白澤霖 寧可

摘要：自動增氧監(jiān)控設(shè)備包括傳感器部分、主機(jī)監(jiān)控部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。傳感器部分是把被測裝置的含氧量信號傳遞給主機(jī)監(jiān)控部分；主機(jī)監(jiān)控部分對傳感器傳過來的模擬信號進(jìn)行采集處理并顯示。同時(shí)，當(dāng)被測量參數(shù)超過預(yù)先設(shè)定值范圍后，主機(jī)對增氧機(jī)及泵機(jī)進(jìn)行控制，主機(jī)監(jiān)控部分還可以將采集信息和控制信息傳遞至遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備；所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分根據(jù)主機(jī)的不同控制狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的動作。

關(guān)鍵詞：傳感器；主機(jī)監(jiān)控；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；大數(shù)據(jù)

當(dāng)前提出大力發(fā)展國產(chǎn)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，所以根據(jù)國內(nèi)用戶的需求，過程自動化和工況監(jiān)控設(shè)備的應(yīng)用越來越廣，為了達(dá)到節(jié)能、省時(shí)省力、提高生產(chǎn)效率的要求，需對設(shè)備進(jìn)行自動化控制。目前多數(shù)此類產(chǎn)品主要功能是顯示、采集處理、按鍵，繼電器輸出、通信和控制單元組成。

當(dāng)前此類產(chǎn)品通常都是傳感器和控制單元通過RS485通信方式，當(dāng)傳輸距離比較遠(yuǎn)數(shù)據(jù)量比較大的時(shí)候就不適用了，所以采用光纖通信可以解決遠(yuǎn)距離和大數(shù)據(jù)傳輸。

1 控制器整體功能

該設(shè)備能準(zhǔn)確測量被測環(huán)境中溶解氧含量，在自動控制增氧機(jī)上可以自主變更和自主設(shè)定，當(dāng)溶氧地域限時(shí)啟動增氧機(jī)時(shí)，就要關(guān)閉增氧機(jī)，防止溶氧高于上限，這樣可以保證含氧量的最佳狀態(tài)。該裝置能準(zhǔn)確測量被測環(huán)境中的溶解氧含量和水溫；同時(shí)顯示測得的溶氧值、水溫值和設(shè)定的氧限值；當(dāng)溶氧低于設(shè)定的下線時(shí)自動啟動增氧機(jī)，高于上限時(shí)自動停止，并且午間會進(jìn)行自動補(bǔ)氧。系統(tǒng)具有自診及報(bào)警功能，儀器自我診斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)欠壓、缺氧等情況時(shí)，即刻報(bào)警、顯示故障代碼并強(qiáng)制啟動增氧機(jī)。

2 控制器實(shí)施方案

自動增氧控制器由單片機(jī)處理模塊、采集處理、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、按鍵、繼電器輸出、通信模塊、電源系統(tǒng)、傳感器等功能塊組成。傳感器部分又由取樣器和溶氧電極組成。這個(gè)儀器最大的特點(diǎn)是操作簡單、安裝便利、可以非常直觀的設(shè)置操作控制范圍，特別是設(shè)置上下限，這樣有效的控制啟動增氧機(jī)，如果高于上限，增氧機(jī)就會自動關(guān)閉，避免缺氧和盲目增氧，用最少的電力保持溶氧適當(dāng)。本儀器還具有溫度測量、午間補(bǔ)氧、手動啟停、自動洗清、缺氧報(bào)警、自診斷等功能。

3 控制器重點(diǎn)模塊功能實(shí)現(xiàn)

3.1 采集處理模塊

由于溶解氧傳感器輸出的電壓信號非常微弱，溫度傳感器輸出的電壓也非常微弱。欲用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)的采集和處理，必須先對傳感器輸出的電壓信號不失真地放大許多倍。本系統(tǒng)采用高精度運(yùn)放TLV2254，它具有低噪聲、零點(diǎn)漂移小、漏電流典型值小到1PA等特點(diǎn)。

3.2溶解氧傳感器放大電路設(shè)計(jì)[HT]

溶解氧傳感器輸出的電壓只有幾mV，而A/D轉(zhuǎn)換芯片要求入口信號為 0～2.5V。為了將溶解傳感器的信號放大，就要將輸出的信號單方面運(yùn)行，若在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)外圍電阻參數(shù)增大，就要將運(yùn)放增益偏離理論值也會隨著增大。但是在增中會有一些差異，就是缺少穩(wěn)定性和一致性。所以在這個(gè)過程中用一級運(yùn)放來放大倍顯然不妥當(dāng)。發(fā)現(xiàn)對稱雙運(yùn)放差分電路比單運(yùn)放電路的實(shí)測增益值更接近理論增益值。對此，該系統(tǒng)在高增益的設(shè)計(jì)中需要運(yùn)用放差分路，如圖3所示。因?yàn)橥喾糯笃骶哂袠O高的輸入阻抗。所以在圖3的輸入電路中使用兩個(gè)同相放大器，把各自的輸出作為下一級差動放大器的輸入，從而得到非常高輸入阻抗。

若設(shè)同相放大器，各自的輸出電壓分別為e3，e4，則有：

e3=（1+R2/R1）e1 e2R2/R1（1）

e4=（1+R3/R1）e2 e1R3/R1（2）

取R2 =R3， R4= R5， R6= R7，則該電路的輸入，輸出關(guān)系如下： e0= （e3 e4） R6/R4= R6/R4（1+2（e2 – e1）R2/R1）（3）

圖3電路左端兩個(gè)同相放大電路的增益為式（3）中1+2R2/R1=1+2×12=25倍。圖3右端為增益R6/R4=5倍差分放大電路，圖3電路全部增益為125倍。 0.01uF的二個(gè)電容是為了防止高頻成分的噪聲和振蕩。此電路還有零點(diǎn)偏置、斷線報(bào)警和有源濾波電路。

3.3 通訊模塊

本模塊主要完成下位機(jī)與上位機(jī)的通訊，單片機(jī)將所測得的溶解氧值和溫度值周期性地傳送給上位機(jī)。本系統(tǒng)采用光纖通信方式，在距離比較遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)量比較大的情況，用戶只需要添加一個(gè)標(biāo)配的光纖轉(zhuǎn)換模塊即可，這種方式就解決了數(shù)據(jù)量大和距離比較遠(yuǎn)的情況下應(yīng)用。本發(fā)明可以根據(jù)應(yīng)用情況可以選配，方便用戶應(yīng)用選擇。

4結(jié)語

自動增氧監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)用范圍很廣，有了此設(shè)備使生產(chǎn)效率得到了很大的提升，并且節(jié)省了人力，也節(jié)約了能源。此產(chǎn)品應(yīng)用配置靈活、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，相信它今后的應(yīng)用會越來越廣泛。

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