專利名稱：：多通道鹽度在線測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及流體的鹽度測量，屬于自動(dòng)化檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及多點(diǎn)鹽度的在線自動(dòng)測量，設(shè)計(jì)的超細(xì)測量電極極大地減小了對被測流體流場的影響。主要應(yīng)用于核電廠、火電廠等的離子排放檢測、水力特性、水質(zhì)監(jiān)測等科研實(shí)驗(yàn)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在諸多科研、實(shí)驗(yàn)工程應(yīng)用中都要研究流體水力特性，例如，火電廠溫排放水力特性、核電廠溫排放水力特性等。進(jìn)行流體水力特性研究時(shí)鹽度是個(gè)很重要的參數(shù)，須對多個(gè)點(diǎn)的鹽度進(jìn)行測量，通過對多個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究進(jìn)而確定其輸鹽特性。目前，還未見到多點(diǎn)鹽度測量系統(tǒng)，雖然有一些鹽度測量儀器，但都是單點(diǎn)測量，且測量電極尺寸過大，嚴(yán)重的影響了被測流體的流場，無法應(yīng)用于水力特性的研究。鹽度測量的方法歸納起來通常有如下三種1、比重法。比重法測量在海洋學(xué)中被廣泛采用。比重是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，單位體積海水的重量與同溫度同體積蒸餾水的重量之比。由于海水比重和海水密度密切相關(guān)，而海水密度又取決于溫度和鹽度，所以比重計(jì)的實(shí)質(zhì)是，從比重求密度，再根據(jù)密度、溫度推求鹽度?？梢?，此種方法不能用于在線自動(dòng)測量。2、折射率法。屬于光學(xué)測量技術(shù)，其原理是當(dāng)一束光通過含鹽水質(zhì)時(shí)，折射率隨鹽度的變化而變化，通過測量光在水質(zhì)中的折射率來確定鹽度，折射率是通過測量折射角來測定。主要由光源、接收光纖、高分辨力CCD光探測器和圖像采集處理軟件等組成，而這些器件的造價(jià)都非常昂貴，加之此類儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了其推廣應(yīng)用。3、電導(dǎo)率法。是利用不同鹽度具有不同導(dǎo)電特性來測定鹽度的，水質(zhì)鹽度與其電導(dǎo)率成正比，通過測量電導(dǎo)率便可計(jì)算出鹽度。目前基于電導(dǎo)率法測量鹽度的儀器存在以下幾個(gè)問題—是單點(diǎn)測量，一臺(tái)儀器只可檢測一個(gè)點(diǎn)，而在流體水力特性的科研實(shí)驗(yàn)中必須同時(shí)測量多點(diǎn)，如火電廠溫排放水力熱力特性研究中監(jiān)測點(diǎn)多達(dá)500個(gè)，這便需要購買500臺(tái)儀器，增大了研究的成本，滿足不了科研的要求。二是測量信號(hào)是利用模擬電路進(jìn)行峰值檢測，導(dǎo)致其測量精度較低。三是測量電極尺寸過大，目前的測量電極直徑最細(xì)的也在12.8mm，這種測量電極嚴(yán)重干擾了被測流體的流場，導(dǎo)致研究的結(jié)果不準(zhǔn)確。四是多數(shù)儀器不能在線自動(dòng)測量，只能通過人工記錄數(shù)據(jù)。少數(shù)能用于在線測量，由于測量精度不高且需要通過DCS系統(tǒng)的采集板卡實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器數(shù)據(jù)的采集，而DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非專業(yè)人員無法應(yīng)用。因此，對科研而言無疑加大了投入成本及使用難度。以上幾種測量鹽度的方法及儀器均不能滿足科研、實(shí)驗(yàn)的要求。急需要有新的既能滿足高精度要求又能進(jìn)行多點(diǎn)在線測量的鹽度測量系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于1、克服傳統(tǒng)鹽度測量儀器只能用于單點(diǎn)測量的不足，解決科研、實(shí)驗(yàn)中鹽度的多點(diǎn)測量問題，滿足科研、實(shí)驗(yàn)的需要。2、提供了一種利用全采樣技術(shù)進(jìn)行鹽度高精度測量的方法。3、提供了一種直徑為5mm超細(xì)測量電極，大大地減小了對被測流體流場的影響。4、解決鹽度的在線測量，并將結(jié)果遠(yuǎn)距離自動(dòng)傳輸、保存的問題。5、降低造價(jià)，提供一種可廣泛應(yīng)用于科研、實(shí)驗(yàn)的低成本鹽度測量系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)多通道鹽度在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括正弦信號(hào)發(fā)生電路、通道選擇電路、測量電極、測量信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器電路、遠(yuǎn)程通訊電路、計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。正弦信號(hào)送至通道選擇電路，通道選擇電路將正弦信號(hào)依次施加于各個(gè)測量電極，施加到測量電極兩端的電壓信號(hào)經(jīng)由放大器接收，放大器的輸出送至A/D轉(zhuǎn)換電路，微控制器讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，該結(jié)果經(jīng)過計(jì)算處理得到鹽度值，該鹽度值經(jīng)過RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了專門的應(yīng)用軟件用于接收傳輸來的數(shù)據(jù)并將其自動(dòng)保存，而且可以繪制各個(gè)測量通道的實(shí)時(shí)曲線。所述的通道選擇電路是由信號(hào)繼電器組成的邏輯開關(guān)陣列，其通道的選擇由微控制器指定，完成各個(gè)通道的巡檢，一個(gè)通道為一個(gè)測量點(diǎn)；所述的測量電極為柱狀絕緣體上鑲嵌的兩個(gè)環(huán)形鉑金圈；所述RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)，電氣特性為RS-485，通訊協(xié)議M0DBUS;所述的應(yīng)用軟件是由VC編寫而成。本發(fā)明中的正弦信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的交流電壓為鹽度測量提供激勵(lì)，交流激勵(lì)電壓可以有效防止由測量電極的極化所引起的測量誤差。在交變電場的作用下，兩電極環(huán)的極性周期性的不斷改變，交替地進(jìn)行著相反的過程，可維持電極附近正負(fù)離子的平衡，消除離子沉積。本發(fā)明還提供了一種利用全采樣技術(shù)進(jìn)行鹽度高精度測量的方法，該方法工作原理如下，正弦信號(hào)發(fā)生電路發(fā)出激勵(lì)電壓，該激勵(lì)電壓施加于測量電極，測量電極與被測流體接觸，而被測流體含有的鹽份離子具有導(dǎo)電特性，三者構(gòu)成一閉合回路，因此測量電極上可檢測到與鹽度相關(guān)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行全波采樣，采樣結(jié)果傳送至微控制器；微控制器通過積分的方法求取該波周期內(nèi)所包絡(luò)區(qū)域的面積，該面積與鹽度成正比，進(jìn)而計(jì)算出鹽度。鹽度與溫度有關(guān)，須同時(shí)給出測得鹽度時(shí)的溫度，溫度值可使用其它溫度測量儀表測得。本發(fā)明的測量電極為浸入式，測量部分直徑僅5mm，高度僅25mm，極大地減小了測量電極對被測流體在水平方向和垂直方向上流場特性的影響。浸入深度可根據(jù)應(yīng)用靈活改變，只要保證被測流體完全淹沒兩電極環(huán)即可。本發(fā)明是一種在線測量、測量結(jié)果遠(yuǎn)距離自動(dòng)傳輸保存的鹽度測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)通過RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過所設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件周期地向測量系統(tǒng)發(fā)送命令，測量系統(tǒng)采用中斷_響應(yīng)方式接收命令，當(dāng)通訊網(wǎng)絡(luò)有命令發(fā)送來時(shí)觸發(fā)中斷，在響應(yīng)程序中接收，當(dāng)命令與自己的通訊地址和參數(shù)類型相一致的時(shí)加以響應(yīng)，向計(jì)算機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)；否則放棄響應(yīng)。計(jì)算機(jī)接收到測量系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)顯示，并將其保存以供日后分析研究，減輕了人工記錄的負(fù)擔(dān)，還可繪制各個(gè)測量通道的鹽度實(shí)時(shí)曲線以直觀顯示變化趨勢。在鹽度測量前需進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定測量系統(tǒng)的零點(diǎn)、量程和求解線性化斜率，計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件上設(shè)計(jì)有標(biāo)定菜單。零點(diǎn)標(biāo)定使用去離子水，將電極浸入去離子水中，讀數(shù)穩(wěn)定后由應(yīng)用軟件將其輸入鹽度測量系統(tǒng)。量程標(biāo)定根據(jù)應(yīng)用而定，取值應(yīng)使其鹽度測量的最大值落在量程的三分之二處，如被測鹽度的最大值為20，則量程應(yīng)設(shè)為30;須配制1個(gè)已知濃度的NaCl溶液，將電極浸入已知濃度的NaCl溶液，讀數(shù)穩(wěn)定后由應(yīng)用軟件輸入該NaCl溶液的濃度。還需再配制1個(gè)在量程內(nèi)的已知濃度的NaCl溶液，讀數(shù)穩(wěn)定后由應(yīng)用軟件輸入該濃度；上述3個(gè)值輸入后測量系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立線性回歸方程求解回歸系數(shù)，并將回歸系數(shù)保存到測量系統(tǒng)。標(biāo)定完成后便可進(jìn)行鹽度測量。圖1是本發(fā)明的整體原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例正弦信號(hào)發(fā)生電路原理圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的通道選擇電路原理圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的測量電極。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的測量信號(hào)放大電路原理圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例的微控制器電路原理圖。圖8是本發(fā)明實(shí)施例的遠(yuǎn)程通訊電路原理圖。圖9是本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用軟件流程圖。具體實(shí)施例方式在下文中結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式和過程作更詳盡的說明，以下實(shí)施例用于本發(fā)明，但并不用來限制本發(fā)明的范圍及形式。圖1示出本發(fā)明的整體原理結(jié)構(gòu)圖。本多通道鹽度在線測量系統(tǒng)包括正弦信號(hào)發(fā)生電路1、通道選擇電路2、信號(hào)放大電路3、A/D轉(zhuǎn)換電路4、微控制器5、電源6、就地操作7、RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)8、RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換電路9。系統(tǒng)電源6為5VDC供電；就地操作7可在就地進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定；10為接線端子，接測量電極；RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換電路用于配接計(jì)算機(jī)，進(jìn)行RS-485/RS-232的雙向轉(zhuǎn)換。圖2的正弦信號(hào)發(fā)生電路在微控制器5端口PB1控制下產(chǎn)生正弦信號(hào)，其本質(zhì)上一變型多諧振蕩器，其負(fù)載是電感線圈，作用是對多諧振蕩器輸出的方波的上升沿和下降沿進(jìn)行抑制，使負(fù)載輸出波形為正弦波。Tl是耦合變壓器，其次級(jí)線圈產(chǎn)生正弦交流感應(yīng)電動(dòng)勢，其輸出端口為Portl、Port2，該電動(dòng)勢通過通道選擇電路施加于測量電極兩端，RP為電極匹配電阻。通道選擇電路如圖3所示，由32選1邏輯開關(guān)陣列構(gòu)成。其輸入信號(hào)X、Y來自正弦信號(hào)發(fā)生電路的輸出端口Portl、Port2，輸出端子為X0、Y0，Xl、Yl，X2、Y2，...，X30、Y30，X31、Y31，共32個(gè)輸出通道，輸出端子分別接至測量電極1至32，可接32個(gè)測量電極。輸入信號(hào)選擇哪一通道進(jìn)行輸出由邏輯控制端A4、A3、A2、Al、A0決定，邏輯控制信號(hào)來源于微控制器5的引腳PD7、PAO、PA1、PA2、PA3。通道選擇電路工作與否由使能端EN確定，EN接于微控制器5的引腳PD6。邏輯關(guān)系見表1。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>圖4為測量電極，結(jié)構(gòu)如下，13為柱狀絕緣材料，采用結(jié)晶型熱塑性聚酯-聚對苯二甲酸丁二醇酯作為支撐骨架，其直徑5mm，高度25mm。14為兩鉑金圈，寬度3mm，間距10mm。11為焊接在兩鉑金圈上的電極導(dǎo)線。12為不銹鋼鋼管，直徑2.5mm，其內(nèi)部為電極導(dǎo)線11。制作工藝為在絕緣支撐骨架13上鑲嵌兩鉑金圈，內(nèi)部嵌入不銹鋼鋼管12，鉑金圈上焊接的導(dǎo)線通過12引出，采用熱注塑方法使其成型。圖5給出了測量信號(hào)放大電路，測量電路是要測量施加于電極兩端(Portl、Port2)的正弦交流信號(hào)，由于正弦交流信號(hào)電路產(chǎn)生的信號(hào)為毫伏級(jí)，幅值過小，因此測量電路必須將其放大，以提高測量系統(tǒng)的分辨率和方便A/D轉(zhuǎn)換電路采樣。運(yùn)放選用AD8552，雙端差動(dòng)輸入，運(yùn)放的輸出信號(hào)A/D接A/D轉(zhuǎn)換電路。其中，電容C8主要是濾除測量電極上拾回來的高頻雜波，電容C7主要是電源平滑濾波，C9用于抗高頻干擾。圖6給出了A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖。A/D轉(zhuǎn)換電路以AD7705為核心設(shè)計(jì)，AD7705是AD公司生產(chǎn)的雙通道16位E_A型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該器件接受模擬信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。選定的輸入信號(hào)被送到一個(gè)基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端，片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號(hào)并將其送至三線串行接口以完成輸出。其串行接口可與具有SPI接口的單片機(jī)系統(tǒng)直接相連。AD7705的時(shí)鐘頻率設(shè)為2.4576MHz，電源電壓VCC為5VDC。ANl+接模擬輸入信號(hào)的正端，ANl-接模擬輸入信號(hào)的負(fù)端。AD7705與微控制器ATmega16連接方式如下片選端CS-PD4;復(fù)位端RESET-PD5;邏輯輸出端DRRY-PB3;串行數(shù)據(jù)輸入端DIN-PB5;串行數(shù)據(jù)輸出端D0UT-PB6;串行時(shí)鐘SCLK-PB7。芯片REF192為基準(zhǔn)電壓源，為AD7705提供2.5V基準(zhǔn)電壓，其輸出引腳6到地之間須并接0.luF的電容C5和lOuF的電容C6以保證其輸出電壓精準(zhǔn)。圖7給出了微控制器電路。微控制器采用Atmel公司的高速嵌入式單片機(jī)ATmega16，該電路有如下功能1、通過引腳PB1控制正弦激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生。2、控制通道選擇電路，通過引腳PD6以及PD7、PA0、PA1、PA2、PA3輪流選中各個(gè)測量通道。3、通過SPI接口控制A/D轉(zhuǎn)換電路，以完成數(shù)據(jù)的采集。4、與計(jì)算機(jī)軟件共同完成測量系統(tǒng)的標(biāo)定。5、對采集數(shù)據(jù)應(yīng)用全采樣技術(shù)進(jìn)行處理以求取鹽度。6、通過通訊電路與計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。圖8給出了遠(yuǎn)程通訊電路。用于和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，采用RS-485通訊接口，RS-485通訊接口具有良好的抗噪聲干擾性，傳輸距離長，通訊站點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)。以芯片MAX3485為核心，RXD接圖7用于RS-485數(shù)據(jù)的接收，TXD接于圖7用于RS-485數(shù)據(jù)的發(fā)送，485A、485B分別接于RS-485總線上。通訊協(xié)議采用MODBUSRTU通訊協(xié)議，采用命令_響應(yīng)方式，測量系統(tǒng)不斷監(jiān)聽計(jì)算機(jī)發(fā)送來的命令，監(jiān)聽到正確命令后應(yīng)答響應(yīng)。該電路一方面將系統(tǒng)32個(gè)通道的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；另一方面接收計(jì)算機(jī)傳輸來命令。與測量系統(tǒng)通訊的計(jì)算機(jī)端需要配接RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器。圖9給出了應(yīng)用軟件流程圖，采用VC編寫而成。測量系統(tǒng)與應(yīng)用軟件共同完成標(biāo)定，標(biāo)定完成后方可進(jìn)行在線測量，應(yīng)用軟件設(shè)有標(biāo)定菜單、繪制曲線菜單、通訊菜單、自動(dòng)保存菜單。權(quán)利要求多通道鹽度在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括正弦信號(hào)發(fā)生電路、通道選擇電路、測量電極、測量信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制器電路、遠(yuǎn)程通訊電路、計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。其特征在于通過全采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鹽度的高精度測量，獨(dú)特的通道選擇電路實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)鹽度的測量，遠(yuǎn)程通訊電路實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，應(yīng)用軟件自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和繪制實(shí)時(shí)曲線，測量電極極大地減小了對被測流體流場的影響。2.如權(quán)利要求1所述的鹽度測量系統(tǒng)，其特征在于所述正弦信號(hào)發(fā)生電路是受控多諧振蕩器經(jīng)變壓器耦合發(fā)出正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)施加于測量電極。3.如權(quán)利要求1所述的鹽度測量系統(tǒng)，其特征在于所述通道選擇電路由微控制器控制的32選1邏輯開關(guān)陣列構(gòu)成，32個(gè)通道每個(gè)通道各接一個(gè)測量電極。4.如權(quán)利要求1所述的鹽度測量系統(tǒng)，其特征在于所述測量電極為超細(xì)柱狀鉑金電極，采用結(jié)晶型熱塑性聚酯_聚對苯二甲酸丁二醇酯作為支撐骨架，其直徑5mm，高度25mm;兩鉑金圈寬度3mm，間距10mm。不銹鋼鋼管直徑2.5mm，其內(nèi)部為電極導(dǎo)線。制作工藝為通過熱注塑方法使其成型。5.如權(quán)利要求1所述的鹽度測量系統(tǒng)，其特征在于所述全采樣技術(shù)為對測量電極兩端信號(hào)進(jìn)行全波采樣，微控制器通過積分的方法求取該波周期內(nèi)所包絡(luò)區(qū)域的面積，該面積與鹽度成正比，實(shí)現(xiàn)鹽度的高精度測量。6.如權(quán)利要求1所述的鹽度測量系統(tǒng)，其特征在于所測的鹽度通過RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)，按照M0DBUS協(xié)議規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。全文摘要一種多通道鹽度在線測量系統(tǒng)，屬于自動(dòng)化檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
。是一種同時(shí)測量多點(diǎn)鹽度的自動(dòng)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括正弦信號(hào)產(chǎn)生電路、通道選擇電路、測量電極、信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路、微控制器電路、遠(yuǎn)程通訊電路、計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件。通過對測量信號(hào)的全波采樣，微控制器求取該波周期內(nèi)所包絡(luò)區(qū)域的面積，該面積與鹽度成正比，實(shí)現(xiàn)鹽度的高精度測量。通過獨(dú)特的通道選擇電路實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)鹽度的測量。通過遠(yuǎn)程通訊電路實(shí)現(xiàn)了測量信號(hào)的遠(yuǎn)傳，應(yīng)用軟件自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和繪制曲線。設(shè)計(jì)的超細(xì)測量電極極大地減小了對被測流體流場的影響。是一種成本低，精度高的可廣泛用于科研、實(shí)驗(yàn)的多點(diǎn)鹽度測量系統(tǒng)。文檔編號(hào)G01N27/30GK101788526SQ200910247140公開日2010年7月28日申請日期2009年11月24日優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日發(fā)明者李利全,李海香,田淳,閆瑞杰申請人:閆瑞杰