專利名稱：：多通道鹽度在線測量系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及流體的鹽度測量，屬于自動化檢測
技術領域：
，特別涉及多點鹽度的在線自動測量，設計的超細測量電極極大地減小了對被測流體流場的影響。主要應用于核電廠、火電廠等的離子排放檢測、水力特性、水質監測等科研實驗工程領域。
背景技術：
：在諸多科研、實驗工程應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。進行流體水力特性研究時鹽度是個很重要的參數，須對多個點的鹽度進行測量，通過對多個點的測量數據進行分析研究進而確定其輸鹽特性。目前，還未見到多點鹽度測量系統，雖然有一些鹽度測量儀器，但都是單點測量，且測量電極尺寸過大，嚴重的影響了被測流體的流場，無法應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中被廣泛采用。比重是一個標準大氣壓下，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，而海水密度又取決于溫度和鹽度，所以比重計的實質是，從比重求密度，再根據密度、溫度推求鹽度。可見，此種方法不能用于在線自動測量。2、折射率法。屬于光學測量技術，其原理是當一束光通過含鹽水質時，折射率隨鹽度的變化而變化，通過測量光在水質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，而這些器件的造價都非常昂貴，加之此類儀器結構復雜，限制了其推廣應用。3、電導率法。是利用不同鹽度具有不同導電特性來測定鹽度的，水質鹽度與其電導率成正比，通過測量電導率便可計算出鹽度。目前基于電導率法測量鹽度的儀器存在以下幾個問題—是單點測量，一臺儀器只可檢測一個點，而在流體水力特性的科研實驗中必須同時測量多點，如火電廠溫排放水力熱力特性研究中監測點多達500個，這便需要購買500臺儀器，增大了研究的成本，滿足不了科研的要求。二是測量信號是利用模擬電路進行峰值檢測，導致其測量精度較低。三是測量電極尺寸過大，目前的測量電極直徑最細的也在12.8mm，這種測量電極嚴重干擾了被測流體的流場，導致研究的結果不準確。四是多數儀器不能在線自動測量，只能通過人工記錄數據。少數能用于在線測量，由于測量精度不高且需要通過DCS系統的采集板卡實現多臺儀器數據的采集，而DCS系統結構復雜，非專業人員無法應用。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、實驗的要求。急需要有新的既能滿足高精度要求又能進行多點在線測量的鹽度測量系統。
發明內容本發明的目的在于1、克服傳統鹽度測量儀器只能用于單點測量的不足，解決科研、實驗中鹽度的多點測量問題，滿足科研、實驗的需要。2、提供了一種利用全采樣技術進行鹽度高精度測量的方法。3、提供了一種直徑為5mm超細測量電極，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，并將結果遠距離自動傳輸、保存的問題。5、降低造價，提供一種可廣泛應用于科研、實驗的低成本鹽度測量系統。為了實現上述目的，本發明通過如下技術方案實現多通道鹽度在線測量系統，該系統包括正弦信號發生電路、通道選擇電路、測量電極、測量信號放大電路、A/D轉換電路、微控制器電路、遠程通訊電路、計算機應用軟件。正弦信號送至通道選擇電路，通道選擇電路將正弦信號依次施加于各個測量電極，施加到測量電極兩端的電壓信號經由放大器接收，放大器的輸出送至A/D轉換電路，微控制器讀取A/D轉換結果，該結果經過計算處理得到鹽度值，該鹽度值經過RS-485通訊網絡傳輸至遠程計算機；計算機設計了專門的應用軟件用于接收傳輸來的數據并將其自動保存，而且可以繪制各個測量通道的實時曲線。所述的通道選擇電路是由信號繼電器組成的邏輯開關陣列，其通道的選擇由微控制器指定，完成各個通道的巡檢，一個通道為一個測量點；所述的測量電極為柱狀絕緣體上鑲嵌的兩個環形鉑金圈；所述RS-485通訊網絡，電氣特性為RS-485，通訊協議M0DBUS;所述的應用軟件是由VC編寫而成。本發明中的正弦信號發生電路產生的交流電壓為鹽度測量提供激勵，交流激勵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，兩電極環的極性周期性的不斷改變，交替地進行著相反的過程，可維持電極附近正負離子的平衡，消除離子沉積。本發明還提供了一種利用全采樣技術進行鹽度高精度測量的方法，該方法工作原理如下，正弦信號發生電路發出激勵電壓，該激勵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電特性，三者構成一閉合回路，因此測量電極上可檢測到與鹽度相關的電壓信號，該電壓信號經放大后由A/D轉換電路進行全波采樣，采樣結果傳送至微控制器；微控制器通過積分的方法求取該波周期內所包絡區域的面積，該面積與鹽度成正比，進而計算出鹽度。鹽度與溫度有關，須同時給出測得鹽度時的溫度，溫度值可使用其它溫度測量儀表測得。本發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。浸入深度可根據應用靈活改變，只要保證被測流體完全淹沒兩電極環即可。本發明是一種在線測量、測量結果遠距離自動傳輸保存的鹽度測量系統。測量系統通過RS-485通訊網絡將測量數據進行遠距離傳輸，遠程計算機通過所設計的應用軟件周期地向測量系統發送命令，測量系統采用中斷_響應方式接收命令，當通訊網絡有命令發送來時觸發中斷，在響應程序中接收，當命令與自己的通訊地址和參數類型相一致的時加以響應，向計算機發送測量數據；否則放棄響應。計算機接收到測量系統發送來的數據后實時顯示，并將其保存以供日后分析研究，減輕了人工記錄的負擔，還可繪制各個測量通道的鹽度實時曲線以直觀顯示變化趨勢。在鹽度測量前需進行標定，標定測量系統的零點、量程和求解線性化斜率，計算機應用軟件上設計有標定菜單。零點標定使用去離子水，將電極浸入去離子水中，讀數穩定后由應用軟件將其輸入鹽度測量系統。量程標定根據應用而定，取值應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，則量程應設為30;須配制1個已知濃度的NaCl溶液，將電極浸入已知濃度的NaCl溶液，讀數穩定后由應用軟件輸入該NaCl溶液的濃度。還需再配制1個在量程內的已知濃度的NaCl溶液，讀數穩定后由應用軟件輸入該濃度；上述3個值輸入后測量系統會自動建立線性回歸方程求解回歸系數，并將回歸系數保存到測量系統。標定完成后便可進行鹽度測量。圖1是本發明的整體原理結構示意圖。圖2是本發明實施例正弦信號發生電路原理圖。圖3是本發明實施例的通道選擇電路原理圖。圖4是本發明實施例的測量電極。圖5是本發明實施例的測量信號放大電路原理圖。圖6是本發明實施例的A/D轉換電路原理圖。圖7是本發明實施例的微控制器電路原理圖。圖8是本發明實施例的遠程通訊電路原理圖。圖9是本發明實施例的應用軟件流程圖。具體實施例方式在下文中結合附圖對本發明的具體實施方式和過程作更詳盡的說明，以下實施例用于本發明，但并不用來限制本發明的范圍及形式。圖1示出本發明的整體原理結構圖。本多通道鹽度在線測量系統包括正弦信號發生電路1、通道選擇電路2、信號放大電路3、A/D轉換電路4、微控制器5、電源6、就地操作7、RS-485通訊網絡8、RS-485/RS-232轉換電路9。系統電源6為5VDC供電；就地操作7可在就地進行系統標定；10為接線端子，接測量電極；RS-485/RS-232轉換電路用于配接計算機，進行RS-485/RS-232的雙向轉換。圖2的正弦信號發生電路在微控制器5端口PB1控制下產生正弦信號，其本質上一變型多諧振蕩器，其負載是電感線圈，作用是對多諧振蕩器輸出的方波的上升沿和下降沿進行抑制，使負載輸出波形為正弦波。Tl是耦合變壓器，其次級線圈產生正弦交流感應電動勢，其輸出端口為Portl、Port2，該電動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邏輯開關陣列構成。其輸入信號X、Y來自正弦信號發生電路的輸出端口Portl、Port2，輸出端子為X0、Y0，Xl、Yl，X2、Y2，...，X30、Y30，X31、Y31，共32個輸出通道，輸出端子分別接至測量電極1至32，可接32個測量電極。輸入信號選擇哪一通道進行輸出由邏輯控制端A4、A3、A2、Al、A0決定，邏輯控制信號來源于微控制器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。邏輯關系見表1。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>圖4為測量電極，結構如下，13為柱狀絕緣材料，采用結晶型熱塑性聚酯-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線。12為不銹鋼鋼管，直徑2.5mm，其內部為電極導線11。制作工藝為在絕緣支撐骨架13上鑲嵌兩鉑金圈，內部嵌入不銹鋼鋼管12，鉑金圈上焊接的導線通過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，由于正弦交流信號電路產生的信號為毫伏級，幅值過小，因此測量電路必須將其放大，以提高測量系統的分辨率和方便A/D轉換電路采樣。運放選用AD8552，雙端差動輸入，運放的輸出信號A/D接A/D轉換電路。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轉換電路原理圖。A/D轉換電路以AD7705為核心設計，AD7705是AD公司生產的雙通道16位E_A型高精度模數轉換器，該器件接受模擬信號，然后產生串行的數字輸出。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調制器的增益可編程專用前端，片內數字濾波器處理調制器的輸出信號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接口的單片機系統直接相連。AD7705的時鐘頻率設為2.4576MHz，電源電壓VCC為5VDC。ANl+接模擬輸入信號的正端，ANl-接模擬輸入信號的負端。AD7705與微控制器ATmega16連接方式如下片選端CS-PD4;復位端RESET-PD5;邏輯輸出端DRRY-PB3;串行數據輸入端DIN-PB5;串行數據輸出端D0UT-PB6;串行時鐘SCLK-PB7。芯片REF192為基準電壓源，為AD7705提供2.5V基準電壓，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。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ATmega16，該電路有如下功能1、通過引腳PB1控制正弦激勵信號的產生。2、控制通道選擇電路，通過引腳PD6以及PD7、PA0、PA1、PA2、PA3輪流選中各個測量通道。3、通過SPI接口控制A/D轉換電路，以完成數據的采集。4、與計算機軟件共同完成測量系統的標定。5、對采集數據應用全采樣技術進行處理以求取鹽度。6、通過通訊電路與計算機進行遠程數據傳輸。圖8給出了遠程通訊電路。用于和計算機進行數據通訊，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，通訊站點多等優點。以芯片MAX3485為核心，RXD接圖7用于RS-485數據的接收，TXD接于圖7用于RS-485數據的發送，485A、485B分別接于RS-485總線上。通訊協議采用MODBUSRTU通訊協議，采用命令_響應方式，測量系統不斷監聽計算機發送來的命令，監聽到正確命令后應答響應。該電路一方面將系統32個通道的測量數據傳輸到計算機；另一方面接收計算機傳輸來命令。與測量系統通訊的計算機端需要配接RS-485/RS-232轉換器。圖9給出了應用軟件流程圖，采用VC編寫而成。測量系統與應用軟件共同完成標定，標定完成后方可進行在線測量，應用軟件設有標定菜單、繪制曲線菜單、通訊菜單、自動保存菜單。權利要求多通道鹽度在線測量系統，該系統包括正弦信號發生電路、通道選擇電路、測量電極、測量信號放大電路、A/D轉換電路、微控制器電路、遠程通訊電路、計算機應用軟件。其特征在于通過全采樣技術，實現鹽度的高精度測量，獨特的通道選擇電路實現多點鹽度的測量，遠程通訊電路實現了測量數據的遠傳，應用軟件自動保存數據和繪制實時曲線，測量電極極大地減小了對被測流體流場的影響。2.如權利要求1所述的鹽度測量系統，其特征在于所述正弦信號發生電路是受控多諧振蕩器經變壓器耦合發出正弦信號，該正弦信號施加于測量電極。3.如權利要求1所述的鹽度測量系統，其特征在于所述通道選擇電路由微控制器控制的32選1邏輯開關陣列構成，32個通道每個通道各接一個測量電極。4.如權利要求1所述的鹽度測量系統，其特征在于所述測量電極為超細柱狀鉑金電極，采用結晶型熱塑性聚酯_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，其內部為電極導線。制作工藝為通過熱注塑方法使其成型。5.如權利要求1所述的鹽度測量系統，其特征在于所述全采樣技術為對測量電極兩端信號進行全波采樣，微控制器通過積分的方法求取該波周期內所包絡區域的面積，該面積與鹽度成正比，實現鹽度的高精度測量。6.如權利要求1所述的鹽度測量系統，其特征在于所測的鹽度通過RS-485通訊網絡，按照M0DBUS協議規范進行數據遠距離傳輸。全文摘要一種多通道鹽度在線測量系統，屬于自動化檢測
技術領域：
。是一種同時測量多點鹽度的自動測量系統，該系統包括正弦信號產生電路、通道選擇電路、測量電極、信號采集轉換電路、微控制器電路、遠程通訊電路、計算機應用軟件。通過對測量信號的全波采樣，微控制器求取該波周期內所包絡區域的面積，該面積與鹽度成正比，實現鹽度的高精度測量。通過獨特的通道選擇電路實現多點鹽度的測量。通過遠程通訊電路實現了測量信號的遠傳，應用軟件自動保存數據和繪制曲線。設計的超細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、實驗的多點鹽度測量系統。文檔編號G01N27/30GK101788526SQ200910247140公開日2010年7月28日申請日期2009年11月24日優先權日2009年11月24日發明者李利全,李海香,田淳,閆瑞杰申請人:閆瑞杰