智能在線電導(dǎo)率分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

近年來(lái)，隨著飲用純凈水、藥用蒸餾水、生物制品用水、動(dòng)力鍋爐及大型發(fā)電機(jī)組冷卻用水需求量的急劇增加，以及木材烘干、糧食水份檢測(cè)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的產(chǎn)品、技術(shù)開始對(duì)介質(zhì)的導(dǎo)電性能、成份要求給出準(zhǔn)確的分析和評(píng)價(jià)，而且在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確度等方面提出了更高的要求?；谏鲜鲈?，國(guó)內(nèi)外許多著名公司如美國(guó)的羅斯蒙特、中國(guó)石家莊科達(dá)儀表廠等相繼開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格明顯偏高，如美國(guó)的1054B電導(dǎo)率分析儀離岸價(jià)為1600美元，不適于量大面廣的使用。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品采用純硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)影響測(cè)量結(jié)果的介質(zhì)溫度只能作分段象征性的補(bǔ)償，效果不好、準(zhǔn)確度低、穩(wěn)定性差。更有甚者，國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)介質(zhì)流速變化產(chǎn)生的測(cè)量誤差均沒(méi)有補(bǔ)償措施，儀表在不同條件下也需要人工多次調(diào)整才能使用，不僅影響了生產(chǎn)效率，而且增加了維護(hù)成本。基于上述背景，我們提出將專家系統(tǒng)和模糊推理應(yīng)用于介質(zhì)的在線電導(dǎo)率測(cè)量過(guò)程中，提出了在線補(bǔ)償和在線學(xué)習(xí)推理的測(cè)量方法，這種方法同國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品中的技術(shù)相比，人工參與的機(jī)會(huì)少，儀表自調(diào)整自學(xué)習(xí)的能力強(qiáng)。同時(shí)，這種方法也為其它相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了可借鑒的方案。

1智能在線電導(dǎo)率分析儀的結(jié)構(gòu)與功能

智能在線電導(dǎo)率分析儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這個(gè)系統(tǒng)以普通計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，用硬件、軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的功能。圖中激勵(lì)信號(hào)電路為自制電路，采用交流方波驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電導(dǎo)率傳感器，與現(xiàn)有產(chǎn)品中所采用的橋式電路相比較，不僅在線性度、準(zhǔn)確度和測(cè)量范圍上都有顯著提高，而且，交流驅(qū)動(dòng)方式與現(xiàn)有產(chǎn)品中的直流驅(qū)動(dòng)方式相比，徹底克服了電導(dǎo)率傳感器的極化現(xiàn)象，從根本上保證了測(cè)量的精度。通過(guò)TCP/IP協(xié)議把采樣數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，上位機(jī)軟件采用LabVIEW程序設(shè)計(jì)，可以由用戶自己定義、自己設(shè)計(jì)，以滿足不同的要求。

智能在線電導(dǎo)率分析儀的功能為：

（1）能對(duì)本質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，提供故障診斷依據(jù)，檢測(cè)參數(shù)為電導(dǎo)率和溫度值；

（2）建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄電導(dǎo)率歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷報(bào)警狀態(tài)和報(bào)警數(shù)據(jù)；

（3）利用數(shù)字信號(hào)處理和統(tǒng)計(jì)技術(shù)，提供反映電導(dǎo)率的圖譜和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果；

（4）提供系統(tǒng)參數(shù)組態(tài)功能，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況定義相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，完成系統(tǒng)重構(gòu)，以滿足不同用戶的要求；

（5）在企業(yè)網(wǎng)內(nèi)對(duì)水質(zhì)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與分析；

（6）實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。

2智能在線電導(dǎo)率分析儀的硬件介紹

2.1程控放大部分

程控放大部分由1片CD4051、1片OP07和4個(gè)反饋電阻組成。采樣信號(hào)進(jìn)入OP07的正向輸入端，CD4051的X（3腳）接OP07的負(fù)向輸入端，A端（11腳）B端（10端）分別與單片機(jī)的P3.6與P3.7連接，C（9腳）接地。程序通過(guò)對(duì)CD4051不同通道的選擇，來(lái)構(gòu)成不同增益的同向放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同范圍的溫度與電導(dǎo)率信號(hào)的測(cè)量。

2.2AD部分

AD部分由1片CD4040、1片ICL7135、電阻與電容組成。本系統(tǒng)利用ICL7135進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與時(shí)間成比例的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與ICL7135的最簡(jiǎn)連接。將AT89C52的ALE通過(guò)CD4040做8分頻后得到ICL7135所需500K的時(shí)鐘。將ICL7135的BUSY和POL分別與單片機(jī)的INT0和T1連接。程序?qū)NT0設(shè)成門控方式工作，即當(dāng)INT0腳為高電平時(shí)，T0工作在計(jì)時(shí)方式來(lái)計(jì)高電平的時(shí)間。當(dāng)ICL7135進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，BUSY信號(hào)為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)BUSY為低電平。由于T0、ALE與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率之間有一定的比例關(guān)系就可以計(jì)算出要轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.3單片機(jī)部分

單片機(jī)部分由AT89C52、AT24C08、12M晶振和復(fù)位電路構(gòu)成。其中AT24C08中存儲(chǔ)著系統(tǒng)參數(shù)以及溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)表。

多路開關(guān)部分電路如圖2所示，由1片CD4051、電阻、電容和穩(wěn)壓管等組成。CD4051的X接程控放大部分OP07的正向輸入端，A端和B端分別與單片機(jī)的P1.7和P1.6連接,C接地。程序通過(guò)對(duì)CD4051不同通道的選擇，選擇不同的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度與電導(dǎo)率信號(hào)的測(cè)量。其中X3通道是電導(dǎo)率信號(hào)輸入，X1通道是溫度信號(hào)輸入。

2.4激勵(lì)電路部分

激勵(lì)信號(hào)由CD4052的Y通道經(jīng)分壓電阻后激勵(lì)電導(dǎo)率傳感器，同時(shí)在U1點(diǎn)得到與電導(dǎo)率信號(hào)成正比的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)CD4053的X通道在經(jīng)阻容濾波后，進(jìn)入CD4051的X0通道后進(jìn)入程控放大部分。為了去掉CD4052中通道電阻帶來(lái)的誤差，在U2點(diǎn)處測(cè)得直接加在分壓電阻與電導(dǎo)率的激勵(lì)信號(hào)，由CD4051的X4、X5通道經(jīng)CD4053的Z通道在經(jīng)阻容濾波后，進(jìn)入CD4051的X2通道后進(jìn)入程控放大部分。這樣用U1、U2和分壓電阻的阻值就可以計(jì)算出電導(dǎo)率的值。采用CD4094將CPU傳來(lái)的轉(zhuǎn)行控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成并行的控制信號(hào)來(lái)控制多路開關(guān)選通的通道。

2.5通訊部分

儀表使用異步串行通訊接口,接口電平符合RS232C或RS485標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8位數(shù)據(jù)、無(wú)校驗(yàn)位。1個(gè)或2個(gè)停止位。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率可調(diào)為1200～19200bit/S。儀表采用多機(jī)通訊協(xié)議，如果采用RS485通訊接口，則可將1～101臺(tái)的儀表同時(shí)連接在一個(gè)通訊接口上。采用RS232C通訊接口時(shí)，一個(gè)通訊接口只能聯(lián)接一臺(tái)儀表。RS485通訊接口通訊距離長(zhǎng)達(dá)1km以上，只需兩根線就能使多臺(tái)AI儀表與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，優(yōu)于RS232通訊接口。為使用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)PC能作上位機(jī)，可使用RS232C/RC485型通訊接口轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)上的RS232C通訊口轉(zhuǎn)為RS485通訊口。

3結(jié)束語(yǔ)

首先，該儀表采用交流方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，提高了測(cè)量結(jié)果的線性度和精度，防止電導(dǎo)率傳感器在使用過(guò)程中的極化現(xiàn)象，延長(zhǎng)了使用壽命；其次，該儀表采用專家系統(tǒng)技術(shù)和在線可編程技術(shù)對(duì)介質(zhì)溫度和介質(zhì)流速變化帶來(lái)的測(cè)量誤差進(jìn)行的補(bǔ)償，使得測(cè)量結(jié)果更為精確，體現(xiàn)了儀表的智能化。在不增加制造成本的情況 下，用軟件技術(shù)降低了測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。另外，雖然整個(gè)補(bǔ)償方法采用軟件進(jìn)行，但是由于是按預(yù)置表進(jìn)行的，因此計(jì)算量不大，程序執(zhí)行時(shí)間較短，從而保證了測(cè)量過(guò)程的實(shí)時(shí)性。為該儀表進(jìn)入自動(dòng)控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。