基于工業(yè)控制器的水分析功能塊設計

張嘉良 鄧婭

摘要：液體的酸堿度、電導率以及溶氧濃度是表征液體性質(zhì)的三個極其重要的參數(shù)，在電力、化工、環(huán)保、制藥、冶金、生化、食品和供水等行業(yè)應用廣泛。隨著國民經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，各行各業(yè)對水質(zhì)的要求越來越高。如何準確、快速、智能的測量出液體的酸堿度、電導率以及溶氧濃度一直是儀表生產(chǎn)廠家及科研人員十分關注的問題和一直追求的目標。

關鍵詞：酸堿度;電導率;溶氧濃度;PLC

引言

近年來，自動化技術正從分布控制系統(tǒng)（DCS）向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）發(fā)展，較有影響的有：CAN，PROFIBUS，RS485等。目前開發(fā)的溶液酸堿濃度測量儀表大多數(shù)不具有數(shù)字通訊功能，不支持現(xiàn)場總線，少部分設計有RS485接口，但通訊協(xié)議與標準不兼容，不被組態(tài)軟件支持。具有數(shù)字通訊功能、支持現(xiàn)場總線的工業(yè)測量儀表是一種發(fā)展趨勢。隨著傳感器技術的進步和微處理機的應用，酸堿濃度測量儀表的發(fā)展十分迅速。國外生產(chǎn)的酸堿濃度測量儀表系列有美國Honeywell公司的9782系列、7079系列;瑞士Mettler Toledo公司的Ingold2500系列、2700系列;日本橫河公司的PH400G系列，PH200系列等。國內(nèi)的酸堿濃度測量儀表生產(chǎn)廠家有上海雷磁儀表廠的PHG-217系列、武漢265廠的PHG88系列等。目前國外生產(chǎn)的酸堿濃度測量儀表精度可達±0.001pH，國內(nèi)生產(chǎn)的儀表精度一般在0.1～0.5pH之間。如何讓水分析系統(tǒng)趨于智能化，工業(yè)化，精度進一步提高，適用范圍更加廣泛，是液體儀表應該的發(fā)展方向。

1 水分析功能塊系統(tǒng)的組成

基于PLC工控的智能液體儀表系統(tǒng)主要包括計算機，PLC工控模塊，酸堿度調(diào)理板，電導率調(diào)理板，溶氧濃度調(diào)理板以及與各個調(diào)理板相對應的電極。

系統(tǒng)所有信號的起始都來自于前端的傳感器，也就是我們所說的電極。三個電極分別用其化學特性將所要測量的物理量轉(zhuǎn)化為電信號，分別送給我所做的三個調(diào)理板。對于酸堿度調(diào)理板，將送進來的電壓信號通過儀用放大器實現(xiàn)1：1放大，這樣可以有效地克服來自電極的電壓抖動以及外部干擾，然后將處理過的穩(wěn)定的電壓信號送給PLC工控模塊。而對于電導率的測量是通過電極伸入到溶液中，產(chǎn)生一個RC阻抗網(wǎng)絡接到電導率調(diào)理板的輸入。根據(jù)雙正弦頻率測量電導率的原理，在電導率調(diào)理板上產(chǎn)生兩個不同頻率相同幅值的方波，將其施加于RC阻抗上，獲得兩個變化的電壓信號，將這兩個信號作為輸出，傳給PLC。而對于溶氧度調(diào)理板，當溶氧電極伸入到一定氧濃度的溶液中時，會在其工作電極產(chǎn)生電流信號，將這個電流信號送給溶氧調(diào)理板的輸入，讓其在反饋電阻上產(chǎn)生壓降，采集這個電壓信號作為輸出送給PLC控制模塊。

通過PLC工控模塊與電腦串口的連接，可以使用上位機軟件讀取PLC所處理后的實時數(shù)值，而且還可以通過上位機軟件對PLC進行一系列的控制，如校準、寫入?yún)?shù)等，直到準確穩(wěn)定的實時數(shù)據(jù)顯示在上位機軟件中。

2 水分析系統(tǒng)的硬件電路設計

2.1 酸堿度測量電路設計

電路的基型為標準的儀用放大器，電路總的差模放大為：

選取R111 = R110 = R114 = R118 = 4.99K（0.1%，25ppm），則有：

在調(diào)理板輸入處，通過5.1V穩(wěn)壓管構(gòu)建的保護電路能有效的將共模大電壓，較強的外界干擾或接線無操作引入的高壓等電位鉗制在運放能承受的輸入電壓范圍以內(nèi)。

2.2 電導率測量電路設計

選頻法電導率測量時需要激勵源提供兩個頻率的方波，所以使用4M晶振產(chǎn)生頻率為4M的方波，再經(jīng)過74HC4060分頻得到兩個頻率的方波。模擬開關CD4052的選通信號A和B，其中B端接地始終為0。

2.3 溶氧度測量電路設計

由三電極恒電位儀設計原理設計恒電位電路。在電極輸出電流發(fā)生改變時，通過U101A構(gòu)成的負反饋調(diào)節(jié)CE3_0.7V的大小以保證RE3與WE間恒為加入的恒電壓值。由于在測量低含氧量溶液時溶氧電極輸出電流信號特別微弱，極容易受到外界干擾而影響測量效果。通過信號屏蔽線和外殼屏蔽線的雙重抑制效果可大大減少外界的干擾。由DL5000信號電纜輸出形式可知，工作電極外包圍信號屏蔽線，若能保持內(nèi)屏蔽線和線芯等電位，可以免除芯線和內(nèi)屏蔽線之間的容性漏電流，從而消除寄生電容的影響。

3 水分析系統(tǒng)的軟件設計

3.1 酸堿度指令算法說明

模式0：由兩種標定溶液以及算法獲得的斜率，通過PH計算公式得到待測溶液的PH值，計算公式如式1-4;模式1：將電極放入第一種標準溶液中，標定第一種溶液的電壓，溫度及PH值;模式2：將電極放入第二種標準溶液中，標定第二種溶液的電壓，溫度及PH值;模式3：根據(jù)從兩種溶液獲得的參數(shù)計算所需要的斜率K;模式4：標定完成，將所獲得的斜率，電壓，溫度存到FLASH中;模式5：恢復出廠設置;模式6：通過手動輸入的方法輸入所需要的參數(shù)，計算PH值。

3.2 電導率指令算法說明

模式0：首次上電時獲取獲取激勵源給出的輸出頻率f1;模式1：獲取溶液的輸出電壓v1;模式2：獲取激勵源給出的第二個輸出頻率f2;模式3：獲取溶液的輸出電壓v2;模式4：通過獲得的電壓及頻率計算出Rx的值，公式如2-4并對其進行誤差校準，通過校準的Rx值，計算電導率。

3.3 溶氧度指令算法說明

模式0：根據(jù)所獲得的參數(shù)計算氧分壓為（I測*溫補）/（（I滿度-I零點）*溫補;模式1：計算氧濃度值，計算公式及參數(shù)意義如上頁3，4所示;模式2：零點標定：用戶向MODE寫入2，進入零點標定模式，將氧電極放入零氧水中，待電極電流穩(wěn)定后，向MODE寫入4，指令將自動存儲零點電流值;模式3：滿度標定：用戶向MODE寫入3，進入滿度標定模式，將氧電極放入空氣中，待電極電流穩(wěn)定后，向MODE寫入4，指令將自動存儲滿度電流值，滿度時的溫度值;模式4：將獲得的參數(shù)寫入FLASH中;模式5：恢復出廠設置;模式6：通過手動輸入的方法輸入所需要的參數(shù)，計算PH值。

4 實驗測試結(jié)果

4.1 酸堿度調(diào)理板性能測試

酸堿度調(diào)理板的線性度測試是通過FLUKE給調(diào)理板一個電壓輸入，模仿PH電極的電壓差，由于酸堿度調(diào)理板是1：1放大，理論上實際輸出因該與輸入相等。具體測量的數(shù)據(jù)如下表：

達到的標準：測量時，輸出電壓在0.01mV級跳字，偏差△基本恒定即上下浮動在0.05mV之內(nèi)。本酸堿度調(diào)理板可達到的精度為：測量誤差在±0.05PH以內(nèi)。

4.2 電導率調(diào)理板性能測試

電導率的測試是通過外接電阻來模擬溶液的RC阻抗網(wǎng)絡，通過對比實際電阻值和實測電阻值的對比判斷調(diào)理板是否合格。

電導率測量數(shù)據(jù)如下表：

電導率調(diào)理板現(xiàn)階段能達到的標準為：全量程e都應該小于0.5%（同行業(yè)大多在1%）。

4.3 溶氧度調(diào)理板性能測試

溶氧度調(diào)理板測試是通過FLUKE給溶氧度調(diào)理板輸入一個很小的電流來模擬溶氧電極在溶液中電流的變化。FLUKE提供給溶氧度調(diào)理板輸入端的電流不同，在溶氧度調(diào)理板輸出端所測得的電壓也就有所不同，具體如下表：

達到的標準：輸出電壓跳字在0.01mV以內(nèi)，誤差基本恒定，上下浮動在0.1mV以內(nèi)。本溶氧度調(diào)理板可達到的精度為：滿度分辨率在0.1mg/L（跳字在±8mV以內(nèi)），精度為±1.0%FS;零點分辨率在0.5ug/L（跳字在±0.15mV以內(nèi)），精度為±1.0%FS。

5 結(jié)束語

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，人們對于液體的性能要求越來越高，人們想盡可能多的、準確的、快速的得到液體的很多性質(zhì)。所以，人們對液體儀表的要求也漸漸地提高了。挑戰(zhàn)伴隨著機遇，困難中隱含著利潤，一套精簡的準確的快速的液體儀表系統(tǒng)具有著廣闊的市場前景，同樣也存在著種種困難。本文通過對現(xiàn)階段液體儀表技術的學習和整合，實現(xiàn)了完整的可靠的液體儀表系統(tǒng)，包括硬件和軟件。這套系統(tǒng)符合國內(nèi)外同樣產(chǎn)品的要求，某些方面領先于國內(nèi)同行業(yè)標準（如電導率測量精度等）。

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