB1控制下产生正弦信号，其本质上一变型多谐振荡器，其负载是电感线圈，作用是对多谐振荡器输出的方波的上升沿和下降沿进行抑制，使负载输出波形为正弦波。T1是耦合变压器，其次级线圈产生正弦交流感应电动势，其输出端口为Port1、Port2，该电动势通过通道选择电路施加于测量电极两端，RP为电极匹配电阻。

通道选择电路如图3所示，由32选1逻辑开关阵列构成。其输入信号X、Y来自正弦信号发生电路的输出端口Port1、Port2，输出端子为X0、Y0，X1、Y1，X2、Y2，...，X30、Y30，X31、Y31，共32个输出通道，输出端子分别接至测量电极1至32，可接32个测量电极。输入信号选择哪一通道进行输出由逻辑控制端A4、A3、A2、A1、A0决定，逻辑控制信号来源于微控制器5的引脚PD7、PA0、PA1、PA2、PA3。通道选择电路工作与否由使能端EN确定，EN接于微控制器5的引脚PD6。逻辑关系见表1。

表1

图4为测量电极，结构如下，13为柱状绝缘材料，采用结晶型热塑性聚酯-聚对苯二甲酸丁二醇酯作为支撑骨架，其直径5mm，高度25mm。14为两铂金圈，宽度3mm，间距10mm。11为焊接在两铂金圈上的电极导线。12为不锈钢钢管，直径2.5mm，其内部为电极导线11。制作工艺为在绝缘支撑骨架13上镶嵌两铂金圈，内部嵌入不锈钢钢管12，铂金圈上焊接的导线通过12引出，采用热注塑方法使其成型。

图5给出了测量信号放大电路，测量电路是要测量施加于电极两端(Port1、Port2)的正弦交流信号，由于正弦交流信号电路产生的信号为毫伏级，幅值过小，因此测量电路必须将其放大，以提高测量系统的分辨率和方便A/D转换电路采样。运放选用AD8552，双端差动输入，运放的输出信号A/D接A/D转换电路。其中，电容C8主要是滤除测量电极上拾回来的高频杂波，电容C7主要是电源平滑滤波，C9用于抗高频干扰。

图6给出了A/D转换电路原理图。A/D转换电路以AD7705为核心设计，AD7705是AD公司生产的双通道16位∑-Δ型高精度模数转换器，该器件接受模拟信号，然后产生串行的数字输出。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器处理调制器的输出信号并将其送至三线串行接口以完成输出。其串行接口可与具有SPI接口的单片机系统直接相连。AD7705的时钟频率设为2.4576MHz，电源电压VCC为5V DC。AN1+接模拟输入信号的正端，AN1-接模拟输入信号的负端。

AD7705与微控制器ATmega 16连接方式如下：

片选端CS-PD4；

复位端RESET-PD5；

逻辑输出端DRRY-PB3；

串行数据输入端DIN-PB5；

串行数据输出端DOUT-PB6；

串行时钟SCLK-PB7。

芯片REF192为基准电压源，为AD7705提供2.5V基准电压，其输出引脚6到地之间须并接0.1uF的电容C5和10uF的电容C6以保证其输出电压精准。

图7给出了微控制器电路。微控制器采用Atmel公司的高速嵌入式单片机ATmega 16，该电路有如下功能：

1、通过引脚PB1控制正弦激励信号的产生。

2、控制通道选择电路，通过引脚PD6以及PD7、PA0、PA1、PA2、PA3轮流选中各个测量通道。

3、通过SPI接口控制A/D转换电路，以完成数据的采集。

4、与计算机软件共同完成测量系统的标定。

5、对采集数据应用全采样技术进行处理以求取盐度。

6、通过通讯电路与计算机进行远程数据传输。

图8给出了远程通讯电路。用于和计算机进行数据通讯，采用RS-485通讯接口，RS-485通讯接口具有良好的抗噪声干扰性，传输距离长，通讯站点多等优点。以芯片MAX3485为核心，RXD接图7用于RS-485数据的接收，TXD接于图7用于RS-485数据的发送，485A、485B分别接于RS-485总线上。通讯协议采用MODBUS RTU通讯协议，采用命令-响应方式，测量系统不断监听计算机发送来的命令，监听到正确命令后应答响应。该电路一方面将系统32个通道的测量数据传输到计算机；另一方面接收计算机传输来命令。与测量系统通讯的计算机端需要配接RS-485/RS-232转换器。

图9给出了应用软件流程图，采用VC编写而成。测量系统与应用软件共同完成标定，标定完成后方可进行在线测量，应用软件设有标定菜单、绘制曲线菜单、通讯菜单、自动保存菜单。

Claims (5)

1.多通道盐度在线测量系统，包括正弦信号发生电路、通道选择电路、测量电极、测量信号放大电路、A/D转换电路、微控制器电路、远程通讯电路、计算机应用软件，其特征在于：正弦信号发生电路将正弦信号送至通道选择电路，通道选择电路将正弦信号依次施加于各个测量电极，施加到测量电极两端的电压信号经由放大器接收，放大器的输出送至A/D转换电路，微控制器电路读取A/D转换结果，该结果经过计算处理得到盐度值，该盐度值经过RS-485通讯网络传输至远程计算机，盐度测量方法是对测量电极两端信号进行全波采样，微控制器电路通过积分的方法求取该波周期内所包络区域的面积，该面积与盐度成正比，实现盐度测量。

2.根据权利要求1所述的多通道盐度在线测量系统，其特征在于：所述正弦信号发生电路是受控多谐振荡器经变压器耦合发出正弦信号，正弦信号施加于测量电极。

3.根据权利要求1所述的多通道盐度在线测量系统，其特征在于：所述通道选择电路由微控制器电路控制的32选1逻辑开关阵列构成，有5个逻辑控制端、1个高电平有效的使能端、2个信号输入端、32个信号输出端，32个通道每个通道各接一个测量电极。

4.根据权利要求1所述的多通道盐度在线测量系统，其特征在于：所述测量电极采用结晶型热塑性聚酯-聚对苯二甲酸丁二醇酯作为支撑骨架(13)，其直径5mm、高度25mm，支撑骨架上镶嵌两铂金圈(14)，两铂金圈宽度各3mm、间距10mm，两铂金圈上焊接电极导线(11)，电极导线通过不锈钢钢管(12)引出、不锈钢钢管直径2.5mm。

5.根据权利要求1所述的多通道盐度在线测量系统，其特征在于：所测得盐度通过RS-485通讯网络，按照MODBUS协议规范进行数据远距离传输。

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