饒衛(wèi)航，阮 堅(jiān)，葉雪輝，王 瑩

（廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，廣州 510515）

0 引言

溶解氧參數(shù)的采集是增氧機(jī)性能試驗(yàn)的重要內(nèi)容。之前，廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站進(jìn)行增氧機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)，其溶解氧的數(shù)值是通過(guò)人工采集的，自動(dòng)化程度不高，耗費(fèi)較多人力[1]。本文設(shè)計(jì)的溶解氧數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)采集溶解氧分析儀、溫度傳感器和氣壓計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)處理和保存，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，操作方便。系統(tǒng)主要由4部分組成：①參數(shù)輸入，即溶解氧分析儀、溫度傳感器、氣壓計(jì)產(chǎn)生的模擬信號(hào)參數(shù)。②信號(hào)處理，即模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。③數(shù)據(jù)處理保存，采集的參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、計(jì)算、保存。④執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即系統(tǒng)的控制模塊。

1 硬件選擇

傳感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)全部采用4～20 mA規(guī)格，24 V直流供電。

1）溶解氧分析儀選用3個(gè)哈希5500系列溶解氧探頭和SC200型控制器，該探頭采用一體化可快速更換的膜頭組件，維護(hù)快捷方便，使用三電極的克拉克測(cè)定技術(shù)，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好；SC200型控制器可連接2個(gè)傳感器的模擬或數(shù)字輸入，可實(shí)時(shí)顯示溶解氧數(shù)值、進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)和設(shè)置，供電電壓為220 V交流電，量程0～20 mg/L，輸出為4～20 mA的模擬溶解氧參數(shù)。

2）水體溫度測(cè)量?jī)x選用SELEN的PT100型溫度變送器搭配熱電偶，量程0～100℃，精度0.2%，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸線材長(zhǎng)達(dá)20 m，輸出4～20 mA模擬溫度參數(shù)。

3）氣壓計(jì)選用迪泰克森的ZCY-013數(shù)字絕壓變送器，量程0～110 kPa，精度1%FS，可輸出4～20 mA模擬氣壓參數(shù)。

4）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由雙諾的AD輸入轉(zhuǎn)接板ACS616和AD采集板AC6624組成，可采集處理32路模擬輸入信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣設(shè)計(jì)

增氧機(jī)電源進(jìn)線采用三相380 V交流電，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇單相或三相供電。3個(gè)溶解氧分析儀探頭、水溫及大氣壓傳感器采用24 V開(kāi)關(guān)電源供電。溶解氧控制器SC200單個(gè)功率約20 W，故采用220 V單相交流電供電。為減弱增氧機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)24 V開(kāi)關(guān)電源的沖擊，斷路器與開(kāi)關(guān)電源之間加裝一個(gè)濾波器。開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)接板AC140E和模擬量轉(zhuǎn)接板ACS616由24 V開(kāi)關(guān)電源供電。電參數(shù)測(cè)量?jī)x通過(guò)接觸器KM1開(kāi)啟增氧機(jī)M1，并將增氧機(jī)功率參數(shù)通過(guò)串口采集至計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 增氧機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

采集電路包含3個(gè)溶解氧分析儀、1個(gè)水溫溫度計(jì)、1個(gè)大氣壓計(jì)，共有5個(gè)電流參數(shù)，通過(guò)采集板轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓參數(shù)輸入到AD采集板中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集處理和保存。采集電路AD轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。

圖2 采集電路AD轉(zhuǎn)換原理圖

模擬量轉(zhuǎn)接板ACS616的AD輸入帶一階低通濾波器，可將5路4～20 mA的電流（模擬輸入）通過(guò)250 Ω的高精度電阻轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的1～5 V電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度達(dá)0.1%，溫度系數(shù)25 ppm。

ACS616轉(zhuǎn)接板將轉(zhuǎn)換后的5個(gè)測(cè)量電壓參數(shù)通過(guò)電纜傳送到安裝于計(jì)算機(jī)的PCI卡槽的AC6224采集卡上，采集卡的AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)（1～5 V電壓信號(hào)）轉(zhuǎn)換成可在計(jì)算機(jī)上讀取和存儲(chǔ)的電壓數(shù)值，采樣速度為400 kHz，系統(tǒng)精度±0.03%FSR（±5 V輸入）。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集軟件設(shè)計(jì)

AC6224采集卡自帶驅(qū)動(dòng)程序和DLL庫(kù)函數(shù)，可以方便進(jìn)行所需功能的開(kāi)發(fā)和函數(shù)的調(diào)用，簡(jiǎn)化了編程難度。完整的信號(hào)采集軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 采集程序流程圖

1）AD采樣模式設(shè)置為連續(xù)采集模式，設(shè)置的AD定時(shí)器速度，對(duì)設(shè)置的通道（AD0～AD4）自動(dòng)順序、連續(xù)采樣，采樣數(shù)據(jù)順序存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)部緩沖中，緩沖中不斷讀入數(shù)據(jù)，直到軟件停止AD采樣。

2）AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘使用采集卡內(nèi)部16位定時(shí)器，基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為10 MHz，16位可編程定時(shí)器（范圍：25～65 535）按照100 nS每步長(zhǎng)的精度設(shè)置AD轉(zhuǎn)換周期，轉(zhuǎn)換速度范圍為160～400 000 Hz。

3）模擬輸入采用單端輸入，5個(gè)采樣通道對(duì)應(yīng)端口為AIN0～AIN4，輸入量程選擇±5 V，連續(xù)采樣模式由AC6624_TAD()函數(shù)設(shè)置：

stch：控制AD采樣的起始通道號(hào)（=0-4）

endch：控制AD采樣的結(jié)束通道號(hào)（=0-4）

gain：=1 對(duì)應(yīng)選擇輸入范圍±5 V

4）輸入校正，開(kāi)始采樣工作之前調(diào)用一次AC6624_CAL()函數(shù)，對(duì)AD進(jìn)行一次校正操作，否則采樣誤差將很大，每60 min（在AD不采樣時(shí)）進(jìn)行一次CAL()操作，有效地自動(dòng)消除溫度變化帶來(lái)的誤差。

5）AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式與計(jì)算，采樣的數(shù)據(jù)按從stch開(kāi)始到endch結(jié)束的通道掃描順序，循環(huán)存放如下：

stch, stch+1 ,…, endch…,stch,...,endch,……結(jié)束

16位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)data值范圍為0～65 535，對(duì)應(yīng)電壓V0～V4計(jì)算公式：

V=（data-32 767）·5 000 / 32 768（mV）

根據(jù)模擬輸入電流為4～20 mA可知，轉(zhuǎn)換成電壓值V范圍為1 000～5 000 mV。

3.2 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用VB程序編程，將采集的各項(xiàng)參數(shù)電壓值（V0～V4）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溶解氧DO（對(duì)應(yīng)電壓值：V0～V2）、溫度T（V3）、大氣壓p（V4）值，然后顯示、保存、處理,轉(zhuǎn)換公式如下：

3組溶解氧：DO=（V0～V2-1 000) / 200（mg/L）

溫度：T=（V3-1 000）/ 40（℃）

大氣壓：p=（V4-1 000）·11 / 400（ kPa ）

軟件設(shè)置有校準(zhǔn)功能，通過(guò)調(diào)整傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)測(cè)量參數(shù)。數(shù)據(jù)處理按照《SC/T 6009—1999增氧機(jī)增氧能力試驗(yàn)方法》以及《JB/T 9824.2—1999葉輪增氧機(jī)試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖4為軟件界面。

圖4 計(jì)算機(jī)軟件界面

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 測(cè)試方法

進(jìn)行增氧機(jī)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每隔1 min記錄溶解氧值、水溫和大氣壓值，將采集到的溶解氧值與SC200控制器記錄的溶解氧值進(jìn)行對(duì)比；檢查采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，將采集到的溫度和大氣壓值與溫度計(jì)和空盒氣壓表值對(duì)比，檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)增氧機(jī)性能測(cè)試，兩組數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 傳感器采集數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比（部分）

從表1可以分析出，3個(gè)溶解氧采集參數(shù)和控制器讀數(shù)最大偏差為0.09 mg/L，溶解氧1平均偏差為0.02 mg/L，偏差范圍符合試驗(yàn)要求，溶解氧2平均偏差為0，溶解氧3平均偏差為0；采集水溫平均值為26.70 ℃，溫度計(jì)讀數(shù)平均值為26.71 ℃，平均偏差0.01 ℃，偏差范圍符合實(shí)驗(yàn)要求；采集的大氣壓平均值為100.02 kPa，空盒氣壓表讀數(shù)平均值為100.02 kPa，無(wú)偏差。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，系統(tǒng)采集的溶解氧、水溫和大氣壓參數(shù)，精度符合增氧機(jī)性能試驗(yàn)要求。

5 小結(jié)

本套溶解氧試驗(yàn)參數(shù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件采用高精度元件，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)，已應(yīng)用于廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站增氧機(jī)性能檢測(cè)項(xiàng)目，精度達(dá)到增氧機(jī)性能試驗(yàn)要求，減輕了試驗(yàn)人員的檢測(cè)讀數(shù)和計(jì)算壓力。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：采集精度高，響應(yīng)速度快；模塊化設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，后續(xù)加入新的測(cè)量參數(shù)簡(jiǎn)單方便。缺點(diǎn)：模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的價(jià)格偏高，不夠經(jīng)濟(jì)；只考慮了溫度、大氣壓對(duì)溶解氧的影響，鹽度的影響有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究[2]。