（機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)論文）沼氣反應(yīng)發(fā)生器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究.pdf

沼氣反應(yīng)發(fā)生器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究 學(xué)科：機(jī)械制造及其自動(dòng)化 研究生簽字：聾蒂鋒 指導(dǎo)教師簽字：音叩私、 摘要 內(nèi)循環(huán)( i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ，i c ) 厭氧工藝是目前應(yīng)用在污水處理、沼氣生成等領(lǐng)域 的熱點(diǎn)工藝技術(shù)，具有去污能力強(qiáng)、產(chǎn)氣率高、占地省、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。該工藝在豬場(chǎng) 廢水處理方面的應(yīng)用剛剛起步，各個(gè)最佳反應(yīng)參數(shù)及其相互關(guān)系還需進(jìn)一步摸索。本文針 對(duì)這一情況，研制了一套反應(yīng)發(fā)生器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它可對(duì)水溫、酸堿度( p h 值) 、氧化 還原電位( e h 值) 、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)流量等四個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行不間斷地在線監(jiān)測(cè)。主要研究成 果如下：第一，基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與傳感技術(shù)，建立了一種全信息化的內(nèi)循環(huán)厭氧 反應(yīng)發(fā)生器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。第二，根據(jù)用戶提供的四個(gè)參數(shù)的取值范圍及反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)特 殊的環(huán)境，給出了測(cè)量傳感器的合理選擇。第三，基于a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)，進(jìn)行了下位機(jī) 硬件設(shè)計(jì)。該下位機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、在線下載和數(shù)據(jù)通信等功能，抗干擾能力較強(qiáng)。下 位機(jī)系統(tǒng)將通過(guò)u s b 總線與上位機(jī)相連，組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。第四，基于k e i lu v i s i o n 2 軟件 平臺(tái)，應(yīng)用c 5 1 語(yǔ)言編寫了下位機(jī)固件程序。第五，應(yīng)用w i n d r i v e r 軟件，編寫了下位機(jī) 的驅(qū)動(dòng)程序。第六，應(yīng)用v i s u a lc + + 和m i c r o s o f ta c c e s s ，設(shè)計(jì)了一套多功能、人機(jī)界面 靈活的上位機(jī)應(yīng)用程序，包括了數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、在線監(jiān)測(cè)模塊和參數(shù)設(shè)置 模塊。最后，對(duì)所研制的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了上述設(shè)計(jì)的可行性。 關(guān)鍵詞：內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)，在線監(jiān)測(cè)，單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集，u s b 通信 s t u d yo na no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mu s e d i ni cr e a c t o r d i s c i p l i n e ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t u r e ：h 舯j 咖 s u p e 州s o r s g n a 細(xì)他：孫no c j 咖厶 a b s t r a c t i n t e r n a lc i r c u l a t i o n ( i c ) a n a e r o b i cp r o c e s si sf r e q u e n t l yu s e di nt r e a t i n gw a s t ew a t e ra n d g e n e r a t i n gb i o g a s t h e r ea r ea l o to f a d v a n t a g e s ，s u c h a ss t r o n g l yt r e a t i n gw a s t ew a t e r , h i 曲r a t e o fg e n e r a t i n gb i o g a s ，l e s sl a n do c c u p i e da n ds a v i n ge n e r g y b e c a u s eu s i n gt h ep r o c e s si sj u s t s t a r t e d , a l lb e s tr e a c t i o np a r a m e t e r sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pa r cn e e d e dm o r eg r o p e d a i m i n ga t t h ea c t i o n , a l lo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mu s e di ni cr e a c t o rd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c h c a nc o n t i n u o u s l ym o n i t o rs u c hp a r a m e t e r sa st e m p e r a t u r e ，p h ，e ha n df l o wo ft h ei n n e rc y c l e s y s t e mo nl i n e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , b a s e do nc o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o na n d s e n s o rt e c t m o l o g y , a no n - l i n ea n df u l l yi n f o r m a t i o n i z e dm o n i t o r i n gs y s t e mo fl cr e a c t o ri sb u i l d u p s e c o n d l y , b a s e do nt h ev a l u er a n g e so ff o u rp a r a m e t e r sp r o v i d e db yt h ec u s t o m e ra n dt h e s p e c i a le n v i r o n m e n to fi cr e a c t o r , p r o p e rs e l e c t i o nf o rc h o o s i n gs e n s o r si ss p e c i f i e d t h i r d l y , b a s e do ns i n g l ec h i pc o m p u t e ra t 8 9 s 5 2 ，t h el o w e r - e n dc o m p u t e rs y s t e mi sd e s i g n e da n dc a nb e u s e di nd a t aa c q u i s i t i o n , i n - s y s t e mp r o g r a m m i n ga n dd a t ac o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mc a l lb e u s e di ns t r o n g l yi n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t t h el o w e r - e n dc o m p u t e ri sl i n k e dt ot h eu p p e r - e n d c o m p u t e rb yu s bb u s t h em o n i t o r i n gs y s t e mc o n s i s t so ft h el o w e r - e n dc o m p u t e ra n dt h e u p p e r - e n dc o m p u t e r f o u r t h l y , b a s e do ns o f t w a r ep l a t f o r m - k e i lu v i s i o n 2 ，af i r e w a r ep r o g r a mo f t h el o w e r - e n ds y s t e mw a sd e v e l o p e d 謝n lc 5 1 f i f t h l y , ad r i v e ro ft h el o w e r - e n ds y s t e mw a s d e v e l o p e d 、 ，i 廿lw i n d r i v e r s i x t h l y , am u l t i f u n c t i o n a la n df l e x i b l em o n i t o r i n gp r o g r a mf o rt h i s m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n go fv c + + a n dm i c r o s o f ta c c e s sf o ru p p e r - e n d c o m p u t e r t h ep r o g r a mi n c l u d e sf o l l o w i n gb l o c k s ：d a t aa c q u i s i t i o n , d a t ac o m m u n i c a t i o n , d a t a m a n a g e m e n lo n - l i n em o n i t o r i n ga n dp a r a m e t e rs e t t i n g f i n a l l y , t h ep r e l i m i n a r yt e s tc a r r i e do n t h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mp r o v e st h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：i cr e a c t o r ；o n - l i n em o n i t o r i n g ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；u s b c o m m t m i c a t i o n 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 學(xué)位論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 本人完全了解西安工業(yè)大學(xué)有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間 學(xué)位論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于西安工業(yè)大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，使用學(xué)位論文工作成 果或用學(xué)位論文工作成果發(fā)表論文時(shí)署名單位仍然為西安工業(yè)大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送( 提) 交的學(xué)位論文，并對(duì)學(xué)位論文進(jìn)行二次文獻(xiàn)加工供其他讀者查閱和借閱；學(xué)校可以在網(wǎng)絡(luò) 上公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名： 韓銻 舯刻磴轢音小私、 日期：例f ，傘 l 5 5 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師 指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的成果，不包含本人已申請(qǐng)學(xué)位或他人已 申請(qǐng)學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在 論文中作了明確的說(shuō)明并表示了致謝。 學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名： 耕虧年 特教師獬：膏彩 日期：緲行5 午 1 緒論 1 緒論 1 1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在沼氣反應(yīng)發(fā)生器中的應(yīng)用 目前能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然石油、煤和天然氣至今仍然是燃 料和有機(jī)化學(xué)原料的主要來(lái)源，但是隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，開 發(fā)潔凈可再生能源已成了緊迫的課題。在此背景下，沼氣作為可儲(chǔ)存和可運(yùn)輸?shù)目稍偕?源，其高效轉(zhuǎn)換和潔凈利用日益受到全世界的重視。 我國(guó)能源矛盾日益突出，而解決我國(guó)能源矛盾的根本出路只能是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。我 國(guó)農(nóng)村能源利用效率低下，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。沼氣產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活的循環(huán)發(fā) 展，極大地節(jié)約了農(nóng)村能源。發(fā)展農(nóng)村沼氣產(chǎn)業(yè)，是解決我國(guó)農(nóng)村能源問(wèn)題和建設(shè)節(jié)約型 新農(nóng)村的有效途徑。 1 1 1 內(nèi)循環(huán)厭氧工藝( i c 工藝) 的概述 本課題所涉及的沼氣反應(yīng)發(fā)生器屬于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)發(fā)生器( i c 反應(yīng)器) 。廢水厭氧 生物處理技術(shù)由于其已經(jīng)展示出的處理能力和潛在的應(yīng)用前景，一直是沼氣技術(shù)中的重點(diǎn) 領(lǐng)域。到了8 0 - - 9 0 年代，廢水厭氧處理技術(shù)已日趨成熟。隨著生產(chǎn)發(fā)展與資金、能耗、 占地等因素間矛盾的進(jìn)一步突出，水處理工作者必需努力尋求技術(shù)經(jīng)濟(jì)更優(yōu)化的厭氧工 藝，尤其是如何處理發(fā)展帶來(lái)的新的高濃度有機(jī)廢水更使得這一努力成為必要。內(nèi)循環(huán)厭 氧反應(yīng)器即是這一背景下產(chǎn)生的新型反應(yīng)器，是厭氧廢水處理理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn) 物，體現(xiàn)了厭氧工藝自身發(fā)展要求。1 9 8 5 年，荷蘭p a q u e s 公司建立了第一個(gè)i c 中試 反應(yīng)器，1 9 8 8 年，第一座生產(chǎn)性規(guī)模的i c 反應(yīng)器投入運(yùn)行。目前，i c 反應(yīng)器已成功應(yīng) 用于啤酒生產(chǎn)、食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中。由于其處理容量高、投資少、占地省、 運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，引起了各國(guó)水處理人員的矚目，有人視之為第三代厭氧生化反應(yīng)器的代 表工藝之一n 1 。進(jìn)一步研究開發(fā)i c 反應(yīng)器、推廣其應(yīng)用范圍已成為厭氧廢水處理的熱點(diǎn) 之一。 從i c 反應(yīng)器的工程實(shí)踐看，國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)、上海率先采用了i c 工藝處理啤酒生產(chǎn)廢水。 以沈陽(yáng)華潤(rùn)雪花啤酒有限公司采用的i c 反應(yīng)器為例乜1 ，反應(yīng)器高1 6m ，有效容積7 0m 3 ， 每天處理平均c o d 濃度為4 3 0 0m g l 的啤酒廢水4 0 0m 3 ，在c o d 去除率穩(wěn)定在8 0 的 條件下，容積負(fù)荷高達(dá)2 5 - 3 0k g m 3 d 。公司在解決處理生產(chǎn)廢水問(wèn)題的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)上也 獲得較大收益：每年節(jié)省排污費(fèi)7 5 萬(wàn)元，沼氣回收利用價(jià)值4 5 萬(wàn)元，相比之下，反應(yīng)器 年運(yùn)行費(fèi)用僅為6 2 萬(wàn)元?？梢?jiàn)，i c 工藝達(dá)到了技術(shù)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化。i c 工藝在國(guó)外的應(yīng)用以 歐洲較為普遍，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也較國(guó)內(nèi)成熟許多，不但已在啤酒生產(chǎn)、土豆加工、造紙等生產(chǎn) 領(lǐng)域內(nèi)的廢水處理上有成功應(yīng)用，而且正日益擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，規(guī)模也越來(lái)越大。荷蘭 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 s e n s u s 公司就建造了容積為1 1 0 0m 3 的i c 反應(yīng)器處理菊粉( i n u l i n e ) 生產(chǎn)廢水0 1 ，而據(jù)估 算，如采用上流式厭氧污泥( u a s b ) 反應(yīng)器處理同樣廢水，反應(yīng)器容積將達(dá)2 2 0 0m 3 ， 投資及占地也將大大增加。1 9 9 5 年該反應(yīng)器初期運(yùn)行時(shí)，日處理c o d 濃度約為7 2 0 0m g l 的廢水3 9 6 0 m 3 ，水力負(fù)荷達(dá)3 0 蠅c o d m 3 d ，c o d 去除率穩(wěn)定在7 0 8 0 。 i c 工藝的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： ( 1 ) 容積負(fù)荷率高，水力停留時(shí)間短。據(jù)報(bào)道“1 ，對(duì)低濃度有機(jī)廢水( 1 5 0 0 - - , 2 0 0 0r a g l ) ， 容積負(fù)荷可達(dá)2 0 2 4 k g c o d m 3 d ，水力停留時(shí)間僅為2 - 1 3h ，c o d 去除率穩(wěn)定在8 0 。 ( 2 ) 對(duì)于處理相同c o d 總量的廢水，i c 反應(yīng)器體積相對(duì)其他種類反應(yīng)器體積更小， 投資更省，加之4 - 8 倍的高徑比，所以占地更省，這一點(diǎn)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 ( 3 ) 由于i c 反應(yīng)器內(nèi)生物量大，內(nèi)循環(huán)液與進(jìn)水混合均勻，所以系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能 力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。這一點(diǎn)也是生物處理的共性。此外，由于內(nèi)循環(huán)技術(shù)的采用，致使污泥 活性高、增殖快，為反應(yīng)器的快速啟動(dòng)提供了條件。i c 反應(yīng)器啟動(dòng)期一般為1 2 個(gè)月， 而其他反應(yīng)器的啟動(dòng)周期達(dá)“個(gè)月口1 。 ( 4 ) 由于采用了內(nèi)循環(huán)技術(shù)，i c 工藝可充分利用循環(huán)回流的堿度，有利于提高反 應(yīng)器緩沖p h 變化的能力，從而節(jié)省進(jìn)水的投堿量，降低運(yùn)行費(fèi)用。 ( 5 ) 根據(jù)以上特點(diǎn)，可以對(duì)i c 反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)作一簡(jiǎn)單分析。i c 反應(yīng)器效能 高，h r t 短，為了能形成內(nèi)循環(huán)，廢水c o d 值宜在1 5 0 0m g l 以上；進(jìn)水堿度宜高些， 這樣易保證系統(tǒng)內(nèi)p n 值在7 左右，維持厭氧處理的適宜環(huán)境因素；進(jìn)水s s 值不宜過(guò)高， 雖然不同廢水的s s 中易降解、難降解和不可降解物質(zhì)所占比例不同，但從長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定 的角度看，s s 值應(yīng)偏低一些嘲。 1 1 2 在線監(jiān)測(cè)的意義與作用 該項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的沼氣系統(tǒng)反應(yīng)發(fā)生器屬于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)發(fā)生器，這種內(nèi)循環(huán)厭氧處 理污水工藝是屬于荷蘭p a q u e 公司的專利技術(shù)，該技術(shù)面世時(shí)間不長(zhǎng)，而且未全部公開。 目前，國(guó)內(nèi)外主要將該技術(shù)應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)、土豆加工、造紙等生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的廢水處理上， 在豬場(chǎng)廢水處理上剛剛起步，只有農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所的鄧良偉教授等專家在實(shí)驗(yàn)室中 對(duì)利用內(nèi)循環(huán)厭氧工藝處理豬場(chǎng)廢水進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究，因此，在該項(xiàng)目方案中，要求 設(shè)計(jì)安裝一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)收集和處理重要工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，為將來(lái)的自動(dòng)化控制打 下良好的基礎(chǔ)。使用這種反應(yīng)發(fā)生器生成沼氣時(shí)，反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)的環(huán)境對(duì)沼氣的產(chǎn)氣量起 著決定性作用。通常用以下四個(gè)參數(shù)來(lái)衡量反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)的環(huán)境是否適合沼氣的發(fā)生：沼 液在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流量、反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)沼液的溫度、反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)沼液的p h 值和反應(yīng) 發(fā)生器內(nèi)沼液的氧化還原電位。因此，本套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象就是這四個(gè)參數(shù)。 本課題就是為此項(xiàng)目設(shè)計(jì)一套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)滿足用戶對(duì)于沼液在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi) 的流量、反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)沼液的溫度、反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)沼液的p h 值和反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)沼液的氧 化還原電位等四個(gè)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。 2 1 緒論 通過(guò)監(jiān)測(cè)豬場(chǎng)廢水在反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)的反應(yīng)環(huán)境，我們才能知道內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)是否發(fā) 生在一個(gè)最佳的環(huán)境中，從而決定是否對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使其適合厭氧反應(yīng)的發(fā)生，使沼氣 產(chǎn)氣率達(dá)到穩(wěn)定、高速的目標(biāo)，為養(yǎng)殖場(chǎng)照明、供暖和做飯?zhí)峁┏渥愕恼託?。也正是由?監(jiān)測(cè)技術(shù)在沼氣反應(yīng)發(fā)生器中的應(yīng)用，應(yīng)用內(nèi)循環(huán)厭氧工藝生產(chǎn)沼氣才可能向高穩(wěn)定性、 高產(chǎn)氣率、高c o d 去除率發(fā)展。采用內(nèi)循環(huán)厭氧工藝生產(chǎn)沼氣，通過(guò)對(duì)豬場(chǎng)廢水的處理， 不但生產(chǎn)出清潔能源沼氣，而且還減少了排放豬場(chǎng)廢水造成的環(huán)境污染。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng) 用于沼氣反應(yīng)發(fā)生器的重要作用已越來(lái)越得到我國(guó)環(huán)保工程界的重視，該項(xiàng)技術(shù)在沼氣工 程中的應(yīng)用，將會(huì)極大地促進(jìn)沼氣事業(yè)的健康發(fā)展。它不僅可以避免傳統(tǒng)的離線檢測(cè)( 主 要是手工化學(xué)測(cè)定) 中存在的耗時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)不全等弊端，而且可以隨時(shí)了解各數(shù)據(jù)的變 化情況，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行主動(dòng)控制，使沼氣生產(chǎn)管理達(dá)到一個(gè)“新境界。它為沼氣生 產(chǎn)人員提供準(zhǔn)確、及時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，能夠使人們對(duì)厭氧反應(yīng)過(guò)程的規(guī)律有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)， 從而優(yōu)化內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)工藝，降低生產(chǎn)沼氣成本，提高沼氣產(chǎn)氣效益，為應(yīng)用內(nèi)循環(huán)厭 氧工藝生產(chǎn)沼氣技術(shù)的持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。因此，研制一種適合于在線監(jiān)測(cè)內(nèi)循環(huán)厭氧反 應(yīng)工藝參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義及科學(xué)理論價(jià)值。 1 2 本文研究背景 本課題來(lái)源于實(shí)際工程需要，該項(xiàng)目所屬計(jì)劃類別是：西安市科技局科技快速響應(yīng)計(jì) 劃。項(xiàng)目編號(hào)為：z x 0 6 0 8 4 。 在沼氣工程中加裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是近年來(lái)沼氣工程的一個(gè)熱點(diǎn)。由于沼氣反應(yīng)發(fā)生 器在工作過(guò)程中，要求處在一個(gè)完全密閉的環(huán)境，所以，目前了解沼氣反應(yīng)過(guò)程的最好辦 法就是加裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以往運(yùn)用在沼氣工程的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是應(yīng)用在大型沼氣工程 上，系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本高，不適合浩然公司項(xiàng)目的要求，因此，需要根據(jù)項(xiàng)目的需要重 新設(shè)計(jì)制造套經(jīng)濟(jì)適用的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外，根據(jù)用戶發(fā)展的戰(zhàn)略需要，在該項(xiàng)目中， 用戶將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這一點(diǎn)也要求我們?cè)O(shè)計(jì)制造一套擁有自主產(chǎn) 權(quán)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 1 3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本課題是“閻良某養(yǎng)殖場(chǎng)豬水廢水處理項(xiàng)目的一部分。此項(xiàng)目主要是為發(fā)展西北廣 大農(nóng)村沼氣事業(yè)而建造的一套示范性沼氣工程。涉及豬場(chǎng)廢水處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、在 線監(jiān)測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域，最終實(shí)現(xiàn)一套功能完善的四參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本課題的主要內(nèi)容是 開發(fā)一套在線四參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以便對(duì)沼氣反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)溫度、酸堿度( p h 值) 、氧化還原 電位和內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)流量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，全面掌握發(fā)生器內(nèi)厭氧反應(yīng)情況，為沼 氣的產(chǎn)生提供適宜的環(huán)境。主要分為以下幾部分： ( 1 ) 針對(duì)整個(gè)反應(yīng)發(fā)生器的特殊性選擇適宜于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)工藝的傳感器，包括 溫度傳感器、p h 值傳感器、氧化還原電位傳感器和流量計(jì)。 3 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 數(shù)據(jù)采集卡硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采 集卡的控制中心，利用a d 轉(zhuǎn)換器t l c 2 5 4 3 將傳感器傳來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 然后交由單片機(jī)通過(guò)u s b 接口控制芯片p d i u s b d l 2 ，把并行數(shù)據(jù)根據(jù)u s b 協(xié)議轉(zhuǎn)換為 串行數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)。 ( 3 ) 數(shù)據(jù)采集卡固件的設(shè)計(jì)，利用c 5 1 語(yǔ)言在k e i l 公司的u v i s i o n 2 平臺(tái)上開發(fā)數(shù)據(jù) 采集卡工作程序。主要包括數(shù)據(jù)采集、u s b 通信等功能。 ( 4 ) 利用w m d r i v e r 這個(gè)軟件，開發(fā)出數(shù)據(jù)采集卡配套的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。 ( 5 ) 應(yīng)用v i s u a l c + + 和m i c r o s o f i a c e e s s 設(shè)計(jì)一套多功能、人機(jī)界面靈活的系統(tǒng)應(yīng)用 程序，包括參數(shù)設(shè)置、信息通信、在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理等功能，與數(shù)據(jù)采集卡和傳感器構(gòu) 成一個(gè)功能完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 4 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成 2 1 系統(tǒng)的選型 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成 2 1 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹( d a s ) 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( c o m p u t e rd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 如圖2 1 所示，系統(tǒng) 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或控制對(duì)象的待測(cè)參數(shù)做巡回監(jiān)測(cè)、處理、分析、記錄以及參數(shù)的超限報(bào)警。 通過(guò)對(duì)待測(cè)參數(shù)的積累和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行各種趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。這是計(jì)算機(jī) 應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程最早和最簡(jiǎn)單的一類系統(tǒng)。 lc r i ll 胤l 髓器l jl ii l 計(jì)苒撫 i 甜 嬲睬斛i 秈 了l8 l 傳熙i儔嬲i 執(zhí)行機(jī)構(gòu) t 。- ， 土 l l l 鋤蝴 圖2 1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 過(guò)程參數(shù)經(jīng)傳感器、數(shù)據(jù)采集卡，定時(shí)地被送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析和處理后，然后通過(guò)c r t 或打印機(jī)輸出操作指導(dǎo)信息供操作人員參考。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出不直接作用于生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不直接影響生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn) 行。它的輸出只作用于有關(guān)的外部設(shè)備和人機(jī)接口，為操作人員的分析、判斷提供信息的 顯示和報(bào)道。這是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，僅對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，不對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控 制。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，如在實(shí)施計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制之前，先進(jìn) 行這種開環(huán)控制的試運(yùn)行，可以考核計(jì)算機(jī)控制的正誤，還可以用于試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型和 5 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 調(diào)試新的控制程序，特別適用于尚未弄清控制規(guī)律或正在建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的場(chǎng) 合，應(yīng)用這些系統(tǒng)可以得到大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有利于建立比較接近實(shí)際的數(shù)學(xué)模型或控制規(guī) 律。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)對(duì)象控制仍需人工操作，故操作速度難以提高。 2 1 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)以單片機(jī)技術(shù) 為核心，與u s b 接口技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相結(jié)合，使系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和 數(shù)據(jù)管理過(guò)程中，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。此系統(tǒng)目前尚未實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功 能，只是實(shí)現(xiàn)了沼氣反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理功能，是一個(gè)開環(huán)的數(shù) 據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于各個(gè)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)還需人工控制。 2 2 系統(tǒng)的基本組成 本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由1 臺(tái)p c 5 8 6 機(jī)為上位機(jī)，l 塊a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集卡， 如圖2 2 所示。數(shù)據(jù)采集卡對(duì)整個(gè)沼氣反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)的待測(cè)參數(shù)進(jìn)行采集，即將傳感器輸 出的待測(cè)參數(shù)( 溫度、p h 值、氧化還原電位、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)流量等) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把 這些數(shù)據(jù)暫存起來(lái)。當(dāng)上位機(jī)向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)u s b 通信接口將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。上位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢 等功能。 溫度傳戇囂+ 應(yīng)驅(qū) 用動(dòng) 一 數(shù)據(jù)采集卡 一 p h 值侍感鼉 程 程c 氧化述蒙電位儔感器 序垮一 【一濰計(jì) 圖2 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖 2 3 傳感器的選擇 豬場(chǎng)廢水在沼氣反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)生成沼氣，需要有適宜的反應(yīng)環(huán)境條件，這些 環(huán)境條件主要包括沼氣反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)的溫度、料液的p h 值、料液的氧化還原電位、內(nèi)循 環(huán)系統(tǒng)的流量等。沼氣產(chǎn)氣量的多少、產(chǎn)氣速率的高低、豬場(chǎng)廢水的處理程度，關(guān)鍵在于 環(huán)境條件對(duì)于沼氣反應(yīng)發(fā)生器內(nèi)厭氧反應(yīng)的適合程度。下面分別介紹上述四種參數(shù)對(duì)內(nèi)循 環(huán)厭氧反應(yīng)的影響和測(cè)量原理，并選擇適應(yīng)測(cè)量這四個(gè)待測(cè)參數(shù)的傳感器進(jìn)行測(cè)量。 2 3 1p h 值及其測(cè)量傳感器 厭氧微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝與p h 有密切的關(guān)系，p h 值的變化直接影響著消 6 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成 化過(guò)程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不同的p h 值，過(guò)高或過(guò)低的p h 對(duì)微生物是不利 的，表現(xiàn)在： ( 1 ) 由于p h 的變化引起微生物體表面的電荷變化，進(jìn)而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物的吸 收； ( 2 ) p h 除了對(duì)微生物細(xì)胞有直接影響外，還可以影響培養(yǎng)基中有機(jī)化合物的離子化 作用，從而對(duì)微生物有間接影響，因?yàn)槎鄶?shù)非離子狀態(tài)化合物比離子狀態(tài)化合物更容易滲 入細(xì)胞； ( 3 ) 酶只有在最適宜的p h 值時(shí)才能發(fā)揮最大活性，不適宜的p h 值使酶的活性降低， 進(jìn)而影響微生物細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過(guò)程。 ( 4 ) 過(guò)高或過(guò)低的p h 都降低微生物對(duì)高溫的抵抗能力嘲。 在厭氧消化過(guò)程中，隨著厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖和代謝活動(dòng)的進(jìn)行，厭氧消化液的 p h 會(huì)發(fā)生變化，有的由堿性變酸性，有的由酸性交堿性，其原因是多方面的。例如，基 質(zhì)為碳水化合物，代謝生成有機(jī)酸后會(huì)使p h 值下降變成酸性；當(dāng)基質(zhì)為蛋白質(zhì)或尿素等 含氮化合物時(shí)，代謝過(guò)程中產(chǎn)生的n h 3 和胺類等堿性物質(zhì)會(huì)使消化液p h 值上升而呈堿性。 另外，由于細(xì)胞選擇性地吸收陽(yáng)離子或陰離子也會(huì)改變消化液的p h 值。如，用( n i - h ) 2 s 0 4 作氮源，當(dāng)氨根離子被厭氧微生物吸收后，剩下的硫酸根離子會(huì)使p h 值下降。張旭口1 的 研究結(jié)果表明，消化液的p h 值是氣液相間的c 0 2 平衡、液相間的酸堿平衡以及固液相 間的溶解平衡共同作用的結(jié)果；消化液的p h 隨有機(jī)酸濃度的變化規(guī)律受氨、磷酸、鈣、 其它離子含量及氣相c 0 2 分壓的影響。t a n a k a 等哺1 就在他們的研究中用c 0 2 作為p h 的調(diào) 節(jié)劑。完成厭氧消化過(guò)程的產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生理特性有較大的差異，對(duì)環(huán)境條件的要 求迥異，見(jiàn)表2 1 陽(yáng)】【9 】。 表2 1 產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷茵的特性 由表2 1 可見(jiàn)，厭氧消化體系中的產(chǎn)甲烷菌對(duì)p h 的變化非常敏感，p h 在6 8 7 時(shí)產(chǎn) 甲烷菌的活性最高，超出此范圍活性隨之下降；當(dāng)p h 低于6 2 時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)則被 明顯抑制，而產(chǎn)酸菌的活性仍很旺盛，常導(dǎo)致p h 降至4 5 5 ，這種酸化狀態(tài)對(duì)甲烷菌是有 毒害作用的。 液體p h 值的測(cè)定方法有比色法和玻璃電極法。在測(cè)量?jī)x器中普遍應(yīng)用玻璃電極法測(cè) 7 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 定p h 值，它是以p h 玻璃電極為指示電極，飽和甘汞電極為參比電極，并將二者與被測(cè) 溶液組成原電池n 們。當(dāng)氫離子濃度發(fā)生變化時(shí)，玻璃電極和甘汞電極之間的電動(dòng)勢(shì)也隨之 發(fā)生變化。由能斯特( n e m s t ) 方程可知，二者之間滿足如下關(guān)系： ，一7 1 l t a e = - 5 8 1 6 x 竺二& o h ( 2 1 ) 2 9 3 一 式中，a e 表示電動(dòng)勢(shì)的變化量，以m v 為單位；a p h 表示水溶液的p h 值相對(duì)于7 的變化量；t 表示被測(cè)溶液的溫度值，單位是攝氏度( ) 。 由上式可得水溶液中p h 值的計(jì)算公式為： 以：7 一v - v o 旦( 2 2 ) 5 8 1 62 7 3 + ， 式中，v 是所測(cè)電壓值，是在p h 值為7 的水溶液中，傳感器的零電位值，它們的 單位都是m v 。 目前，國(guó)際上先進(jìn)的p h 值測(cè)量傳感器是采用差分式五線制電極，雙電橋結(jié)構(gòu)，大幅 度減少了污染的影響，且易于置換，其用于溫度補(bǔ)償?shù)奶幚黼娐泛颓爸梅糯笃骶捎趥?感器內(nèi)，避免了溫度引起的誤差n 郵副。由于信號(hào)通過(guò)前置放大器輸出，己經(jīng)是低阻抗的， 所以可以遠(yuǎn)距離傳輸且抗干擾能力強(qiáng)。高p h 值溶液的測(cè)量通常比較困難，讀數(shù)不穩(wěn)定， 因?yàn)橐话愕牟Ａщ姌O雖然對(duì)氫離子非常敏感，但還是容易受到相似離子，如鋰、鉀，特別 是鈉離子的干擾。先進(jìn)的p h 值傳感器采用分子腐蝕工藝的玻璃電極，可以有效地克服上 述離子引起的誤差，適當(dāng)調(diào)節(jié)傳感器的不靈敏帶寬度，可以克服中和過(guò)程中p h 值變化的 非線性引起的問(wèn)題n 舶。本系統(tǒng)選用武漢優(yōu)測(cè)儀表有限公司的p h g 1 1 0 1 型p h o r p 計(jì) + p h 7 0 0 0 p h o r p 復(fù)合電極組成的傳感器方案，本方案中的復(fù)合電極就是采用玻璃復(fù)合電 極原理制造的，測(cè)量范圍o 1 4 p h ，精度可達(dá)0 0 2 p h 。 2 3 2 溫度傳感器 溫度是影響厭氧消化的關(guān)鍵因素之一。理論上，2 0 5 0 的范圍內(nèi)，沼氣均能正常 發(fā)酵產(chǎn)氣。低于2 0 c 或高于5 0 c 都會(huì)嚴(yán)重抑制微生物的生存和繁殖，直接影響厭氧消化 的產(chǎn)氣率、產(chǎn)氣量和消化時(shí)間的長(zhǎng)短n 卜悖3 。溫度對(duì)厭氧消化的影響其實(shí)質(zhì)是影響微生物的 活性。一般來(lái)說(shuō)，較高溫度下的微生物代謝過(guò)程較快，厭氧分解和生成甲烷的速度就快， 其相應(yīng)的產(chǎn)氣周期就短。 溫度對(duì)厭氧消化過(guò)程的影響主要有以下三個(gè)方面： ( 1 ) 溫度對(duì)微生物活性的影響； ( 2 ) 溫度對(duì)厭氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響： ( 3 ) 溫度突變對(duì)厭氧反應(yīng)器運(yùn)行效果的影響等啪1 。 在液體測(cè)量?jī)x器中常用的溫度傳感器是熱電式傳感器，主要有兩種：一種是將溫度轉(zhuǎn) 8 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成 換為電勢(shì)大小，叫熱電勢(shì)式溫度傳感器( 熱電偶) ，另一種是將溫度轉(zhuǎn)換為電阻值的大小， 叫熱電阻式溫度傳感器鹼婦( 熱電阻) 。 熱電偶是把兩種不同的金屬a 和b 的兩個(gè)端點(diǎn)連接，組成閉合回路，如果將它們的 兩個(gè)接點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行加熱，使其溫度為t ，而另一點(diǎn)置于室溫t o 中，則在回路中就有 電流產(chǎn)生，測(cè)出電流大小就可間接求得被測(cè)溫度值。當(dāng)使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，總是把一個(gè)接 點(diǎn)放置于被測(cè)介質(zhì)中，這個(gè)接點(diǎn)稱為熱電偶的熱端或測(cè)量端；讓另一個(gè)接點(diǎn)處于己知恒溫 條件下，稱此接點(diǎn)為熱電偶的冷端或參考端。若參考端隨環(huán)境溫度變化，則需采用電橋補(bǔ) 償法等進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償嘲。 熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性測(cè)量溫度的。因此要求作為測(cè)量用 的熱電阻材料必須具備以下特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)要盡可能大和穩(wěn)定，電阻率高，電阻與溫 度之間關(guān)系最好成線性，并且在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。大多數(shù)金 屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的關(guān)系可由下式表示： 足= r o 1 + a ( t - t o ) ( 2 3 ) 式中，足為熱電阻在溫度t 時(shí)的電阻值；r 為熱電阻在溫度t o 時(shí)的電阻值；q 為熱 電阻的電阻溫度系數(shù)； 可見(jiàn)，只要q 保持不變，則金屬電阻足將隨溫度線性地增加，其靈敏度s 為： s ：一1 墮：口 ( 2 4 ) r 廊 顯然，q 越大，靈敏度越高。但絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，a 并不是一個(gè)常數(shù)，它也隨溫度 的變化而變化，只能在一定的溫度范圍內(nèi)，把它近似地看作常數(shù)。 本系統(tǒng)中選用肇慶自動(dòng)化儀表有限公司的s w z c u s o 型溫度傳感器，它屬于熱電阻 式溫度傳感器，測(cè)量范圍是o c , - - 1 0 0 c ，分度號(hào)為c u s o ，允差為0 1 。 2 3 3 氧化還原電位測(cè)量傳感器 氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。物質(zhì)接受電子的傾向越大，其氧化性就越強(qiáng)，該 物質(zhì)也就是強(qiáng)氧化劑，相反給出電子傾向越大的物質(zhì)就是強(qiáng)還原劑。因此，氧化( 還原) 劑 的強(qiáng)弱可借助測(cè)定其接受( 或給出) 電子傾向的大小來(lái)進(jìn)行比較，測(cè)定由氧化還原電對(duì)構(gòu)成 的電極與參比電極的電位差即可得知1 。 規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)氫電極( n h e ) 的電位在任何溫度下均為零，因此測(cè)定有關(guān)氧化還原電對(duì)組成 的電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極構(gòu)成的原電池的電位差，在消除了液接電位的情況下，即為該氧化還 原電對(duì)的電極電位，也稱o r p 啪。 氧化還原電位作為介質(zhì)( 包括土壤、天然水、培養(yǎng)基等) 環(huán)境條件的一個(gè)綜合性指標(biāo)表 征介質(zhì)氧化性或還原性的相對(duì)程度。長(zhǎng)期以來(lái)采用鉑電極直接測(cè)定法( 二電極法) 。美國(guó) 9 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 y s i 公司的p i l l 0 0 型p i - f o r p 溫度測(cè)量?jī)x、l o v i b o n d 公司的p h 2 0 0 型酸度離子o r 測(cè) 量?jī)x選用的o r p 測(cè)量方法都是電極法。指示氧化還原電對(duì)的o r p 值的電極常用鉑電極( 惰 性電極) ，因?yàn)樗旧聿粎⒓友趸€原反應(yīng)，只起傳遞電子的作用，它的電極電位等于溶 液中氧化還原電對(duì)的電位( o r p ) 。參比電極用氫電極使用不方便，故常用甘汞電極或銀一 氯化銀電極，其相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的電位可以查表得出。 水體的氧化還原電位測(cè)量如圖2 3 所示，以鉑電極為指示電極，銀氯化銀電極作參 比電極與水樣組成原電池，用晶體管毫伏計(jì)測(cè)定鉑電極相對(duì)于銀氯化銀電極的氧化還原 電位，然后再換算成相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的氧化還原電位。由e i n d ：】巳1 1 e t e f 可得：e i l _ e 他f h e i n d ， e n 為水樣的氧化還原電位；e i l i d 為測(cè)得的氧化還原電位；e f e f 為測(cè)定溫度下銀氯化銀電極 的電極電位。 圖2 3 二電極0 r p 測(cè)量示意圖 本系統(tǒng)選用武漢優(yōu)測(cè)儀表有限公司的p h g 1 1 0 1 型p h o r p 計(jì)+ p h 7 0 0 0 p h o r p 復(fù)合 電極組成的測(cè)量氧化還原電位的傳感器方案，這個(gè)方案中的復(fù)合電極就是采用二電極法原 理制造的，只是把鉑電極換成了玻璃電極，用飽和甘汞電極做為參考電極，測(cè)量范圍 一1 9 9 9 - - 一1 9 9 9 m v ，精度為1m v 。 2 3 4 流量計(jì) 流量測(cè)量的手段是用流量計(jì)，流量計(jì)是現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量中重要的儀表之一，為了適應(yīng)各 種用途，各種類型的流量計(jì)相繼問(wèn)世，投入使用的類型有上百種。根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理大致分 為以下幾種： ( 1 ) 差壓式流量計(jì)。差壓式流量計(jì)是由一次裝置( 即差壓發(fā)生器) 和二次裝置等組 成。差壓式流量計(jì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，占整個(gè)工業(yè)界流量計(jì)總數(shù)的7 0 以上。一次裝 置稱為流體測(cè)量元件，產(chǎn)生與流體流量成正比的壓差；二次裝置稱為顯示儀表，它接受測(cè) 量裝置產(chǎn)生的差壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成流量值進(jìn)行顯示。 ( 2 ) 容積式流量計(jì)。容積式流量計(jì)相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積的容器，它連續(xù)不斷的對(duì)流 體介質(zhì)進(jìn)行度量。目前的產(chǎn)品分為：適用于測(cè)量液體流量的橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、 旋轉(zhuǎn)活塞和刮板式流量計(jì)：適用于測(cè)量氣體流量的伺服式容積流量計(jì)、皮膜式和轉(zhuǎn)筒流量 1 0 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成 計(jì)。 ( 3 ) 葉輪式流量計(jì)葉輪式流量計(jì)的工作原理是將葉輪置于被測(cè)流體中，受流體流動(dòng) 的沖擊而旋轉(zhuǎn)，以葉輪旋轉(zhuǎn)的快慢來(lái)反映流量的大小。典型的葉輪式流量計(jì)有水表和渦輪 流量計(jì)。 ( 4 ) 變面積式流量計(jì)變面積式流量計(jì)的測(cè)量原理是放在上大下小的錐形流道中的浮 子受到自下而上流動(dòng)的流體的作用而移動(dòng)。變面積式流量計(jì)的典型代表是轉(zhuǎn)子( 浮子) 流 量計(jì)。 ( 5 ) 動(dòng)量式流量計(jì)動(dòng)量式流量計(jì)的測(cè)量原理是利用測(cè)量流體的動(dòng)量來(lái)反映流量的大 小。它的典型代表示是靶式和轉(zhuǎn)動(dòng)翼板式流量計(jì)。 ( 6 ) 超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)是基于超聲波在流體介質(zhì)中傳播的速度等于被測(cè)介 質(zhì)的平均流度和超聲波本身速度的幾何和原理而設(shè)計(jì)的。 ( 8 ) 質(zhì)量流量計(jì)質(zhì)量流量計(jì)有直接式和間接式兩種。直接式質(zhì)量流量計(jì)利用與質(zhì)量 流量直接有關(guān)的原理進(jìn)行測(cè)量，目前常用的有量熱式、角動(dòng)量式、振動(dòng)陀螺式和科里奧利 力式等等。間接式流量計(jì)是用密度計(jì)和容積流量直接相乘求得質(zhì)量流量。其它的還有各種 堰式流量計(jì)、槽式流量計(jì)、沖擊式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩式流量計(jì)洶1 等等。 另外，根據(jù)其測(cè)量原理有：力學(xué)原理、電學(xué)原理、聲學(xué)原理、熱學(xué)原理、光學(xué)原理、 原子物理原理等等形式的流量測(cè)量方式?jīng)啊俊?本系統(tǒng)采用西安傅立葉電子科技發(fā)展有限公司的f f t - 0 0 5 0 1 5 0 1 型插入式電磁流量 計(jì)，測(cè)量范圍為0 5 - 1 0 m s ，精度為0 5 。 3 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 3 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì) 3 1 單片機(jī)及其外圍電路總體設(shè)計(jì) 單片機(jī)是把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件，如中央處理器( c p 功、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 ( r a m ) 、只讀存儲(chǔ)器( r o m ) 、i o 接1 ：3 電路、定時(shí)器計(jì)數(shù)器以及串行通信接i ：1 等部件制作 在一塊集成芯片上，構(gòu)成的一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。它主要應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)、智能儀表、 機(jī)電一體化產(chǎn)品和智能接口等方面。在眾多單片機(jī)產(chǎn)品中，m c s 5 1 系列單片機(jī)在我國(guó)使 用最為廣泛，有關(guān)該系列單片機(jī)的技術(shù)資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多。特別是 a t m e l 公司2 0 0 3 年推出的新一代8 9 s 系列單片機(jī)，其典型產(chǎn)品a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)具有較 高的性能價(jià)格比，受到用戶的歡迎。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是選用a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)作為下位機(jī)控 制單元的核心部件。 3 1 1a t 8 9 s 5 2 簡(jiǎn)介 a t 8 9 s 5 2 屬于5 1 系列內(nèi)核，從指令到引腳與8 0 5 1 完全兼容，是一種低功耗、高性 能的8 位c m o s 微處理器堙 。a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)有以下特點(diǎn)嘲： ( 1 ) 程序存儲(chǔ)器( r o m ) 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器( r a m ) 。a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)片內(nèi)配置8 k b 的系統(tǒng) 內(nèi)可編程( i s p ) f l a s h ，2 5 6 b 的r a m ，還可外部擴(kuò)展，程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)展至6 4 k b ，數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器也可單獨(dú)擴(kuò)展6 4 k b ( 包括外部擴(kuò)展的功能部件地址在內(nèi)) ，而且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器分開，各自有專用地址空間、選通信號(hào)。a t 8 9 s 5 2 的程序存儲(chǔ)器地址空間內(nèi)部和外 部共為6 4 k b 單元。它沒(méi)有采用程序存儲(chǔ)器區(qū)分的辦法，6 4 k b 的地址空間是統(tǒng)一的。由 e a 引腳上的電平來(lái)指示程序是從片內(nèi)還是從片外開始執(zhí)行。a t 8 9 s 5 2 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址 空間也分為芯片內(nèi)部和外部?jī)刹糠?，并?guī)定由m o v 類指令訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而由專 門的m o v x 類指令訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 ( 2 ) 輸入輸出0 o ) 口。a t 8 9 s 5 2 共有4 個(gè)8 位雙向i o 口，各具有特殊的電路結(jié)構(gòu)， i o 口每一位均有自己的鎖存器( 稱特殊功能寄存器s f r ) 、輸出驅(qū)動(dòng)器和緩沖器等組成。 在不需要外部功能擴(kuò)展時(shí)，p 0 、p l 和p 2 口均可用作典型的并行i o 通道口，p 3 口用作i o 口或第二變異功能口。在需外部擴(kuò)展功能時(shí)，則p o 口為地址數(shù)據(jù)線分時(shí)復(fù)用，通過(guò)鎖存 器鎖存低8 位地址信息，p 2 口作高8 位地址線用，由p 0 口和p 2 口組成1 6 位地址線，p 0 口是8 位數(shù)據(jù)線接口，p l 口作典型的i o 口用。 ( 3 ) 中斷和堆棧。中斷系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著十分重要的作用，一個(gè)功能很強(qiáng)的 中斷系統(tǒng)，能大大提高計(jì)算機(jī)處理事件的能力，提高效率，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性。a t 8 9 s 5 2 單片機(jī) 的中斷功能較強(qiáng)，設(shè)有8 個(gè)中斷源，共有6 個(gè)中斷矢量：定時(shí)計(jì)數(shù)器t 0 、t 1 、t 2 ，i n t 0 、 i n t l 和一個(gè)串行通信。兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套，用戶可以很方便地通過(guò) 1 3 西安工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷的控制。a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá)2 5 6 字 節(jié)。 ( 4 ) 定時(shí)計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)。a t 8 9 s 5 2 設(shè)有3 個(gè)1 6 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，其中定時(shí) 計(jì)數(shù)器t o 和t 1 是通用定時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)計(jì)數(shù)器t 2 則集定時(shí)、計(jì)數(shù)和捕獲三種功能于 一體，功能更強(qiáng)。在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有特殊功能寄存器t m o d 、t c o n 和t 2 c o n ，用于定 義它們的工作方式及其控制功能的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)在內(nèi)部r a m 中開設(shè)了四組工作寄存器 區(qū)，共3 2 個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。 ( 5 ) 全r f o a r t ) * 行口通道。a t 8 9 s 5 2 內(nèi)部集成有一個(gè)功能很強(qiáng)的全雙工串行通 信接口，屬于u a r t 方式。它具有兩個(gè)互相獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器，可以在同一時(shí)刻 進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。它有2 個(gè)控制寄存器，即串行通信控制寄存器s c o n 和波特率選 擇特殊功能寄存器p c o n ，串行通信有四種工作方式。 ( 6 ) 指令系統(tǒng)。a t 8 9 s 5 2 單片機(jī)的指令系統(tǒng)與m c s 5 1 兼容，其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)均 適合測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用。它為訪問(wèn)內(nèi)部r a m 提供了很多快速的尋址方式，便于對(duì)小型結(jié)構(gòu) 進(jìn)行字節(jié)操作。指令還支持位變量作為一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)類型，在需要布爾變量處理的控制 和邏輯系統(tǒng)中，允許直接對(duì)位進(jìn)行操作。指令系統(tǒng)主要包含加法、減法、乘法、除法、比 較、堆棧操作和位操作指令。當(dāng)振蕩頻率為1 2 m h z 時(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為lus ，少 數(shù)為2 us ，乘、除指令的執(zhí)行時(shí)間也只有4 i ls 。 3 1 2 外圍電路總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)硬件電路的主要功能，是將變送器傳來(lái)的4 路4 - - - 2 0 m a 信號(hào)，通過(guò)a d 轉(zhuǎn)換 器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)u s b 接口控制芯片p d i u s b