（电力电子与电力传动专业论文）基于cortexm3的电导盐密仪的设计与实现.pdf

武汉理r = 大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n ，e l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yh a s e n t e r e dt h es t a g eo f b i gp o w e r 鲥d 、h i g h v o l t a g e 、l o n gd i s t a n c e 、h i g hc a p a c i t y , a n dt h e s p a t i a l 鲥ds t r u c t u r eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x s oi ti sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tt h a tt h ep o w e rs y s t e m sh a ss a f e t ya n ds m o o t hr u n n i n g i nt h ep o w e r s y s t e m s ，t h ep o l l u t i o nf l a s h o v e ra c c i d e n to fe x t e r n a li n s u l a t i o no ft h ee l e c t r i c t r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o ne q u i p m e n ti sa l w a y sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h e s a f eo p e r a t i o no ft h es y s t e m ，w h i c hi so n eo fp r o b l e m st r o u b l i n g s y s t e m sa th o m ea n d a b r o a d h o wt op r e v e n tp o l l u t i o nf l a s h o v e rf r o mh a p p e n i n gi sa l li m p o r t a n tt a s ki n t h ec u r r e n t d e p a r t m e n ts u c h a st h e p o w e rs y s t e md e s i g n i n g ，c o n s t r u c t i o n ， m a n u f a c t u r i n g ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dr u n n i n gd e p a r t m e n t b a s e do na b o v eb a c k g r o u n d s ，a n a l y z i n gt h es e r i e so fm e a s u r i n gm e t h o d so f i n s u l a t o r 。p o l l u t i o na n dc o n t r a s t i n gv a r i o u sc o n d u c t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o d s t h e t h e s i sd e s i g n st h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n de s d dm e t e rb a s e do na r mc o r t e x m 3 i tc a nm e a s u r et h ee q u i v a l e n ts a l to fi n s u l a t o r s s u r f a c et oe n s u r et h es o l u b l e c o n d u c t i v em a t e r i a lq u a n t i t yi nd i r t i n e s sl a y e r t h u si tc a r lj u d g et h ep o l l u t i o nl e v e l f r o mt h es e c t i o no fe l e c t r i c a le l e m e n t s ，a n da d o p ta l la n t i f o u l i n gf l a s hm e a s u r ea n d g u i d et i m e l yc l e a n i n g a r mm c ui st h ec o n t r o lc o r ei nt h em e t e r , w h i c hc a na c h i e v e a u t o m a t i cs u r v e y t h em e t e rn o to n l yh a st h ef u n c t i o no fe s d d ( e q u i v a l e n ts a l t d e p o s i td e n s i t y ) m e a s u r e ，b u ta l s ot h ef u n c t i o no fm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ea n d e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fg e n e r a ls o l u t i o nw h i c hh a se x t e n s i v ep r a c t i c a l i t y i nh a r d w a r ed e s i g n ，t h ea r mm i c r o c o n t r o l l e rw i t hp o w e r f u lf u n c t i o ni ss e l e c t e d a st h ec o r ec o m p o n e n t s t h ee n l a r g i n go ft h ec o n d u c t a n c ea n dt e m p e r a t u r ec a n a u t o s w i t c hr a n g ei n l a r g es c o p e a b o u tt h ec h o i c eo fs e n s o r s t h es d l 1k = i l a b o r a t o r yc o n d u c t i o ne l e c t r o d ei ss e l e c t e d ，a n dt h e yc a l lc o m p l e t e l yr e p l a c e dd j s 一1 o ri m p o r t e dc o n d u c t a n c ee l e c t r o d e a n dc h o o s i n gt h ec l o c kc h i p sd s12 8 8 7 ，w h i c h c a nb eu s e dt od i s p l a yt h et i m ea n dc a nb eu s e dp r o d u c i n gt h es i g n a ls o u r c eb y p r o g r a m m i n g t h em e t e rw i t hl c dd i s p l a y , c a l ls h o wv a r i o u si n f o r m a t i o n ，a n dm i c r o p r i n t e rc a np r i n tt e s ti n f o r m a t i o na n dt e s tt i m et of i l ef o rf u t u r er e f e r e n c e i nt h e t r a n s p l a n to fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t h ek e r n e ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h e n 武汉理广人学硕十学位论文 锄b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e ml a c o s i ia r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h e i t c o s - i ir e a l - - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi s s u c c e s s f u l l yp o r t e d o n m i c r o p r o c e s s o r l m 3 s113 8 t h es o f t w a r ef r a m e w o r ko fd a t a a c q u i s i t i o na n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c em o d u l ea r ep r e s e n t e d i nt h eh a r d w a r eo ft h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s ， s i g n a ls h i e l d i n gt e c h n i q u e sa n dp r i n c i p l e so fg r o u n d i n gs y s t e m sa r ei n t r o d u c e d i nt h e s o f t w a r em e a s u r e so ft h ea n t i i n t e r f e r e n c e , am e d i a n 矗】t 谢n gm e t h o do fa v e r a g e v a l u eo f d i g i t a ls m o o t hf i l t e r i n gi su s e dt oo v e r c o m ep u l s ed i s t u r b a n c e t h ed e s i g na d o p t sa r m s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a c h i e v i n ga m a c h i n em u l t i - f u n c t i o n a l p u r p o s e ，w h i c hc a na l s ob eu s e df o rs e v e r a lt e c h n i c a l i n d i c a t o r sa n dt e s t ，s u c ha st h et e m p e r a t u r et e s t ，t h ee s d dt e s ta n dc o n d u c t i v i t yt e s t a n dw o r ko u tt h er e s u l t so ft h et e s t i tc a no v e r c o m et h er e a d i n ge r r o rb yu s i n gd i g i t a l d i s p l a y , a n do v e r c o m et h ea c c u m u l a t i v ee r r o rb yu s i n gt h em o n o l i t h i cs y s t e m b e s i d e s ，i tm a k e sf u l lu s eo ft h es o 撕a r er e s o u r c e st or e d u c et h ec o s to fh a r d w a r e t h em e t e rh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l v o l u m e , e a s yt oc a r r y , l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，w h i c hi ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lc o n t r o lw o r k e n v i r o n m e n ta n dm e e tt h ep r a c t i c a ld e m a n d s k e y w o r d s ：e s d d ( e q u i v a l e n t s a l t d e p o s i td e n s i t y ) ，e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , c o r t e x m 3 ，l | t c o s i i i n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 2 0f 0 r 肋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：盔耙融导师( 签名) ：羯5 参坦日期如d i 岁z o 武汉理i ：人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 污闪是指各电气设备绝缘表面附着的污秽物，在潮湿条件下【l 】其可溶物质逐 渐的溶于水，在绝缘表面形成了层导电膜，使绝缘子的绝缘水平大大降低， 在电力场作用下出现的强烈放电现象。在电力系统中，绝缘子是将电位不同的 导电体在机械上相互连接的部件，在输电线路中起着支撑导线和绝缘的作用， 其性能的优劣对整个输电系统的安全运行起着格外重要的作用。随着环境污染 的加剧、电力系统规模的不断扩大以及对供电可靠性要求越来越高，防止污闪 事故的发生已经成为十分重要的课题。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国电网较大规模区域性的污闪事故日益频繁发生。 如2 0 0 1 年2 月2 l 至2 2 日，大雾笼罩了我国北方地区部分电网，造成一次大面 积污闪停电的事故。在辽宁中部电网，污c j 4 事故造成2 2 0 k v 及以上线路跳闸4 4 条1 5 1 次，1 0 座2 2 0 k v 变电所停电，6 6 k v 线路跳闸1 7 1 条次，1 2 0 座6 6 k v 变 电所全停，全省共损失电量9 3 7 万k w h 。在河北南部电网，2 2 0 5 0 0 k v 线路跳 闸5 9 条，2 2 5 次；1 l o k v 线路跳闸2 0 9 条次；3 5 k v 线路跳闸1 1 0 条次；l o 座 2 2 0 k v 变电所停电。在京津唐电网，3 5 k v 及以上线路跳闸2 9 条，4 4 次。在河 南北部电网，5 0 0 k v 线路跳闸2 条，2 次；2 2 0 k v 线路跳闸1 8 条，7 1 次。由污 秽引起的绝缘闪络事故目前在电网总事故中已排到了第二位，仅次于雷害事故， 但污闪事故造成的损失是雷害事故的1 0 倍【2 】。我国跨省市的大面积污l 人j ，引起 了电力部门的高度重视，相关部门投入了大量人力、物力解决输变电设备的污 闪问题，绝缘子工况的诊断技术也因此得到发展。 污闪同时多点跳闸的几率高，特别是表现在一个区域内。绝缘等级越低， 跳闸几率也就越大，且重合成功率就会越小。重合不良说明了有永久性故障存 在，而多点故障则说明多处供电失去了电源，有时会造成大面积的停电事故。 对于大型的供电网络，大型变压器和中型变压器内韶存在着成千上百个绝缘子 和输入电压线、输出电压线数十条。在这些变压器周围的大范围内，空气中的 组成区别不大。空气的湿度、灰尘浓度以及温度条件是相似的。这些外在环境 条件使得一旦某处出现污闪跳闸情况，在同一区域内的其他绝缘子均处于临界 跳闸的可能之中。如果出现这种跳闸合闸的情况，势必会引起电网的振荡状况， 武汉理。f ：入学硕十学位论文 而对于周围的输变电设备来讲，将经受过电压操作。这种情形将会使得输变电 设备出现过载情况。当某一区域内，输变电设备绝缘抗污能力欠缺，无法承受 严酷的外在污染环境，这将造成区域内的输变电设备发生事故【3 1 。 绝缘子是运用最多的输电设备，其工作性质决定了绝缘子表面积污秽是肯 定会存在的，这就说明了污闪不可能从根本上得到杜绝。电网中在现场运行的 绝缘子已经积累了大量的污秽，怎样准确迅速的测出绝缘子表面的污秽等级， 进而能正确的预测和判断出污闪的潜在威胁是目前研究的重点和焦点。 1 2 绝缘子污秽测量的研究现状 1 2 1 绝缘子污秽测量方法分析 目前测量绝缘子污秽常用的几种方法【4 】如下： 人工现场巡视： 抽测污闪( 耐) 电压或污闪( 耐) 电压梯度； 测量泄漏电流； 污层电导的测量； 测量绝缘子表面的等值附盐密度。 通过现场巡视和现场绝缘子的污闪( 耐) 电压测定，可以直接地判断绝缘子的 外绝缘的运行状况，比较直观。其他的则要测量外绝缘表面泄漏电流值、污层 电导值和等值盐密的大小，从而判断外绝缘情况。采取以上的技术措旋均可以 防止污闪事故的发生。 ( 1 ) 人工现场巡视 现场巡视方便、直观，是供电部门防止污闪事故发生广泛采用的方法。预 防污闪的巡视，往往是要安排在夜间和大雾、毛毛雨等潮湿天气下进行。 在人工巡视过程中，判别污闪情况的方法有两种：听放电声音、看放电现 象。如果在潮湿天气下绝缘设备放电声音小且声音均匀，则污闪情况不严重： 与之相反的情况下，放电声音大且常有“哗剥”声产生，则放电情况比较严重，这 个时候就需要对设备进行处理。观察放电现象：在绝缘子表面上呈现的是均匀 的蓝紫色光圈时，绝缘的危害不大；倘若在绝缘子表面呈现的是黄白色屯弧或 是黄红色伸缩树枝状时，此时的绝缘受到威胁，若放电情况比较严重，则需要 采取必要的措施柬预防污闪。 此方法的巡视结果的好坏与巡视人员的经验、素质等多种因素有关，无法 2 武汉理：人学硕十学位论文 定量，不十分确切，容易漏检。 ( 2 ) 污闪( 耐) 电压梯度和污闪( 耐) 电压 反映绝缘子抗污闪能力的两个最重要、最直接指标是污闪( 耐) 电压和污 闪( 耐) 电压梯度参数。它们基本上是相同的，可以在进行现场测量中使用。 这两个参数可在实验室或污秽试验站测量。在实验室中，往往采用抽查的 办法测量运行绝缘子的污闪电压或污闪电压梯度。即选取定数量的所处环境 相近或相同的绝缘子，抽取部分自然污染绝缘子，在人工根据规定设计的实验 室环境中，对绝缘子进行污c i 4 ( 耐) 电压试验，从而得到绝缘子样本的最大污 闪耐压值，或者得到样本的污闪电压最小值、平均值和标准偏差，根据结果可 以估测出相似的绝缘子在类似的环境中的抗污闪能力【5 】。主要在污秽试验站中进 行现场测量绝缘子的污闪电压梯度或污闪电压。为选择不同的污秽外绝缘提供 依据，测量出各类型绝缘子的优劣顺序和绝缘子的耐污闪的性能。同时也可以 借助此方法，监视运行在类似环境下的绝缘子，从而估计在相同情况下运行绝 缘子的实际抗污闪的能力。 现场污秽试验还能真实地测得绝缘子污闪性能，但由于自然污秽和积污水 平达到临界状态与引起污闪的气象条件的产生不一定同时存在，一般是污秽已 经达到临界水平但没有出现充分的潮湿条件而测量不到临界污闪电压，因而进 行闪络电压的测量还应结合其他污秽度参数的测量。 ( 3 ) 泄漏电流 在潮湿天气下，污染的绝缘子会在发生污闪之前产生较大的脉冲式泄漏电 流和局部电弧。绝缘子表面污秽程度越严重的，出现泄漏电流脉冲的幅值就会 越大，而且相应的频度也越高。也就是说，发生污闪前会产生脉冲的频率和幅 值迅速增加现象。所以，记录下一定时问问隔内超过规定幅值的泄漏电流的脉 冲总数，就可反映出绝缘子的污秽程度。 泄漏电流脉冲记数是更接近系统运行情况下的污秽测量值，可以不受系统 停电的限制，测量到各种天气情况下的数据，且可作为运行的监视手段之一。 泄漏电流是由瞬时实际爬电比距，天气和污秽程度决定的动态指标。当污 秽水平过限时，发出报警，提示工作人员清扫，这样达到预防污闪事故的目的， 提高了供电可靠性。 表面泄漏电流是电压、气候、污秽三要素的综合反映和最终结果，称为动 态参数，它表征了绝缘子外绝缘水平下降的程度，故一直被用作监测污秽绝缘 子运行状态。通常用泄漏电流的3 个特征量作表示污秽度的参数，即：运行电 武汉理l ：人学硕士学何论文 压下泄漏电流最大脉冲幅值i h ，超过一定幅值的泄漏电流脉冲数n ，及电流的有 效值1 1 6 。测量这些参数需要对绝缘子旌加一定电压，现场试验不方便。 ( 4 ) 污层电导率法 污秽绝缘子表面污层电导率也叫表面电导率，是绝缘子单位表面( 每平方 厘米) 污层的电导值。污秽绝缘子的表面电导率能综合反映污层的污秽及潮湿 程度，它是反映污秽影响的一个较好的参数，能与闪络电压之间有明确的对应 关系，即表面电导率增大时，闪络电压随之降低f 7 8 1 。但因为测试电压低，表面 污层电导率并不能完全反映污秽绝缘子在高电压下的真实情况，并且现场测量 电导还有许多客观条件限制，所以表面污层电导率作为污秽测量在实际应用中 不能大范围使用，可用于污闪机理和特性研究中。 ( 5 ) 等值附盐密度法 等值附盐密度简称哉密。其含意是一定剂量的污秽液的电导用相同剂中产 生相同电导的氯化钠( 食盐) 来等效。绝缘子等值盐密( 外绝缘的单位表面积 上的等值盐量) 测量方法是用一定量的蒸馏水，按规定的方法将一定面积瓷表面 上的污秽物进行清洗，用适当的仪器测量污秽溶液的电导率来确定盐密值s 。等 值盐密可直观衡量污秽程度，不受温度、电压、试验设备容量和试验场地的限 制。盐密值作为输变电设备划分污秽等级的根据之一，也是进行绝缘维护措施 和选择绝缘水平的依据，应用相当广泛。 1 2 2 国内外绝缘子污秽测量仪的分析 对等值盐密度这一参数的测量同本丌展得最早。七十年代起英国也开始采 用，主要在普通的悬式绝缘子和在防雾型悬式绝缘子上清洗采样，具体的清洗 采样办法在英国的不同单位有些不同、用水量也有差别。用电导率测量仪测出 溶液的电导率，仪器自动补偿校正给出数值，算出含盐量，再按所清洗的面积 算出盐密度。凋量盐密度的仪器和材料都较便宜，可以在任何地点进行，而且 工作可作得较细。盐密度的测量结果能与在自然污秽试验站的绝缘子闪络统计 数据及在实验室的人工盐雾试验数据建立较确定的关系，因此多年来这方面已 做了很多工作 9 1 。由于这些优点，所以盐密度测量在英国也采用较多。其缺点是 不能连续获取数据，而且花费劳动力多。在英国，测量与绝缘子污秽有关的指 标是进行现场测量污秽等级的主要原理。 随着电子技术的发展，数据采集芯片的不断升级和计算机应用的深入，测 4 武汉理1 ：大学硕十学位论文 量电导率的仪器研究也无时无刻不在进步。国内外生产电导率仪的厂家也日益 增多。 在国外比较出名的生产电导率仪的有：美国l e e d s & n o r t h r u p ( 里兹一诺斯莱 仪器) 公司、日本y o k o g a w a ( 横河) 公司、英国k e n t ( 肯特) 公司。美国里 兹诺斯莱仪器公司的7 0 8 2 1 9 电导率分析仪阳，其电极材料采用了高密度石墨 和钛，管体为聚芳醚砜( 耐热性高，热变形温度为2 0 3 ，优良的蠕变性和尺寸 稳定性) ，本仪器还可以通过键盘进行控制。英国肯特公司设计了两种电导率变 送器：一种是盘装式仪表；另一种是墙挂式仪表。分别使用的显示器为字符点 阵显示和数字显示。同本y o k o g a w a 公司研制过智能化二线式电导率变送系 统，采用的电导电极是基本达到线性化的四电极式探头，且可以自己设定测量 温度补偿的基准温度、温度系数k 和测量范围，更多功能使用方便。 在德国也发明了一种在线快速检测溶液电导率，其测量过程是：在待测溶 液上施加正负极性的短脉冲，然后测出每个脉冲中系统的响应，然后通过计算 机进行处理得到结果。这种仪器能减少电磁于扰、机械对电导率测量的影响。在 前苏联也发明了一种自动电导率检测装置，采用计算机来控制倍频器和分频器。 在国内比较有名公司的主要有：上海雷磁一创益仪器仪表有限公司、南京分 析仪器厂有限公司、厦门市分析仪器厂、江苏江分电分析仪器有限公司【9 】。上海 雷磁创益仪器仪表有限公司主要生产8 8 系列气相色谱仪、电化学分析仪器系 列、p h 酸度计、d d s 电导率仪、p h 标准缓冲液、标准混合气体三大系列的工 业产品，生产的电导率仪型号有d d s 3 0 7 a 。d d s 3 0 7 a 型广泛地应用于石油化 工、生物医药、污水处理、环境监测、矿山冶炼等行业及大专院校和科研单位。 若配用适当常数的电导电极，还可用于测量电子半导体、核能工业和电厂纯水 或超纯水的电导率。南京分析仪器厂有限公司是国内最早从事分析仪器研制和 生产的专业厂，主要从事成套在线分析控制装置的开发、研究及现场应用，重 点突破了过程分析仪器在高温、高粉尘、高湿度、高腐蚀等恶劣工况条件下的 取样预处理，生产的电导率型号有d d 1 0 0 1 型船用盐量计。d d 一1 0 0 1 型船用盐 量计，顾名思义主要是用于船舶装置，用来分析海水经过淡化后的淡水中的含 盐量，也可监测化工、电力等部门供水中盐分的含量。厦门分析仪器厂主营产 品有七大类：光谱系列可见分光光度计、电化学系列精密数显酸度计、海洋环 保系列油份浓度报警器、生化类果蔬农药残留快速测试仪、医疗卫生计生部门 使用的m b 超、探伤仪、电磁涡留无损检测系列的导电仪。江苏江分电分析仪 器有限公司的产品共分四大类：国家重点新产品、国家十五攻关项目引领石油 武汉理一r ：大学硕士学位论文 分析仪器、环保水质分析仪器。其高新技术产品为煤质分析仪器提供了广阔的 市场空问，并可生产离子计、酸度计及1 0 0 多种电极。 无论是用盐密或饱和盐密值的测定来指导清扫，或采用绝缘子表面泄漏电 流预警系统来指导清扫。都是要以线路防止污闪事故的发生为前提。 测量等值盐量可使用电导率仪，也可用电流电压法测量装在专用试管内的 污液电导率，或采用低压( 1 0 0 2 5 0 v ) 的高阻计作测量仪表。传统的测量盐密 方法是用电导率仪测出被测污液常温下的电导率，然后用查表或计算的方法将 电导率换算成标准规定的2 0 下的电导率，再用查表( 图) 的方法得出污液的 含盐量，最后根据用水量和被测绝缘子的表面积，算出等值盐密。整个工作耗 时长，计算繁琐，要求测量人员必须具备一定的专业知识，不便于大范围( 尤 其不便于现场) 大批量地迸行测量。 国内在7 0 年代末研制出直读式盐量表，可以直接读出污秽的盐量浓度 ( 1 0 0 r n l 中的盐量) ，较传统的测量盐密方法有所改进，缩短了工作时长，但是 精度有限。 目前国内的等值盐密仪均讲究人性化设计，功能较齐全，操作简单，能快 速测出样品的盐密值，也需符合g b t 1 6 4 3 4 高压架空线路和发电厂、变电所 环境污区分级及外绝缘选择标准的有关要求。 综上，电导盐密仪的开发设计成为现今测试绝缘子污秽的趋势。 1 3 电导测量的研究概况 1 3 1 电导率测量方法分析 目前，在国内外有多种测量溶液电导率的测量方法，这些方法没有统一的 分类标准，大致可分为电磁电导率测量法、超声波电导率测量法和电极电导率 测量法等【9 】。 在高温、高压、强腐蚀的环境下工作的电导仪，如在柠檬酸的过程中，需 要测定、控制酸解槽中液体的电导率，但在此液体中，含有硫酸、柠檬酸钙、 石膏、水等介质，而柠檬酸钙、石膏属于粒状固体，使用搅拌以防止固状物沉 淀，这样的话。屯导仪在测定时，就容易受液体化学、物理性质的影晌，需要 设计出一种类型的电导仪电磁电导仪【1 0 l 。它是借助两个环形线圈进行测量： 一个环形线圈作为发射极在液体回路中产生感应电压，另个环形线圈作为接 收极- 柬接受感应电压在液体中产生的感应电流。在发射线圈、接收线圈的形状 6 武汉理1 ：人学硕七学位论文 和尺寸定，施加在发射线圈的交流激励频率、幅度一定的条件下，液体回路 中感应电流与液体豹电导率成下比，在接收线圈上感应出的电势差也与液体的 电导率成正比【l u l 。 电磁式电导测量方法就是利用通过电磁感应方法测量溶液回路导电能力， 从而来测量溶液电导，因感应元件不直接与溶液接触，因而不存在污损和极化 现象，故适合工业在线测量。这种电导测量仪测量范围窄、成本相对较高，通 常应用在对耐腐蚀性或耐高温、高压有特殊要求而对成本不敏感的场合h 。 超声波测量方式比射线测量方式具有绝对的安全性，因而广泛应用于污水 处理，给水，造纸，冶金、矿山等多个领域。超声波的波长比一般声波要短， 具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，超声波在污泥和悬浮物中的衰减 与液体中的污泥和悬浮物的浓度有关。超声波测量方法，无射线污染，绝对安 全，超声波发射能量自动调节，能够适应各种测量介质和不同的量程，稳定精 确测量。但是研究成本过高，目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受 超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被 测流体传声速度的原始数据不全。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量 计复杂。 相对而言，电极电导率测量法采用的电极结构简单、造价低廉、测量范围 广，尤其适于低电导率的测量。电极电导率测量法根据电解导电原理，采用电 阻测量法间接测量电导率。 i 3 2 常用电极电导测试方法分析 目前，按照测量电路中电极所在的位置不同，有四种电极电导测量方法【1 2 】： 1 ) 分压法：电极和分压电阻串联。为了避免电极极化会引起误差，一般采 用交流电源。本方法实用性广，操作简单，其中的分压电阻可方便调节。 2 ) 电流法：电极置于运算放大器的输入端。激励源通过电极时产生电流， 此电流与被测溶液电导率成正比，再通过采样电阻形成交流电压，此交流电压 也与溶液的电导率成正比，最后通过放大电路、整流电路、滤波电路将此交流 电压转变为直流电压，此直流电压同样正比于溶液电导率。 3 ) 电桥法：电极是电桥的一臂。分为平衡电桥和不平衡电桥。平衡电桥测 量适用于浓度高电阻低的溶液，测量较准确；不平衡电桥测量相对平衡电桥来 说，要求有较高的电源稳定性。 7 武汉理- i ：人学硕士学位论文 4 ) 频率法：时基电路与电极电导传感器构成频率传感器，可将电导率转化 为频率信号，电极作为频率式传感器的一部分。此法可自动变频，简化仪器结构。 伴随着我国工业化迅猛的发展，为了实现在线检测和生产过程优化控制， 对监测方法和仪器要求越来越多，除了要求设计的仪器简易，还要求满足实时 性、灵敏度和准确度。 在电极电导测量方法中，温度是整个测量过程的重要影响因素。温度的变 化严重影响了被测溶液电导率的精度，所以温度补偿是整个电导测量仪器中需 要注意的方面，此块是国内外专家研究的重要方面，目前枪测设备的温度补偿 方法有以下三种： 1 ) 恒温法：此法重要的就是要保证被测溶液的温度在整个测量过程中一直 维持在一个标准温度下。可知由于周围环境的影响，溶液温度会发生变化这就需 要一个恒温装置来保持溶液的温度，此装置难以控制，且不便于在线测量使用。 2 ) 手动温度补偿法：在设计的电导率仪上同对设置了手动温度补偿装置。 此方法在测量过程中温度系数已经固定，对电导率相差不大的溶液来说，测量 值会出现较大的误差。 3 ) 自动温度补偿法【盱】：有参比端温度补偿、热敏电阻传感器温度补偿法等。 电导率测量方法的发展方向：关于电导电极的电容效应和极化效应，开始 深入研究电容电荷积累、电导池的充放电、极化建立时间和电容电势稳定时问。 c p u 资源得以充分利用，由频率、幅值连续可调的激励源产生信号，使整个电 路变得简单，并利用a r m 单片机进行数据处理，温度补偿，大大提高了测量精 度。 如今，使用最多的是方法是精确的测量溶液温度及电导率，根据所得的经 验公式用自动温度补偿，或者是把测得的值放入处理器中，利用查表的方法来 温度补偿1 1 4 j 。 1 4 本文研究工作 本论文所研制的电导测试系统在对溶液进行测量时，为避免和减小电极的 极化现象，影响其使用寿命，测量电极上所加信号应为交流信号，且信号幅度 不宜过大，频率可选择为几千赫兹( 为5 0 h z 的整数倍) ，以克服交流干扰。数 据的采集速度得到了大大的提高，系统的结构大大的简化，制造成本也降低了。 这种电导测量装置特别采用了带有温度补偿的电导测量探头，降低了测量成本， 8 武汉理l ：大学硕十学位论文 并且能实现整个过程的优化控制，是一种准确快速的检测方法。 这款仪器也能测量般溶液的电导率、温度等功能，解决了一般仪器精度 低和自动程度不高的问题。 本论文的研究工作如下： ( 1 ) 搭建硬件平台：采用适用于工业控制的基于c o r t e x m 3 内核的a r m 微控制器，提高系统的稳定性和可靠性。选用嵌入式处理器l m 3 s 11 3 8 ，并设计 了各主要硬件模块和接口电路。 ( 2 ) 系统移植嵌入式实时操作系统，软件由c 语言完成，并在操作系统基 础上采用多任务完成数据采集、实时数据计算处理、显示和通信，提高了系统 的稳健性。 ( 3 ) 增加与p c 机的通信接口，可方便的传输数据到p c 机，配合上位机软 件完成更复杂的数据分析和报告。 按照此方法设计的等值盐密仪均讲究人性化设计，功能较齐全，操作简单， 数秒钟内即能测出样品的等值盐密，采用以a r m 单片机为核心，省去一般仪器 的旋钮和测量段选开关，实现测量全自动化，液晶式显示。具有测量赫密外， 还可以测量一般溶液的电导率、温度等。追求测量高精度、读数直观、使用方 便、灵活等特点。 本论文的具体编排如下： 第l 章：绪论。主要是介绍设计电导率盐密仪用来预测绝缘子污秽度的重 要意义，并分析了测量绝缘子污秽并划分等级的方法。通过国内外电导率检测 仪器的分析，联系目前电导测量的测量方法，得出本论文设计的电导盐密仪符 合实际的需求。 第2 章：电导盐密仪总体介绍。主要是分析电导盐密仪测量的原理后，选 用a r m 作为本仪器的核心部分，并对a r m 的应用进行了简单介绍，分析比较 后选用a r mc o r t e x m 3 的l m 3 s 113 8 作为目标板，总体介绍了本仪器需要完成 的功能，进行了总体结构的概括。 第3 章：电导盐密仪的硬件系统设计。主要是根据总体结构中的各个模块， 分别进行设计，包括传感器的选择，信号源的产生电路，电导放大及量程切换 电路，键盘电路，l c d 显示电路，异步串口电路等的设计。并在最后进行了硬 件抗干扰措施的分析。 第4 章：电导盐密仪的软件系统设计。主要介绍了b c o s i i 的移植，并对 应第3 章的各个硬件模块，进行软件的设计。最后分析了软件抗干扰的措施。 9 武汉理一【大学硕十学位论文 第5 章：结论与展望。总结了本论文的主要工作，并为电导盐密仪进一步 研究提出了几点建议。 1 0 武汉理- ：大学硕十学位论文 第2 章电导盐密仪总体介绍 2 1 电导盐密仪测量的原理 测量溶液的电导率，实际上就是测量溶液的电阻率。 入溶液中，测出极间电阻r 【1 卯。基本原理如图2 1 所示： 溶液电阻： 尺= 7 e = p j l = p k 式中p ：溶液电阻率 l ：电极问距离 a ：电极面积 k ：电极系数 r f e 在工程上，用电极插 v 0 ( 2 1 ) 图2 1电导率测试及自校电路原理图 溶液的电导率： q p r 瑶，去er 瑙矗er 婚缎 ( 2 2 ) l r r 。u 其中善5 赤 这说明溶液的电导率a o , ：v o ( 运放的输出电压) ，为适应计算机处理，基于 该系统为线性系统，采用与标准电阻相比较来测量计算。在仪器中的具体算法 如下【1 6 1 ： ( 1 ) 用标准精密电阻上的电压作为输入信号，根据其采样值，计算该系统 的系数k ； 武汉理 ：人学硕士学位论文 ( 2 ) 测量溶液的温度确定其温度系数k ； ( 3 ) 电极插入溶液，对其进彳亍数据采样，设采样值为m ； ( 4 ) 计算2 0 。c 下溶液的电导率：0 2 0 = f k t m k 。 用盐密( s d d ) 来表示的绝缘子污秽度的确定法【”】，将污物溶于一定量的蒸馏 水中，得到的悬浮液搅拌均匀后测得电导率o t ( s m ) 和溶液温度t ( ) 。 将t ( ) 时的电导率q 换算至2 0 。c 的值。温度换算系数k t 见表2 1 。 0 2 0 = k c a t( 2 3 ) 根据2 0 时的电导率0 2 0 ，由表2 2 查出盐量浓度s 。 按下式计算得出等值盐密： 矿 s d d = s o + 南 ( 2 - 4 ) 式中：s 。盐量浓度，( r a g 1 0 0m l ) ；k 溶液体积，( c r n 3 ) ； a 清洗表面的面积，( e t a 2 ) 。 表2 1 污秽绝缘子清沈液电导率温度换算系数表 l ，kt ，k 1丰1 6 5 “1 61 0 9 9 7 2宰1 6 0 4 61 7 1 0 7 3 2 3章1 5 5 9 61 81 0 4 7 7 4幸1 5 1 5 81 9 1 0 2 3 3 5孝l ，4 7 3 42 01 0 0 0 0 6奉1 4 3 2 32 10 9 7 7 6 7 幸1 3 9 2 6 2 2 0 9 5 5 9 8幸1 3 5 4 42 3 0 9 3 5 0 9奉1 3 1 7 42 40 9 1 4 9 1 01 2 8 1 72 50 8 9 5 4 1 11 2 4 8 72 60 8 7 6 8 1 21 2 】6 72 7 0 8 5 8 8 1 31 1 8 5 92 80 8 4 1 6 1 41 1 5 6 12 9 0 8 2 5 2 1 51 1 2 7 43 0 0 8 0 9 5 注：本表换算系数根据i e c 5 0 7 ：1 9 9 1 插值得出，为与原水电部( 8 3 ) 2 3 号文有差异，最大 为1 9 。 1 2 武汉理_ 1 ：大学硕十学位论文 表2 2 污秽绝缘子清洗液电导率与盐量浓度的关系 s a ，m g 10 0 m l 哑o ，比s c ms a ，m e , 1 0 0 m l0 2 0 ) 1 t s c m 2 2 4 0 0 02 0 2 6 0 0 15 0 2 6 0 1 1 6 0 0 01 6 7 3 0 01 0 01 7 5 4 1 1 2 0 01 3 0 1 0 09 01 5 8 4 8 0 0 01 0 0 8 0 08 01 4 1 3 5 6 0 07 5 6 3 07 01 2 4 i 4 0 0 05 5 9 4 06 01 0 6 8 2 8 0 04 0 9 7 05 08 9 5 2 0 0 02 9 8 6 04 07 2 1 1 4 0 02 1 6 9 03 05 4 5 1 0 0 01 5 9 1 02 03 6 8 7 0 01 1 5 2 01 018 8 5 0 08 3 2 78i5 l 3 5 06 0 0 0 6 11 4 2 5 04 3 4 059 6 2 0 03 4 3 9 4 7 7 2 2 系统的开发设计 嵌入式应用系统设计一般可以分为两部分，一部分是对其进行系统硬件设 计，另一部分则是设计系统软件部分。而基于a r m 的电导盐密仪的设计整个过 程则一边完成软件设计，一边进行硬件设计，最后进行软硬件联合调试的过程。 a r m 系统的设计流程如图2 2 所示【1 8 】。 1 3 武汉理一i ：人学硕：卜学位论文 图2 - 2a r m 系统设计流程图 在基于a r m 的电导盐密仪的设计过程中，对电导盐密仪原理进行分析，以 确定原理图，来选择芯片和器件。在硬件详细设计中，首先要确定硬件原理图， 以确定硬件部分所应该实现的功能，完成结构化设计，并提供元器件清单列表， 进行硬件部分的调试；在软件详细设计中，首先分析软件部分所需要实现的功 能，根据实际情况进行模块划分，通过高级语言完成各个模块的驱动、采样和 扫描功能，搭建起程序的主体框架。在设计的最后阶段，则需要在满足精度情 况下，进行软硬件的联合调试1 1 9 2 。 为了合理的设计，并保证测量的精度，达到最佳的设计效果，在系统设计 过程中应注意以下几个原则【2 2 1 ： 1 ) 在选择芯片过程中，尽量选择功能强大的芯片，不仅可以简化电路设计， 而且能保证系统的精度和可靠性。 2 ) 在设计电路制板时无需设计太紧密，因为考虑到有修改和扩展，有可能 会需要添加部分电路。 3 ) 尽量能用软件来替代硬件。因为用软件来完成硬件的部分功能，不仅能 1 4 武汉理j ：人学硕士学位论文 降低成本，且能避免硬件设计过程中误差的产生，提高了系统的可靠性。 4 ) 在软件设计中引入嵌入式实时系统( r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，r t o s ) ， 使软