CN103235216B - 一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统，包括一台增氧机在水体中产生溶解氧的输出接入溶氧仪的输入，溶氧仪的输出接入数据采集仪的输入，数据采集仪的输出接入计算机的输入，所述增氧机的另一个输出接入电能分析仪的输入，电能分析仪的输出接入所述计算机的另一个输入。

Description

一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统

技术领域

本发明属于渔业机械技术领域，特别涉及一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统。

背景技术

国家渔业机械仪器质量监督检验中心于上世纪90年代初即与同济大学合作研制了基于Visual basic的增氧机测试系统，该系统的使用，对于提高检测效率和准确度、大大减少检测人员的工作量发挥了重要的作用，但是该套系统存在着一些不足；首先，信号采集卡与溶氧仪之间匹配程度较差，产生尖峰干扰信号；其次，软件数据库对数据文件的管理混乱；第三，纯代码的编程模式降低了程序的可读性，为软件平台的进一步改进增加了不少困难。因此，有必要制定一款通用性强，易扩展的增氧机自动采集软件并结合便携、可靠的数据采集设备来改变老一套的测试模式。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统，以解决现有测试系统的问题。

本发明的技术方案是，一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统，包括一台用于在水体中产生溶解氧的增氧机，一台用于检测水体溶解氧的溶氧仪，溶氧仪的输出接入数据采集仪的输入，数据采集仪的输出接入计算机的输入，所述增氧机的另一个输出接入电能分析仪的输入，电能分析仪的输出接入所述计算机的另一个输入。

所述溶氧仪采用美国YSI公司研制型号为YSI-58的溶氧仪，该型号的设备具有自动温度补偿的膜探头，附带搅拌器，设备支持电压信号输出，最大输出直流电压为1V，溶氧值变化范围在0～20mg/L之间，精度达到0.01mg/L，所述溶氧仪输出电压值的采集采用单声道接口；

数据采集仪选用GRAPHTEC公司研发的型号为GL900的多路数据采集仪，该设备支持8路通道同时采集，搭载16位A/D转换功能，数据收录最高达到100kHz高速取样，同时还配有内置RAM，最大数据点数达到100万点；

数据采集仪与计算机的连接接口支持USB接口和/或LAN网口，可根据实际情况任选，在所述系统实际运行的过程中，只需要使用前3路通道进行实时溶解氧值的采集；

所述的增氧机电能的消耗值选用型号为DZFC-1型电能分析仪来进行测试。

所述的增氧机自动测试系统采用的是NI公司的LabVIEW平台，在进行测试前首先进行参数的设置，“基本设置一”界面中实现对于检验编号、检测日期、试验的次数选择等参数的设置；

在“基本设置二”界面中实现对于试验地点、水温、气压及试验水体积等参数的设置，此处水温直接影响氧在水中的饱和溶解值，在输入气温、气压参数的同时已经通过软件自动索引到对应的饱和溶解氧值；

在“高级设置”界面中实现对于采样率、采样间隔及采样通道输入信号类型等参数的设置；

参数设置完毕后进入“主测试界面”，等待采集系统采集的溶解氧值到达一定值的时候自动或者通过手动方式开始进行数据收录，收录的数据可以通过路径选择存入NI公司主推的TDMS格式的二进制文件中，方便后期的调用并查看原始数据；

当采集到的3路溶解氧平均值大于之前索引到的饱和溶解氧值80%的时候，自动停止收录；

通过调用数据处理程序进行后期的数据处理，消除由于增氧机电机的运行及水体电解物质等所引起的数据偏移的现象并通过相关标准中算法的运算，最终实现报表的输出及打印。

当3路通道所采集到溶氧值的平均值大于或等于饱和溶解氧值80%时，采集收录停止，对原始数据进行后续的处理，分为3部分：

首先，通过建立线性回归方程的方式，删除偏离回归曲线较大的数据；

其次，当数据筛选完毕之后，依据《SC/T6009-1999增氧机增氧能力试验方法》中“增氧能力”及“动力效率”的算法进行运算处理；

最后，将3路信号通过计算平均值的方式得出水池中总体增氧速率，继续通过建立回归方程的方式最终建立回归曲线以排除无效数据，最终输出增氧机试验报告、取样点溶解氧值记录表及溶氧值与时间曲线图。

《SC/T6009-1999增氧机增氧能力试验方法》中增氧能力的计算过程中需要结合4个参数推算而出，分别为氧质量转移系数K_La(T)、20℃水温时氧质量转移系数K_La(20)、试验用水体积V及20℃时饱和溶解氧值C_s，

氧质量转移系数K_La(T)计算公式如下：

$K_{\mathrm{La}}\left(T\right)=\frac{\mathrm{In}[(\mathrm{Cs}-c1)/(\mathrm{Cs}-C2)]}{t2-t1}\×60---\left(1\right)$

式中C1、C2——t1和t2时的溶解氧值，单位mg/L；t1、t2——C1和C2的读数时间，单位min；Cs——试验用水饱和溶解氧值，单位mg/L；T——试验用水水温，单位℃，(C_s-C_t)为每一时刻的亏氧值，

亏氧值的对数与时间t存在着线性关系，而斜率K的相反数就是所要求的任意水温下的氧质量转移系数K_La(T)，

即将公式（1）转换为线性方程，方程如下：

Y_i=-K△t+Y₀； （2）

式中Y_i=ln（C_s-C_i）；

Y_0i=ln（C_s-C₀）；

K的相反数即为氧质量转移系数K_La(T)，

根据工程数学中回归分析法，即公式（3），计算出K值和Y₀值，式中K的相反数即是氧质量转移系数K_La(T)，Y₀即是0时刻水体中的溶解氧值，线性回归方程推算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_0=\stackrel{\‾}{Y}+K\stackrel{\‾}{T}\\ K=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{Y}_i-n\stackrel{\‾}{\mathrm{XY}}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X_i}^2-n{\stackrel{\‾}{X}}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中n——单通道采集数据的个数；——时间平均值；——溶解氧的平均值，

根据回归数值和实测值之间的差值，计算出标准差σ即数据的偏离程度，标准差的计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(X_i-\mathrm{Yi})}{n-1}}---\left(4\right)$

式中X_i——每一时刻所采集到溶氧值的值；Y_i——每一时刻溶氧值的回归值。

根据3σ准则，当回归数值与实测数值之差大于等于3σ时，删除对应时刻所有通道的溶解氧值，将筛选完毕的数据通过式(1)进行运算，计算出环境温度下的氧质量转移系数K_La(T)；

将环境温度下的氧质量转移系数K_La(T)转换为20℃水温时氧质量转移系数K_La(20)，

20℃水温时氧质量转移系数K_La(20)计算公式如下：

$K_{\mathrm{La}}\left(20\right)=\frac{K_{\mathrm{La}}\left(T\right)}{{1.024}^{(T-20)}}---\left(5\right)$

增氧能力计算公式如下：

Q_s=K_La(20)×V×C_s×10^-3 （6）

式中V为水体体积，单位m³；C_s——对应温度下的饱和溶解氧值，

动力效率计算公式如下：

$E_s=\frac{Q_s}{N}---\left(7\right)$

式中N——实测输入功率，单位kW，

增氧能力及动力效率的计算按照式（6）（7）计算。

附图说明

图1本发明系统的硬件框图

图2本发明的软件框图

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统对于水体内溶解氧值的测量，台位选择的是由美国YSI公司研制型号为YSI-58的溶氧仪，该型号的设备具有自动温度补偿的膜探头，附带搅拌器。设备支持电压信号输出，最大输出直流电压为1V；溶氧值变化范围在0～20mg/L之间，精度达到0.01mg/L。

对于溶氧仪输出电压值的采集采用单声道接口；数据采集选用GRAPHTEC公司研发的型号为GL900的多路数据采集仪，该设备支持8路通道同时采集，搭载16位A/D转换功能，数据收录最高达到100kHz高速取样，同时还配有内置RAM，最大数据点数达到100万点；采样仪和电脑的连接接口支持USB接口和LAN网口，两者可根据实际情况任选。在该系统实际运行的过程中，只需要使用前3路通道进行实时溶解氧值的采集。

对于在测试过程中，增氧机电能的消耗值选用型号为DZFC-1型电能综合测试仪来进行测试。系统硬件框图如图1所示。

由于溶氧仪输出阻抗为50KΩ，而老一套系统的采集卡输入阻抗相对较小，所以在后级电路中存在阻抗匹配性差的现象，而此台数据采集仪输入阻抗同样为50KΩ，能够使得信号无衰减输出至采集仪输入端。

在接地方面，为了使得电压信号无“漂移”现象，将信号采集仪的接地端、溶氧仪接地端和增氧池地线共接，实现信号的稳定采集。

台位的软件设计采用的是NI公司的LabVIEW平台。软件框架如图2所示。在进行测试前首先进行参数的设置，“基本设置一”界面中实现对于检验编号、检测日期、试验的次数选择等参数的设置；在“基本设置二”界面中实现对于试验地点、水温、气压及试验水体积等参数的设置，此处水温直接影响氧在水中的饱和溶解值，在输入气温、气压参数的同时已经通过软件自动索引到对应的饱和溶解氧值；在“高级设置”界面中实现对于采样率、采样间隔及采样通道输入信号类型等参数的设置。参数设置完毕后进入“主测试界面”，等待采集系统采集的溶解氧值到达一定值的时候自动或者通过手动方式开始进行数据收录，收录的数据可以通过路径选择存入NI公司主推的TDMS格式的二进制文件中，方便后期的调用并查看原始数据。当采集到的3路溶解氧平均值大于之前索引到的饱和溶解氧值80%的时候，自动停止收录。通过调用数据处理程序进行后期的数据处理，消除由于增氧机电机的运行及水体电解物质等所引起的数据偏移的现象并通过相关标准中算法的运算，最终实现报表的输出及打印。

本发明的算法处理设计包括，当3路通道所采集到溶氧值的平均值大于或等于饱和溶解氧值80%时，采集收录停止。此时需要对原始数据进行后续的处理。在此套系统中，数据处理分为3部分。首先，由于溶氧仪的测试媒介是水体，又由于增氧机的电机运行及水中电解质额存在，使得溶氧仪的探头在水中采集数据的时候容易产生数据值偏移，因此就需要通过建立线性回归方程的方式，删除偏离回归曲线较大的数据，增加数据的可靠性和准确性；其次，当数据筛选完毕之后，需要依据《SC/T6009-1999增氧机增氧能力试验方法》中“增氧能力”及“动力效率”的算法进行运算处理；最后，将3路信号通过计算平均值的方式得出水池中总体增氧速率，继续通过建立回归方程的方式最终建立回归曲线以排除无效数据，最终输出增氧机试验报告、取样点溶解氧值记录表及溶氧值与时间曲线图。

对于数据筛选算法及回归方程的建立，《SC/T6009-1999增氧机增氧能力试验方法》中增氧能力的计算过程中需要结合4个参数推算而出，分别为氧质量转移系数K_La(T)、20℃水温时氧质量转移系数K_La(20)、试验用水体积V及20℃时饱和溶解氧值C_s。

氧质量转移系数K_La(T)计算公式如下：

$K_{\mathrm{La}}\left(T\right)=\frac{\mathrm{In}[(\mathrm{Cs}-c1)/(\mathrm{Cs}-C2)]}{t2-t1}\×60---\left(1\right)$

式中C1、C2——t1和t2时的溶解氧值，单位mg/L；t1、t2——C1和C2的读数时间，单位min；Cs——试验用水饱和溶解氧值，单位mg/L；T——试验用水水温，单位℃，(C_s-C_t)为每一时刻的亏氧值。

通过观察不难发现，亏氧值的对数与时间t存在着线性关系，而斜率K的相反数就是所要求的任意水温下的氧质量转移系数K_La(T)。

即将公式（1）转换为线性方程，方程如下：

Y_i=-K△t+Y₀； （2）

式中Y_i=ln（C_s-C_i）；

Y_0i=ln（C_s-C₀）；

K的相反数即为氧质量转移系数K_La(T)。

根据工程数学中回归分析法，即公式（3），计算出K值和Y₀值，式中K的相反数即是氧质量转移系数K_La(T)，Y₀即是0时刻水体中的溶解氧值。线性回归方程推算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_0=\stackrel{\‾}{Y}+K\stackrel{\‾}{T}\\ K=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{Y}_i-n\stackrel{\‾}{\mathrm{XY}}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X_i}^2-n{\stackrel{\‾}{X}}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中n——单通道采集数据的个数；——时间平均值；——溶解氧的平均值。

根据回归数值和实测值之间的差值，计算出标准差σ即数据的偏离程度，标准差的计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(X_i-\mathrm{Yi})}{n-1}}---\left(4\right)$

式中X_i——每一时刻所采集到溶氧值的值；Y_i——每一时刻溶氧值的回归值。

根据3σ准则，当回归数值与实测数值之差大于等于3σ时，删除对应时刻所有通道的溶解氧值，确保数据的稳定性和准确性。其主要思想就是由于随机误差是服从于正态分布，则误差绝对值主要集中在均值0的附近。

将筛选完毕的数据通过式(1)进行运算，计算出环境温度下的氧质量转移系数K_La(T)。

由于水体温度对于水中溶解氧含量有着很大的影响，为了避免这类影响，需要将环境温度下的氧质量转移系数K_La(T)转换为20℃水温时氧质量转移系数K_La(20)。

20℃水温时氧质量转移系数K_La(20)计算公式如下：

$K_{\mathrm{La}}\left(20\right)=\frac{K_{\mathrm{La}}\left(T\right)}{{1.024}^{(T-20)}}---\left(5\right)$

增氧能力计算公式如下：

Q_s=K_La(20)×V×C_s×10^-3 （6）

式中V为水体体积，单位m³；C_s——对应温度下的饱和溶解氧值。

动力效率计算公式如下：

$E_s=\frac{Q_s}{N}---\left(7\right)$

式中N——实测输入功率，单位kW。

“增氧能力”及“动力效率”的计算按照式（6）（7）计算。

LabVIEW平台对于报表通过NI公司的Generation Report套件生成，报表分为三部分：增氧机试验报告、取样点溶解氧值记录表及溶氧值与时间曲线图。该套件实现对于Word应用的打开，调入标准中规定的模板报告格式，实现参数的逐个录入,最终形成完整的报表。

Claims (1)

1.一种基于LabVIEW的增氧机自动测试系统，其特征在于，包括一台用于在水体中产生溶解氧的增氧机，一台用于检测水体溶解氧的溶氧仪，溶氧仪的输出接入数据采集仪的输入，数据采集仪的输出接入计算机的输入，所述增氧机的另一个输出接入电能分析仪的输入，电能分析仪的输出接入所述计算机的另一个输入，将数据采集仪的接地端、溶氧仪接地端和增氧池地线共接，实现信号的稳定采集，

所述溶氧仪采用美国YSI公司研制型号为YSI-58的溶氧仪，该型号的溶氧仪具有自动温度补偿的膜探头，附带搅拌器，溶氧仪支持电压信号输出，最大输出直流电压为1V，溶氧值变化范围在0～20mg/L之间，精度达到0.01mg/L，所述溶氧仪输出电压值的采集采用单声道接口；

数据采集仪选用GRAPHTEC公司研发的型号为GL900的多路数据采集仪，该多路数据采集仪支持8路通道同时采集，搭载16位A/D转换功能，数据收录最高达到100kHz高速取样，同时还配有内置RAM，最大数据点数达到100万点；

数据采集仪与计算机的连接接口支持USB接口和/或LAN网口，可根据实际情况任选，在所述系统实际运行的过程中，只需要使用前3路通道进行实时溶解氧值的采集；

所述的增氧机电能的消耗值选用型号为DZFC-1型电能分析仪来进行测试，

所述的增氧机自动测试系统采用的是NI公司的LabVIEW平台，在进行测试前首先进行参数的设置，“基本设置一”界面中实现对于检验编号、检测日期、试验的次数选择参数的设置；

在“基本设置二”界面中实现对于试验地点、水温、气压及试验水体积参数的设置，此处水温直接影响氧在水中的饱和溶解值，在输入气温、气压参数的同时已经通过软件自动索引到对应的饱和溶解氧值；

在“高级设置”界面中实现对于采样率、采样间隔及采样通道输入信号类型参数的设置；

参数设置完毕后进入“主测试界面”，等待采集系统采集的溶解氧值到达一定值的时候自动或者通过手动方式开始进行数据收录，收录的数据通过路径选择存入NI公司主推的TDMS格式的二进制文件中，方便后期的调用并查看原始数据；

当采集到的3路溶解氧平均值大于之前索引到的饱和溶解氧值80％的时候，自动停止收录；

通过调用数据处理程序进行后期的数据处理，消除由于增氧机电机的运行及水体电解物质所引起的数据偏移的现象并通过相关标准中算法的运算，最终实现报表的输出及打印，

当3路通道所采集到溶氧值的平均值大于或等于饱和溶解氧值80％时，采集收录停止，对原始数据进行后续的处理，分为3部分：

首先，通过建立线性回归方程的方式，删除偏离回归曲线较大的数据；

其次，当数据筛选完毕之后，依据《SC/T 6009-1999增氧机增氧能力试验方法》中增氧能力及动力效率的算法进行运算处理；

最后，将3路信号通过计算平均值的方式得出水池中总体增氧速率，继续通过建立回归方程的方式最终建立回归曲线以排除无效数据，最终输出增氧机试验报告、取样点溶解氧值记录表及溶氧值与时间曲线图，

《SC/T 6009-1999增氧机增氧能力试验方法》中增氧能力的计算过程中需要结合4个参数推算而出，分别为氧质量转移系数KLa(T)、20℃水温时氧质量转移系数KLa(20)、试验用水体积V及20℃时饱和溶解氧值Cs，

氧质量转移系数KLa(T)计算公式如下：

$K_{La}\left(T\right)=\frac{ln\[(Cs-C1)/(Cs-C2)\]}{t2-t1}\×60---\left(1\right)$

式中C1、C2——t1和t2时的溶解氧值，单位mg/L；t1、t2——C1和C2的读数时间，单位min；Cs的单位是mg/L；T——试验用水水温，单位℃，(Cs-Ct)为每一时刻的亏氧值，

亏氧值的对数与时间t存在着线性关系，KLa(T)为任意水温下的氧质量转移系数，

即将公式(1)转换为线性方程，方程如下：

Yi＝-K△t+Y0； (2)

式中Yi＝ln(Cs-Ci)；

Y0＝ln(Cs-C0)；

K的相反数的60倍即为氧质量转移系数KLa(T)，

根据工程数学中回归分析法，即公式(3)，计算出K值和Y0值，Y0即是0时刻水体中的溶解氧值，线性回归方程推算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_0=\stackrel{-}{Y}+K\stackrel{-}{T}\\ K=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{Y}_i-n\stackrel{-}{X}\stackrel{-}{Y}}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i^2-n\stackrel{-}{X^2}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中n——单通道采集数据的个数；根据回归数值和实测值之间的差值，计算出标准差σ即数据的偏离程度，标准差的计算公式如下：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{{\Σ}_{i=1}^n(X_i-Y_i)}{n-1}}---\left(4\right)$

式中Xi——每一时刻所采集到溶氧值的值；Yi——每一时刻溶氧值的回归值，根据3σ准则，当回归数值与实测数值之差大于等于3σ时，删除对应时刻所有通道的溶解氧值，将筛选完毕的数据通过式(1)进行运算，计算出环境温度下的氧质量转移系数KLa(T)；

将环境温度下的氧质量转移系数KLa(T)转换为20℃水温时氧质量转移系数KLa(20)，

20℃水温时氧质量转移系数KLa(20)计算公式如下：

$K_{La}\left(20\right)=\frac{K_{La}\left(T\right)}{{1.024}^{(T-20)}}---\left(5\right)$

增氧能力计算公式如下：

Qs＝KLa(20)×V×Cs×10-3 (6)

式中V的单位是m3；

动力效率计算公式如下：

$E_s=\frac{Q_s}{N}---\left(7\right)$

式中N——实测输入功率，单位kW，

增氧能力及动力效率的计算按照式(6)、(7)计算，

LabVIEW平台对于报表通过NI公司的Generation Report套件生成，报表分为三部分：增氧机试验报告、取样点溶解氧值记录表及溶氧值与时间曲线图，实现对于Word应用的打开，调入标准中规定的模板报告格式，实现参数的逐个录入,最终形成完整的报表。