朱天一，羅益民

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 引言

目前循環(huán)水的濃縮倍數(shù)大多在2～3左右[1]。濃縮倍數(shù)是衡量水質(zhì)控制好壞的一個重要綜合指標(biāo)，必須嚴(yán)格控制。現(xiàn)在大多數(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)都是通過測量循環(huán)水和補償水中的某一組分的比值，例如Cl-、Ca2+、SiO2、K+。這些組分測量起來對于環(huán)境要求比較高，不能受其他條件如加熱、投加水處理劑、沉積、結(jié)垢等情況的干擾。針對這些問題，在分析傳統(tǒng)的測量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了濃縮倍數(shù)測量儀，包含雙電導(dǎo)的測量：一個是循環(huán)水的電導(dǎo)測量，另一個是補償水的電導(dǎo)測量，然后直接計算并顯示出濃縮倍數(shù)。這樣便于控制循環(huán)水的加藥和排污，該系統(tǒng)以正零負(fù)脈沖為激勵源，可以很好地抑制正弦干擾，并使用無線傳輸數(shù)據(jù)。

1 濃縮倍數(shù)測量原理

循環(huán)水系統(tǒng)日常運行時，濃縮倍數(shù)的檢測一般是根據(jù)循環(huán)水和補償水中某一種組分的濃度或某一性質(zhì)之比來計算的[1]。即：

K=C循/C補

(1)

式中：C循為循環(huán)水中某一組分的濃度；C補為補償水中某一組分的濃度。

該濃縮倍數(shù)測量儀使用的是電導(dǎo)測量法，用循環(huán)水和補償水電導(dǎo)率的比值來計算。即：

K=G循/G補

(2)

式中：G循為循環(huán)水的電導(dǎo)率；G補為補償水的電導(dǎo)率。

2 濃縮倍數(shù)測量儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計

工業(yè)循環(huán)水用濃縮倍數(shù)測量儀主要由微處理器、測量傳感器模塊、鐵電存儲器、鍵盤、LCD液晶顯示屏及報警、RS485通訊模塊、GPRS模塊等組成。硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

主控制器是用C8051F021。它具有微控制器核心流水線處理技術(shù)，而且高效，且兼容MCS-51命令集，還帶有各種總線接口和數(shù)字和模擬系統(tǒng)所需的外設(shè)。

2.1激勵源產(chǎn)生電路

圖2 激勵源示意圖

電導(dǎo)率測量采用了新的激勵方案，用正零負(fù)脈沖源作為系統(tǒng)的激勵源，如圖2所示。因為在激勵源電壓為0的時候，溶液本身也會有微弱的電勢，這樣會對結(jié)果產(chǎn)生影響，應(yīng)校準(zhǔn)。正零負(fù)信號可以有效地減弱溶液的介質(zhì)極化效應(yīng)，同時還可以減弱溶液自身電勢對電導(dǎo)率測量的影響。

圖3 激勵源電路

激勵信號產(chǎn)生電路如圖3所示?；鶞?zhǔn)電壓源MC1403產(chǎn)生2.5 V電壓信號，通過分壓，產(chǎn)生1 V電壓，經(jīng)過電壓跟隨器和反相放大器，產(chǎn)生+1 V和-1 V，再通過模擬開關(guān)CD4052切換產(chǎn)生1 kHz激勵信號，控制CD4052的信號由主控制芯片C8051F021產(chǎn)生。

2．2電導(dǎo)測量電路

測量過程中被測溶液可以看成通過直流電壓，只要知道兩端電壓差，就可以根據(jù)電導(dǎo)電壓換算得出電導(dǎo)值。電導(dǎo)率簡化測量電路如圖4，E為等幅值的電壓，S為模擬開關(guān)，PGA202為專用的程控增益放大器。通過橋式電路，測量電導(dǎo)池上的電壓信號，通過程控增益放大器放大信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和一系列的數(shù)據(jù)處理得出電導(dǎo)，用此方法同時測量出循環(huán)水和補償水的電導(dǎo)，再進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理得出濃縮倍數(shù)。PGA202增益控制輸入端A0、A1可選擇4種增益，這就滿足了測量不同范圍的電導(dǎo)率的需求。

圖4 電導(dǎo)測量電路

2．3溫度測量電路

測量儀采用了電橋電路。采用三線制接法，這種接法可以消除導(dǎo)線電阻，測量探頭使用Pt100(Pt1000)，電路可以自適應(yīng)Pt100和Pt1000，通過電子模擬開關(guān)實現(xiàn)，通過此方法即可精確采集溫度信號[3]。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序包括：初始化子程序、 雙電導(dǎo)采樣子程序、 溫度采樣子程序、 數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序、鍵掃描程序、通訊子程序等[4]。主程序流程如圖5所示：程序采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境選擇了Keil μ Vision4，其功能強大，具有完備的程序調(diào)試功能，通過與U-EC5仿真器的配合，可將源碼編譯生成的可執(zhí)行文件通過單片機(jī)的JTAG接口下載到單片機(jī)的存儲器中，同時Keil可以直接在線調(diào)試，并可以實時監(jiān)控。

圖5 主程序流程圖

3．1電導(dǎo)測量數(shù)據(jù)處理

在現(xiàn)場會有各種干擾所造成的不正常的結(jié)果。因此，要對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。抗脈沖干擾平均濾波法的特征在于先用中值濾波算法濾掉采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進(jìn)行遞推平均濾波。在該系統(tǒng)中，具體方法是：生成一個大小為40的一維數(shù)組，按一定順序把采集的電導(dǎo)率值存儲起來，去除最大和最小值，再讀入2個新的采樣值，接著使用中值濾波去掉最大和最小值，最后求出剩下的38樣本的的平均值。

用公式表示：

(3)

3．2溫度信號數(shù)據(jù)處理

3．2．1 溫度測量信號數(shù)據(jù)處理

由于Pt100或者Pt1000的電阻和溫度并不是完全線性化，所以采用查表和線性插值相結(jié)合的方法保證測量準(zhǔn)確。具體方法如下：把Pt100(Pt1000)的分度表預(yù)先存儲在單片機(jī)里，在-50～200 ℃之間，每隔2°就建立一個溫度和電阻的映射。在測量過程中首先把監(jiān)測到的電阻，選擇在一個區(qū)間內(nèi)，然后查出這個區(qū)間的端點值所對應(yīng)的溫度，再進(jìn)行線性插值即可算出當(dāng)前溫度值T0[3]。其計算公式如下：

(4)

式中：Ra和Rb為所查區(qū)間端點電阻值；Ta和T0為Ra和R0分別所對應(yīng)的溫度。

3．2．2 溫度補償

在不同的溫度下，溶液的電導(dǎo)率會發(fā)生改變，為了更準(zhǔn)確地測量溶液的電導(dǎo)率，一般要對電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補償。

電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系如下：

Gt=Gt0[1+β1(t-t0)+β2(t-t0)2]

(5)

式中：Gt是t℃時的電導(dǎo)率，μS/cm；Gt0是t0℃時的電導(dǎo)率，μS/cm；β1和β2為溫度系數(shù)。

一般情況下，會舍去高階得到：

Gt=Gt0[1+β1(t-t0)]

(6)

通常t0取25 ℃，β1可以近似取0.02。

4 通訊

根據(jù)實際要求，可以給儀表配置不同的通訊方式，該系統(tǒng)具有2種可選通訊方式：RS485通訊、GPRS通訊。RS485通訊比較穩(wěn)定，通訊距離也較長。

無線通訊需要配置無線通信模塊sim300，sim300模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，只要用戶通過IP協(xié)議模式發(fā)送數(shù)據(jù)sim300模塊會自動將用戶數(shù)據(jù)以IP協(xié)議的格式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。方法如下：首先，用戶要找到一個有外網(wǎng)IP地址的服務(wù)器，然后通過sim300進(jìn)行連接，接通了服務(wù)器會有提示，最后sim300向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)就可以了。

5 結(jié)束語

濃縮倍數(shù)在線監(jiān)測儀主要由2臺電導(dǎo)率測量儀組成。它既可以充當(dāng)電導(dǎo)率表，也可以充當(dāng)濃縮倍數(shù)測量儀，用途比較廣泛。在儀表的設(shè)計上采用了新的測試技術(shù)，使得測試準(zhǔn)確，性能更可靠。在此基礎(chǔ)上，又增加了控制和計算機(jī)通訊等許多新的功能，使得這一新產(chǎn)品既能滿足現(xiàn)場電導(dǎo)率的測量要求，也能滿足現(xiàn)場濃縮倍數(shù)測試要求，實現(xiàn)控制加藥和排污等功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]何世梅，循環(huán)水濃縮倍數(shù)的檢測方法及控制指標(biāo)．中國結(jié)水排水，2000(6)：49-51．

[2]林波，張效瑋，賈科進(jìn)，等．基于雙極性脈沖電壓的水電導(dǎo)率儀控制系統(tǒng)的設(shè)計．電子器件，2007(3)：195-199．

[3]徐品政，羅益民．新型污垢熱阻在線監(jiān)測儀的研制．自動化儀表，2011，32(8)：85-88．

[4]羅延廷，金心宇．基于高精度定時器的材料電阻實時采集系統(tǒng)．傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(3)：216-219．

[5]林曉梅，尤文，李慧，等．智能在線電導(dǎo)率分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)．自動化與儀器儀表，2003(5)：33-34．

作者簡介：朱天一(1990-)，碩士研究生，主要研究方向：智能工業(yè)儀表的研制，工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計與監(jiān)控。

E-mail：zhutianyi1020@126．com

羅益民(1958-)，高級工程師，主要研究方向：檢測儀器的研發(fā)及應(yīng)用，水處理專用設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用。

E-mail：luoyimin1234@126．com