（测试计量技术及仪器专业论文）基于卡尔曼滤波的高精度磷酸根离子分析仪的设计.pdf

ifylllllllllll8lllllr3lll112114f18rliill9lllltl9lllrr fy 1 8 3 2 8 9 9 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者印夙华 吼2 啪年姗刀日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者郜亿牛 嗍2 年如棚 摘要 摘要 随着现代电力工业日益发展，大容量发电机组已经成为电力工业的支柱。作 为锅炉水质监督的重要监测参数，磷酸根的快速、准确、实时地监测对保证系统 的安全经济运行有着重要的意义。 论文简要的分析了在线磷酸根分析仪设计应用的背景意义以及磷酸根测量 的主要方法。分析了磷酸根离子测量过程中的各种影响因素，将卡尔曼滤波用于 分光光度法测量炉水磷酸根离子含量。并且根据采用磷钒钼黄分光光度法测量炉 水磷酸根离子含量的方法，确立了系统的整体硬件和软件设计。 系统采用高速、低功耗工业级a t 9 1 m 4 0 8 0 0 单片机做核心处理器来控制系统 的运行，用可编程控制器件c p l d 来控制通道和柱塞泵以及电机的工作，并且移 植了嵌入式操作系统来保证系统长期在线运行的稳定性。通过试验数据具体分析 了运行效果。 经过试验与调试表明，该分析仪可实时在线监测被测水质磷酸根离子含量， 自动测量数据、存储数据，并可通过4 - - 2 0 m a 标准电流和r s 4 8 5 通信对数据 进行远传，实现对现场仪表运行情况的远程监测。 关键词：卡尔曼滤波、磷酸根离子、在线 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e me l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , t h el a r g e - c a p a c i t yp o w e r g e n e r a t i n gu n i t sh a sb e c o m eap i l l a ri n d u s t r y a so n eo ft h em a i nm o n i t o r e d p a r a m e t e r so ft h eb o i l e rw a t e rq u a l i t yi nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t , t h ef a s t , a c c u r a t e ， r e a l - t i m em o n i t o r i n go fp h o s p h a t ec o n t e n th a sg r e a tm e a n i n gt oe n s u r es a f eo p e r a t i o n o f t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y t h i sp a p e rh a sb r i e fi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do fp h o s p h a t ea n a l y z e ra p p l i c a t i o n a n dt h em a i nm e t h o d so fp h o s p h a t ec o n t e n t m e a s u r e m e n t , h a sd i s c u s s e dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r sw h i c hm i g h tb ei n f l u e n c et h em e a s u r i n gr e s u l t s ，a n du s ek a l m a n f i l t e r i n gm e t h o dt om e a s u r i n gp h o s p h a t ei o n sc o n t e n tb ys p e c t r o p h o t o m e t r y a n di n t h i sp a p e r , t h eo v e r a l ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nh a sb e e nf i n i s h e di n f o u n d a t i o no fp h o s p h o r u sv a n a d i u mm o l y b d e n u my e l l o ws p e c t r o p h o t o m c t r y t h es y s t e mu s e st h eh i g h - s p e e d ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，i n d u s t r i a lg r a d es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra t 9 1 m 4 0 8 0 0a st h ec o r ep r o c e s s o rt oc o n t r o lt h ew h o l es y s t e m o p e r a t i o n ，u s e st h ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ec p l dt oc o n t r o lt h ec h a n n e ls w i t c h a n dp i s t o np u m p sa n dm o t o r sw o r k h o w e v e r , t h es y s t e mh a st r a n s p l a n t e dt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt oe n s u r ei t sl o n gt i m e , o n l i n e , s t a b l er u n n i n g t h ep a p e r a l s oc o n f i r m e dt h es a t i s f a c t o r yo p e r a t i n gr e s u l t sb yt h e e x p e r i m e n td a t a i n f e rt ot h et e s t i n ga n dd e b u g g i n gr e s u l t s ，t h ea n a l y z e rc a nm o n i t o rp h o s p h a t ei o n c o n t e n to fw a t e rq u a l i t yr e a l - t i m ea n do n l i n e ，c a na u t om e a s u r i n gd a t a , s t o r ed a t a , a n d r e m o t e t r a n s f e rd a t at h r o u g h4 2 0 m as t a n d a r dc u r r e n ta n dr s 。4 8 5 c o m m u n i c a t i o n st os u p p o r tr e m o t em o n i t o r i n go fo n - s i t ei n s t r u m e n to p e r a t i o n k e y w o r d s ：k a l m a nf i l t e r i n g ，p h o s p h a t ei o n s ，o n - l i n e i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 1 引言一l 1 1 磷酸根离子监测的意义1 1 2 国内外研究发展现状2 1 3 主要工作4 2 系统的整体设计5 2 1 磷酸酸根离子测量的影响因素分析5 2 2 磷酸根分析仪的系统设计6 2 3 磷酸根分析仪的检测分析流程7 2 4 测量系统设计7 2 4 1 水路系统的设计7 2 4 2 光路系统8 3 磷酸根分析仪管理控制系统硬件设计1 0 3 1 核心板电路模块1 0 3 2 控制电路模块1 4 3 3 信号调理与转换电路模块j 15 3 4 通讯电路模块：1 6 3 5 电源电路模块2 1 3 6 人机接口电路模块2 2 3 7 实时时钟电路模块2 3 3 8 复位系统电路模块2 4 4 系统软件设计2 6 4 1 引导程序b o o tl o a d e r 开发2 6 目录 4 2 嵌入式操作系统移植2 7 4 2 1 系统任务划分2 8 4 2 2 系统移植。2 8 4 3 底层驱动程序开发3 0 4 3 1 模数转换a d 7 7 1 4 3 0 4 3 2u s bc h 3 7 5 31 4 3 3 显历专3 2 4 3 4 触摸屏a d 7 8 4 6 驱动程序3 2 4 3 5 按键3 3 4 3 6c p l d 控制及输出报警3 4 4 3 7m o d b u s 通信3 4 4 3 84 - 2 0 m a 标准电流输出及p i d 温度控制。3 5 4 3 9 实时时钟与系统参数存储f m 31 2 5 6 3 5 4 3 应用程序开发3 6 4 4 1 用户图形界面g u i 。3 6 4 4 2 操作菜单设计一3 7 4 4 3 数据测量、处理、存储与显示。3 8 4 4 4 卡尔曼滤波。3 8 5 实验结果与分析一4 l 结论4 3 致 射4 4 参考文献4 5 引言 1 引言 1 1 磷酸根离子监测的意义 现代电力锅炉用水对水质要求很高，为防止炉水结垢或炉壁腐蚀，锅炉用水 水质需要经过严格的处理和监测。磷酸盐处理工艺一直是汽包锅炉炉水水质的主 导调节方式。 锅炉用水的主要来源为天然水，天然水中一般含有钙镁等金属离子，若不经 过处理就进入锅炉，运行一段时间后，锅炉水侧受热面上就会牢固地附着一些固 体的水结。锅炉结垢的原因，首先是给水中含有钙镁硬度或铁离子，硅含量过高； 其次又由于锅炉的高温高压特殊条件，原先溶于水的某些钙、镁盐类受热分解， 变成难溶物质析出沉淀，以及有些盐类如硫酸钙、碳酸盐等物质的溶解度变低， 达到一定程度便会便会析出沉淀，再加上锅炉水的蒸发和浓缩以及盐类的互相反 应形成水渣，在受热面上发生就直接形成了水垢。水垢的导热性能很差，其导热 系数要比锅炉管壁钢板材料的导热系数小几十倍至数百倍，所以锅炉结垢后就会 严重阻碍传热降低热交换效率并引起锅炉水冷壁管的过热变形，导致管子的鼓包 和爆炸事故，有些盐类物质从水垢的孔、缝隙渗入到水垢层与管壁之间急剧浓缩 到很高的浓度，对管壁产生严重的腐蚀，导致水冷壁管的破损。迫使锅炉提前检 修。减少了锅炉或热力设备的使用效率，增加检修费用，带来巨大的经济损失。 而且水中的某些易溶性钠盐在汽包锅炉负荷增高的时候，会从锅炉水中析出，沉 积在管壁上，在锅炉水中的浓度明显降低，当锅炉负荷减小或停炉时，又溶解下 来，在锅炉水中的浓度重新增高，这种”盐类暂时消失”的现象跟水垢一样对火电 设备产生极大危害。 为了改善炉水质量，防止上述现象的出现，目前普遍使用的一种处理方法是 对锅炉用水进行磷酸盐加药处理。磷酸盐处理是一种既严格又合理的锅内水质调 节方法。它不仅能防止钙、镁水垢的产生，而且能防止锅炉炉管的腐蚀。这种处 理实质上是按照给水硬度和碱度的大小，向锅内加入不同比例的磷酸盐，即磷酸 三钠和磷酸氢二钠( 或磷酸二氢钠) 。加入磷酸盐主要有两个目的： ( 1 ) 中和由给水带入锅炉水中的游离氢氧化钠，反应如下： n a 2 h p 0 4 + n a o h 专n a 3 p 0 4 + h 2 0 1 1 引言 而磷酸三钠在水中能按下式建立水解平衡： n a 3 p 0 4 + h 2 0 n a 2 h p 0 4 + n a o h 所以，这时加入的磷酸三钠除了可维持锅炉水中有一定量的过剩磷酸根外，还因 其水解能产生一定量的氢氧化钠，也可维持锅炉水p h 值。当锅炉水产生局部蒸 发浓缩时，水解平衡向着生成磷酸三钠的方向进行，这就不会使氢氧化钠浓缩到 对金属有危害的程度，即使在很高的热负荷下，也能防止金属被浓碱所腐蚀。 ( 2 ) 防止钙镁水垢以及调节锅炉水沸腾时的p h 值 p h 较高的条件下，加入一定数量的磷酸盐后，炉水中的钙离子与磷酸根离子 反应生成的碱式磷酸钙溶度积很小，呈松散的水渣状态，可借锅炉排污排出炉外。 所以，当锅炉水中保持一定量的过剩时，可使炉水中的钙离子浓度降的很低，从 而达到防止钙盐水垢( c a s o 。、c a s l 0 3 等) 的目的。， ( 3 ) 防止锅炉金属腐蚀，磷酸盐可在锅炉管壁表面上生成磷酸盐保护膜。防止 金属腐蚀。 锅炉水中的含量不宜过高或过低，过低起不到上述防垢作用，过高会增加炉 水含盐量，影响蒸汽品质，而且还有可能生成c a ，( p 0 4 ) ：、f e ，( p 0 4 ) ：水垢。炉水 中应维持的磷酸根离子的含量( r a g 1 ) ： 锅炉压力 j p 谚一 o 9 9 ，说明拟合直线能够以大于9 9 9 6 的概率涵盖实测数据，该仪表测量值线 性特征非常明显。 最大标准偏差0 0 5 0 ，根据国标g b 6 9 1 3 1 1 9 8 6 关于正磷酸盐测定的要求，在 测量范围小于1 0 m g l 时，室内允许差o 7 0 ，实验结果表明，测量结果精密度和 重复性满足要求。仪器示值准确性、重复性良好，可以用于其他未知浓度溶液的 测量。 仪表在为期两天的实验过程中，对同一溶液多次重复测量，测量结果无偏差， 仪表测量重复性良好，满足在线测量要求。 4 2 结论 结论 本文基于离子卡尔曼滤波分光光度法测量思想，通过流路和通道的自动 切换，实现了实时、连续测量和全自动标定的方式。文中给出了磷酸根离子分析 仪的总体设计方案，包括具体测量回路装置的研制、硬件电路和软件系统的设计， 给出了卡尔曼滤波的详细工作过程。并通过试验数据分析验证了仪器测量的稳定 性和可靠性。目前的研究成果可归纳成以下几点： 1 引入了卡尔曼滤波分光光度法，使用卡尔曼滤波处理测量信号，磷钒钼黄 分光光度法来测量炉水的磷酸根离子的含量，有效提高了测量精度和稳定性。 2 以a t 9 1 m 4 0 8 0 0 芯片为硬件系统的核心，选用了很多性价比高的电子元器 件。在电路的设计上，使用复杂可编程逻辑器件c p l d 实现对通道切换、样水 标液切换、样水与试剂柱塞泵注水、搅拌电机、排污电子阀的精确控制。外部输 出提供4 - - 2 0 m a 的工业标准信号以及提供了r s 4 8 5 通讯接口，可实现数据的网 络传输。 3 软件方面移植了嵌入式操作系统，使系统得以安全稳定的运行。，对实时监 测数据记录的存储、查询、删除等进行管理。 本课题的研制满足了我国工业市场对高性能、智能化、多任务化的智能在线 磷酸根离子监测仪需求的快速增长，具有很高的实用价值。本项目的研究不仅可 以摆脱对国外技术的牵制与依靠，而且可以极大的推动我国工业自动化监控与管 理的速度，社会经济效益显著。另外，本课题成功的把磷钒钼黄分析方法用于工 业在线磷酸根离子分析仪的开发研制上，对提高工业在线磷酸根分析仪的稳定性 和准确性具有十分重要的意义。 致谢 致谢 本论文是在导师汪献忠副教授的悉心指导下完成的。汪献忠副教授为我指定 了研究方向，确定了论文的选题和工作计划，在研究进行阶段随时给予我指导， 使得我得以顺利完成研究课题与论文工作。导师丰富的工程技术经验、严谨求实 的治学态度和平易近人的作风使我在学业、工作和生活上受益匪浅，并将终身受 益! 在论文完成之际，谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢汪献忠副教授和田增国老师在我研究学习期间的帮助和指导，他们深厚 的学术造诣和丰富的实践经验使我获益良多。 感谢河南日立信电子有限公司为我提供了良好的研发环境，以及研发部赫树 开经理和其他所有人员，在论文完成期间给予我的多方面的指导和帮助。 感谢研究生阶段给予我帮助的老师、同学和朋友们! 感谢我的父母和家人，十几年的求学生涯中给予我的默默无闻的关心。 参考文献 参考文献 e l l 朱志平，陈田磷酸盐处理技术在汽包锅炉炉水调节中的应用与发展长沙 电力学院学报( 自然科学版) j ，2 0 0 2 2 承慰才，王中甲电厂化学仪表 m 北京：水利电力出版社，1 9 8 8 3 肖作善热力设备水汽理化过程 m 北京：水利电力出版社，1 9 9 3 4 王方主编锅炉水处理 m 北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 3 5 赫景泰，于萍工业锅炉水处理技术e m 北京：气象出版社2 0 0 0 4 6 m a r ca g t , v a nd e nh o o p ，j o h a n n e s j v a ns t a d a n d e t e r m i n a t i o no f p h o s p h a t ei n n a t u r a lw a t e r sb yc a p i l l a r ye l e c t m p h o r e s i si n f l u e n c eo fs o l u t i o nc o m p o s i t i o n0 1 1 m i g r a t i o nt i m ea n dr e s p o n s e j j o u r n a lo f c h r o m a t o g r a p h y a ，1 9 9 7 ，7 【7 】y o n g - s h e n gl i ，y um u o ，h o u m e ix i e s i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no f s i l i c a t e a n d p h o s p h a t e i nb o i l e rw a t e ra tp o w e r p l a n t sb a s e d o ns e d e sf l o wc e l l sb yu s i n g f l o wi n j e c t i o ns p e c t r o p h o t o m e t r y j a n a l y t i c a c h i m i c a a c t c a , 2 0 0 2 ， e 6 周英，赵欣刚锅炉水处理实用技术培训教材 m 北京：地震出版社，2 0 0 2 6 r t 李永生对新型在线磷表的探讨 j 吉林电力技术，1 9 8 9 8 钟金吕，赵宗敏测定电厂锅炉水中磷酸根的方法 j 中国，c n l 3 2 8 2 6 1 a ， 2 0 0 1 1 9 周静，林福海，高春雷炉水低磷酸盐测定中的还原剂研究 j 东北电力 学院学报，2 0 0 5 1 0 李茂东，许崇，李诚炉水磷酸盐处理的发展及平衡磷酸盐处理 j 四川 电力技术，1 9 9 9 1 1 秦永元张洪钺汪叔华卡尔曼滤波与组合导航原理 m 西北工业大学出 版社，1 9 9 8 1 2 张海平，吴传琳，詹有涵新型在线磷酸根快速分析仪研制 j 工业水处 理，2 0 0 0 1 3 李永生对新型在线磷表的探讨 j 吉林电力技术，1 9 8 9 1 4 瞿莜蔷，唐国平磷钒钼黄比色法测定循环水中磷酸盐的探讨 j 大氮 肥，2 0 0 1 1 5 周静，林福海，高春雷炉水低磷酸盐测定中的还原剂研究 j 东北电 力学院学报，2 0 0 5 4 5 参考文献 1 6 司栋森嵌入式控制系统的可靠性设计 j 自动化仪表，2 0 0 1 1 7 田泽嵌入式系统开发与应用 m 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 5 1 8 j e a nj l a b r o s s e 著邵贝贝译嵌入式实时操作系统i ic o s - i i ( 第2 版) m 2 0 0 7 1 9 金钟夫，杜刚，王群，徐宗宪。a y ra t m e g a l 2 8 单片机c 程序设计与实践 m 北京航空航天大学出版社。2 0 0 7 2 0 童诗白，花成英模拟电子技术基础( 第三版) m 北京：高等教育出版 社2 0 0 3 1 2 2 1 李建明，夏路易基于a t 9 1 m 4 0 8 0 0 和uc o s - 的嵌入式系统设计 j 太 原理工大学学报。2 0 0 6 5 2 2 a t 9 la r mt h u m bm i c r o c o n t r o l l e r s 【z 】 2 3 m a xi id e v i c eh a n d b o o k z 2 4 宋万杰，罗丰，吴顺君c p l d 技术及其应用 m 西安电子科技大学出版 社。1 9 9 9 2 5 3w 5vc m o s ，5 0 0 m as i g n a lc o n d i t