水质快速检测及工业循环冷却水阻垢系统的研究（可编辑）

水质快速检测及工业循环冷却水阻垢系统的研究重庆大学硕士学位论文水质快速检测及工业循环冷却水阻垢系统的研究姓名李杰申请学位级别硕士专业电气工程指导教师杨永明20070525重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要人类的生存离不开水，水是整个人类社会稳定与发展的最基本要素。由于近年来工业的发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、农药、杀虫剂以及除草剂等生产工业的迅速发展。化学物质的种类和产量与日俱增，各种生产和生活污水未达到国家排放标准就直接进入水体。作为居民饮用水源的大部分水体，已受到了严重的污染随着科学的发展，人们己清楚地认识到各种污染物对生态环境及人体健康所带来的危害，从而促使科研人员去寻找有效的分析测定方法和采取有利于防止水体污染的措施来保护生态环境。本课题根据不同物质具有不同电导率的基本原理，利用自制的一套基于高速微控制器的水质快速检测系统，实现对污染水质的快速检测高速微控制器实现电极选通、数据采集并与PC机进行数据通信；PC机作为主控机控制下位机工作，接收测量数据。分析水质检测结果，即将水质快速检测系统对取样水质的电导率检测范围与合格水质的电导率范围进行分析比较，从而判断取样水质是否达标。实验结果表明，该系统基本满足对水质检测的性能要求，通过对系统软硬件的迸一步改进和完善，可望实现对工业废水实时快速检铡的目标。另外，自从水被用作传递热量的工质之日起，受热表面和传热表面就产生了结垢问题，同时也就产生了防止结垢和清洗水垢两大行业。目前锅炉等蒸汽动力设备已广泛应用于电厂等工业生产中。锅炉和蒸汽动力设备结垢的直接影响是妨碍正常传热，对锅炉来说增加燃料消费，对于热交换设备来说降低热效率或是降低冷却效率迸一步的影响是结垢引起锅炉受热面管子超温蠕胀失效，并会引起局部腐蚀、穿透或脆爆。结垢还使传热表面擎生微生物。并引起腐蚀鉴于水垢的产生对工业生产的正常进行所带来的危害，本课题根据电场防垢的基本原理，利用自制的一套变频调压高压脉冲循环冷却水阻垢系统进行实验，来探索消除水垢的方法。关键词高速微控制器，水质快速检测系统，高压脉冲，工业循环冷却水阻垢系统重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTCANWITHOUTW翟眩ANDWATERISTHEBASICFORHUMANNOT翻VIVEMOSTELEMENTSTABILIZATIONANDOFTHEWHOLEOFINDUSLRIALDEVELOPMENTSOCIETYBECAUSERAPIDRECENTORGANICDEVELOPMENTYEARS,INCLUDINGCHEMISTRYINDUSTRY,OILCH廿LLI曲哆INDUSTRY,FLOSORTANDOFCHEMICALMEDICINE,PESTICIDE，INSECTICIDE,HERBICIDE，ANDON,THEOUTPUTALLKINDSSUBSTANCESOFFROMLIFEGROWDARB，CLAY,ANDSEWAGESCOLLINGPRODUETIO,ANDTHESTANDARDUSEDA把LETOFWATERWHICHISFOROUT,MISSINGOFCOUNTRYAMAJORITYDRINKINGHASBEENWITHTHESCIENTIFICHAVEPOLLUTEDSERIOUSLYALONGA【P佗鼹LYDEVELOPMENT，PEOPLEKNOWNTHEHARMTHATVARIOUSCONTAMINATIONSHAVETOENTIRONMENTANDBROUGHTPEOPLESTHEMTOLOOKFORANDMETHODSANDTAKEEFFECTIVEHEALTH,WHICHSPURSANALYZIL_IGLN徽LRIN,GACTIONTHATISTOTOENFIRONMENTTHEPROPITIOUSPREVENTWATEL“POLLUTIONPROTECTBASEDONTHEBASICTHATDIFLET踟TSUBSTANCEHASDIFFERENTTHEORYCONDUCTANCE,THEFORDISCUSSIONMAKESUSEOFASELFMADEWATERFASTTESTBASEDONQUESTIONQUALITYSYSTEMTHEMIEROEONLROLLCRTOREALIZETBCFUNCTIONOFFASTWATTRHIE,HSPEEDTESTINGPOLLUTEDMIEROEONLROLLERCA而嚣OUTTHEHIGH叩E。DTASKS,SUCH鹤ELEEMXLESELECTION,DATAANDDATACOMMUNICATIONWITHPCTHEMASTERPCISFORTHESLAVEACQUISITIONRESPONSIBLEANDI嗷IVCSWCTILECONDUCTANCETHATTHEMACHINEDATATHMW觚盱QUALITYCOMPARERANGEFASTTESTFROMTHEWATERWITHTHEOFWATERTODETECTS013ESYSTEMSAMPLINGELIGIBLEJUDGETHE谢AETHERTHEISTESTD岛池SHOWTHATCANDIGIBLETHESYSTEMSAMPTIR堰WATEROFWATERTHEHARDWAREANDREASONABLYREQUIREMENTTESTBYIMPROVINGSATI田THEQUALITYTOTHEAIMOFREALTIMEANDINDUSTRIALSOL6TWO鹏OFSYSTEM,ITSLIKELYGETFASTTESTINGLIQUIDWASTEINISUSEDFORWORKSUBSIAILCETHATTRANSFERSWATEROFADDITION,SINCEQUANTITYHEAT,THEREONTHEHEATEDBULFACC锄DHEATHASBEENTHEOFALWAYSPROBLEMSEALINGTRANSFERRING蚰LFACEATTHESSNLCTWOTRADESOFSCALEANDELEANOUTALSOCOMEINTOLIME，THEPREVENTIONSTEAMSUCHASBOILERHAVEBEENINBEINGPRESENTLYD删CALEQUIPMENTSAPPLIEDINDUSTRIALSUCHASABROADTHEDIRECTEFFECTOFISTHATITPRODUCTIONPOWERPLANTSCALINGDISTURBSHEATBOILER锄DREDUCESIRAMF碱,GNORMALLY,INCREASESFUELS币既坩IH聪OFTHERMALOTOFHEATWILLTUBEETTIEIENEYMOREOVER,ITCOOLINGTRANSFERRINGEQUIPMENTBRINGOFHEATEDSTNFAEETOTEMPERATUREERODING,ANDWILLALSOMAKETHESURFACEHEATTOBREEDBURST,ITOF仃ANSFERRINGPENCTAATIONANDERODEMIEROORG越ISM重庆大学硕士学位论文英文摘要BECAUSEOFTHEHARMTHATSCALEWILLTOANDINDUSTRIALBASED011THEBRINGPRODUCTIONBASICSCALEOFELECTRICFIELDTHEORYPREVENTION,THEFORDISCUSSIONMAKESUSEOFAQUESTIONSELFMADEINDUSTRIALRECURRENTWATERBLOCKTESTCOOLINGTOANDSYSTEMEX肺ENTEXPLORETHEMETHODOFSEALECLEANOUTKEYWORDGHIGHSP暇IMICROCONTROLLER,WATERFASTTESTQUALITYSYSTEM,HIGHVOLTAGERECURRENTWATERPLLLSEINDUSTRIALC00LIIIGBLOCKTESTSYSTEMHI独创性声明本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重鏖太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名鸯查签字日期加7年J月2，日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。请只在上述一个括号内打“4”学位论文作者签名鸯查导师签名签字日期加7年岁月巧EL签字日期年月E1重庆大学硕士学位论文1绪论L绪论本章首先介绍了国内外水质检测及工业循环冷却水处理领域的研究现状，接下来详细介绍了本论文的任务来源、意义及主要研究工作11问题的提出及研究的意义水质快速检测技术是一种新颖的水质检测方法，它根据被测液体内部不同物质的导电参数如电阻率、电容率的不同，通过对液体表面电流、电压的施加、测量来获知液体内部导电参数的分布，从而得到待测液体相对电导率的变化范围。水质快速检测系统的重要组成部分，即数据测量系统的作用，就是在正弦激励下从被测液体表面测量中解调出反映液体内部电导率参数分布的电位信号，经AD转换及数据处理后为重构算法提供高精度的数据不同的物质具有不同的电导率，清洁的水和污染的水具有的电导率也是不同的。根据受污染方式的不同，水质会呈现出不同的电特性从实验数据可以看到，与纯净水相比，在水槽中放入各种化学物质甚至加入污水的时候，会引起电导率数值的变化，并且化学物质剂量增加的时候，引起的电导率变化数值增大。通过实验可以证明，采用水质快速检测技术，可以检测水槽中水所含有的化学物质的存在，并且可以根据与纯净水电导率相比的变化大小反映出化学物质的特性和污染程度。基于本技术可以建立突发水污染事件的水质安全应急处理机制，实现提升现有的水质监测能力，全面实时地反映水质状况和提高水质安全应急响应能力的目标，而且建立水质安全动态监测监控示范标准在全世界都很有必要。该检测方法方便灵活，对于小型的排污管道，可以将设备直接串接在排污管道上，面对于大型的排污管道，可以采用引出管的方式进行测量，具有低成本、高清晰度、设备体积小、运行速度快等优点该技术的突破对于国内的工业和科技有重要的推动作用，可带动一大批环保相关产业的发展，使整个环保产业上一个新的技术台阶，并可在应用上获得一大批专利成果，形成自主知识产权另外，自从水被用作传递热量的工质之日起，受热表面和传热表面就产生了结垢问题，同时也就产生了防止结垢和清洗水垢两大行业200多年来，防垢技术和除垢技术都有了长足的进步，但是，水垢仍是防不胜防，除之不尽这是由于锅炉和蒸汽动力设备参数的提高、容量的增大，都会引起垢的变化，促进成垢。目前锅炉和蒸汽动力等设备已广泛应用于电厂等工业生产中。锅炉和蒸汽动力设备结垢的直接影响是妨碍正常传热，对锅炉来说增加燃料消费，对于热交换设备重庆大学硕士学位论文1绪论来说降低热效率或是降低冷却效率。进一步的影响是结垢引起锅炉受热面管予超温蠕胀失效，并会引起局部腐蚀、穿透或脆爆。结垢还使传热表面孳生微生物，并引起腐蚀鉴于水垢的产生对工业生产的正常进行所带来的危害，作者及其所在的课题组探索采用高压脉冲消除水垢的方法，研制了一套变频调压高压脉冲循环冷却水阻垢系统，并进行了实验。12国内外研究现状人类的生存离不开水，水是整个人类社会稳定与发展的最基本要素。由于近年来工业的发展，尤其是有机化工、石油化工、医药、农药、杀虫剂以及除草剂等生产工业的迅速发展，有机化合物的种类和产量与日俱增，各种生产和生活污水未达到国家捧放标准就直接进入水体。作为居民饮用水源的大部分水体，已受到了严重的污染。近年来总体情况是发达国家比较重视环保事业，投入了大量的人力、物力和财力，水污染控制较好，水源水质总趋势向好的方向发展而发展中国家由于重视生产发展，往往忽视环保事业，即或重视环保，但因经济实力有限，远不能在环保上投入很多资金，因此水污染日趋严重。随着科学技术的发展，入们已清楚地认识到各种污染物对生态环境及人体健康所带来的危害，从而促使科学家去寻找有效的分析测定方法和采取有利于防止水体污染的措施来保护生态环境。水中污染物的种类繁多，成分复杂，这给环境分析检测提出了很高的要求。目前，国际上普遍采用的水质检测方式主要有以下几种化学方式1气相色谱一质谱GCMS联用法超微量监测分析仪器气相色谱质谱联用仪是目前国内外应用最广泛、发展最快的环境污染物分析仪器。尤其在水质监测领域，C,CMS联用法已被广泛作为基本分析方法近年来，GIMS联用仪的相关技术取得了很大进展，对以环境激素类污染物为主的有机污染物的监测，各国更是以CCMS法作为标准方法2液相色谱一质谱IC惦联用法L肛MS法是通过LC分离出的成分用骼检测，除灵敏度高、选择性好外，还能得到有关结构的信息，是目前对环境污染物质定性和定量测定的有效方法之一用液相色谱质谱1C峪联用法测定某些样品时，在进行试样的前处理时无须进行衍生化，也可同样地进行测定，通过质谱定性或定量。I四法目前已成为监测分析农药、除草剂及多氯联苯的重要方法3红外光谱法红外光谱法是有机化合物最主要的定性分析方法之一，主要原理是每一种化合2重庆大学硕士学位论文1绪论物都有特征的红外吸收光谱，其谱带的数目、位置、形态及强度均随化合物及物理形态的不同而不同，因而可以根据化合物的光谱确定该化合扬或其官能团是否存在红外光谱技术目前已发展成为环境监测中微量污染物定性和定量分析的重要工具，也是近年来发展最快的水质监测方法之一用化学方式进行水质监测的普遍问题是测定某些物质时必须进行复杂的前处理，花费的时间长，耗资也较大，而且需要一定的工作环境，无法进行实时、快速的检测。除了上述的化学方法外，还可利用生物方法进行水质监测。生物监测是系统地利用生物反应来评价环境的变化，并将其信息应用于环境质量控制程序中的一门科学生物监测的目的是希望在有害物质还未达到受纳系统之前，在工厂或现场就以最快的速度把它检测出来，以免破坏受纳系统的生态平衡；或是能侦察出潜在的毒性，以免酿成更大的公害【L】。生物监测主要有以下几种方式1利用指示生物在水体中的出现或消失、数量的多少来监测水质。2利用水生生物群落结构的变化来监测水质。3利用水生生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污染状况。同化学监测相比，生物监测有自己的特点生物监测能反映各种污染物的综合影响；化学监测是定期采样，结果不能反映采样前、后的情况，而水中生物，汇集了整个生长期环境因素改变的情况；有些水生生物对污染物很敏感，有些连精密仪器都测不出的微量元素的浓度，却能通过。生物放大”作用在生物体内积累而被测出闭但生物监测也有自己的不足之处不能定性和定量地测定水质污染；检测的灵敏性和专一性方面不如化学检测；某些生物检测需时较长。从以上比较可以看出，水质快速检测技术能进行实时、快速测量，便于携带，成本低廉的特点正好弥补了化学检测和生物监测的不足，使其具有很大的发展空间。考虑到算法的数值计算的复杂性和测量数据精度的兼顾问题，实验室制作了两套8电极和三套16电极的小型水质测量管道来模拟实际工厂企业中的捧污管道进行实验在城市用水中，工业用水占80，冷却用水又占工业用水的800,4。目前，工业上用的冷却水逐步由直流水改为循环水，大大缓解了水资源的紧张局面。但使用循环水也存在不足之处，即冷却过程中水不断蒸发，循环水的含盐量也随之增加，水中的CO,在冷却塔中解析、逸散，碳酸钙在换热设备上结垢同时，冷却水与空气接触，吸带空气中的灰尘、泥粒、微生物等，系统内粘泥积聚，造成腐蚀。结垢成3重庆大学硕士学位论文1绪论了推广循环冷却水的主要障碍。现在广泛应用的化学处理技术，至少有三大益处。其一，投加化学药剂能确保水质稳定，提高冷却水的浓缩倍数，大幅度降低一次水的补充量；其二，有效地控制结垢、腐蚀等危害，使换热器保持良好的工作状态，提高抉热效率，延长运行周期；其三，阻垢、缓蚀，减少对设备的清洗次数。可见，大力推行冷却水化学处理非常必要。目前使用的化学方法主要有以下几种1设备清洗目的是为除去施工中或检修后遗留在管道中的焊渣、杂物、油污、浮锈等，起到净化金属表面的作用。先用水循环冲洗，再用化学清洗，一般用阴离子表面活性剂除设备上的油污，表面活性剂分子上有亲水基团和亲油基因，便于增加溶液的渗透、乳化、分散能力2预膜向系统投加缓蚀剂形成保护膜比较缓慢，在运行初期可加大缓蚀剂浓度，促使保护膜迅速形成，或加入使金属钝化的预膜剂，待进入正常运行后再用低浓度缓蚀剂，此时对保护膜起修补作用预膜剂一般使用六偏磷酸盐加硫酸锌3投放阻垢剂目前使用的大多是复合型药剂，即将阻垢分散剂和缓蚀剂同时用阻垢剂起螯合作用和分散作用，同时能使晶格歪曲，使已形成结晶的CAT03结成坚硬的垢比较常用的阻垢剂有聚马来酸、丙烯酸、氨基三甲叉磷酸ATMP等。4缓蚀剂缓蚀剂在阳极和阴极上形成一层保护膜，切断腐蚀电流，控制腐蚀过程。常用的有三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸酯和有机磷酸盐等。投如的缓蚀、阻垢剂一般是连续的，并视捧污量的大小计算出药剂损失量，之后连续补到系统中去5杀菌灭藻冷却塔的填料，因环境潮湿，温度适宜，水中微生物得以繁殖，构成生物粘泥造成危害所使用的药剂有液氯、次氯酸钠、工业洗必泰、1227季铵盐等化学防垢法效果好，但是对水体有影响，有的污染较重。而物理防垢法对环境无危害，可以认为是绿色防垢技术物理防垢法不同于化学法化学法通过沉淀、离子交换、中和等手段除去成垢物质钙、镁和碳酸氢根，是彻底的防垢方法；而物理法只是使成垢物质暂时失去附壁结垢的能力，是有条件的，如果满足不了其使用范围与使用条件，将使其防垢作用下降，甚至无效目前使用的物理防垢方法主要有以下两种1电磁场防垢水受磁场或电场作用，水分子的缔合现象暂时被破解，水分子成为单个的极性重庆大学硕士学位论文1绪论分子，它吸附在刚生成的碳酸钙微晶上，形成水分子与碳酸钙微晶的分子团，由于静电作用，碳酸钙难以作晶状有序排列，而是大量带相同静电微晶的松静聚合，形成絮状的聚合体经过电磁场处理过的水分子，不仅能使由于过饱和新析出的碳酸钙微晶不在传热面上黏结成垢，还会向已有的垢层浸润渗透，对水垢产生吸着、束集作用而逐渐松散剥脱。这种使旧垢松脱的作用要经历近一个月以上的时间才显现出来。本实验系统所采用的就是电场防垢方式2ECOGEM电气石防垢电气石1990年由日本羽田公司推出，是用一种赤红色结晶状矿石粉碎后，加入赋形剂拌合，做成直径34MM的小圆球，每个这样的球粒表面有56万对正负电气石电极，可具有防止水受热结垢和使水活化的作用。当水与电气石球粒接触时，电气石球粒可使水分子激活和解离，所解离出的少量氢氧根，可与电气石表面附近的水分子结合为具有界面活性的水合分子，这是一种极性分子，可以吸附管壁，器壁，阻止水中物质附壁电气石使水活化，除了可使管壁、器壁吸附活化水分子之外，还使水中钙离子、镁离子和碳酸根受激发，使成垢物质的微晶致畸，不成长为晶体，而成为絮团状沉渣，在一定时间内失去附壁能力电气石的外观形状见图11图11电气石TOURMALINEL113主要研究内容1研究了关于水质快速检测的基本原理和处理方法，并结合实验验证了效果。2参与设计并建立了一个高精度和高稳定度、电流和频率连续可调的正弦波恒流源模式下的水质快速检测系统，主要包括设计并制作了模拟实验管道，5重丛盔堂堡圭堂垡堡奎堕丝对硬件电路的改进等。3利用该系统对各种水样进行测量，获得了各种水样在某浓度下的相对电导率范围，初步验证了该方法的实用性4参与设计并建立了一套变频调压高压脉冲循环冷却水阻垢系统，通过实验获得了模拟实际工业环境下的相关参数，并提出了相应的改进方案。6墅竺塑主兰垡堡塞查垦堡望坌型茎奎堕型2水质快速检测基本原理本课题提出的水质快速检测方法是通过在被测液体表面放置电极阵列并注入低频电流，根据注入的电流、电极上测量电位或电压、场域模型来获得电导率或电阻率的空间分布，图21是进行水质检测时电流注入、电压测量、电极放置示意图。黝、一篇焉图21电流注入、电压测量、电极配置示意图SKETCHOFERARENTF皓21MAPINJECTION,MEASTEMENTANDELECTODESOFPOTENTIALCONFLGTRALIONR。1。_一L注入电流I一一正问题受田图22正，逆问题之间的关系OFH“KFORWARDANDINVERSEFIG22RELATIONSHIPPROBLEM其实，这里所讨论的水质快速检测问题实质上是一低频电流场计算的逆问题INVERSEPROBLEM图22给出了本研究中正问题与逆问题之间的关系，从图22中置、大小以及边界电位的条件下，计算场域内部的电位分布。而逆问题则是在仅知电流注入位置、大小以及边界电位的条件下，计算场域内电导率的分布。7重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理本章借助于电磁场数值计算、有限元方法，重点研究了场域内电导率分布的改交如目标区域增加、位置发生偏移等对场域边界电位的影响及其规律。21数学模型和有限元模型众所周知，电场与磁场间的相互联系可以用麦克斯韦方程表示。在水质快速检测中，可以做如下假设1施加的电流频率足够低00KHZ，以至可以忽略位移电流；2被检测的液体可视为导电体。这样，在被检测液体内形成的电流场可以视为一个准静态场。因此准静态场的麦克斯韦方程可写成【3L电场VEPS,ZO21VXE022磁场VB0231VXBP，风J24这里V是梯度算子，E是电场强度，B是磁通密度，P是电荷密度，、岛分别是相对介电常数和真空介电常数，以、胁分别是相对磁导率和真空磁导率，是电流密度由于电场强度E和电位伊之间具有如下关系EV伊25结合式21和25可得泊松方程V29PZ,EO26如果场域内没有自由电荷存在，即P0，则式26变成拉普拉斯方程V2尹027这个偏微分方程式Q7具有无数解，因此为了使方程具有唯一解，必需在边界上施加一定的边界条件，边界条件可以是1第一类或DIRIEHLVT边界条件指定某一边界上的电位；C2第二类或NCUMANN边界条件指定边界上的电荷密度；3混合边界条件指定边界上的电位和电流密度，该类边界条件是DIRICHLCT和NCUMANN边界条件的混合欧姆定律的微分形式如下JRE28式中口是电导率，如果场域内没有电流源，则；VJ029结合式25、28、29可得8重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理VD审咖0210由上式可得V【盯审纠VOVP盯V2伊0211则泊松方程可写为V29一VCRV尹21OROR教授认为，尽管方程212是非线性的，但它仍优于线性方程26【4】。如果给定电导率的分布，泊松方程的求解就是通常所说的正问题。对于水质快速检测问题，从液体表面注入低频恒定电流100KHZ，如图23所示，在场域内形成的电流场可以认为是一个准静态场，此电场区域内的电位分布函数P与该场域的电导率分布函数OR满足拉普拉斯方程V10X，J，V妒五Y】0毛力Q213其边界条件为烈五力工，力似力AQ214口X，力兰望萼；盟；_，似力O，力AQ215【，Y式中表示场域。的边界，表示己知边界电位，表示流入场域Q的电流密度，V表示场域Q的外法向单位向量正问题是已知电导率OR分布求场域内的电位中场域电导率盯的分布，即逆问题由上面可以看出，正问题实际上就是电磁场边值问题的求解，电磁场边值问题通常是由偏微分方程和基本边界条件、自然边界条件所构成。KIBER教授认为，场域电位P的分布与电导率的分布、场域形状以及电极位置有关S1对于一些简单的场域几何形状及边界条件，方程212、213可以用解析方法精确地求解，但由于实际场域的复杂性，要想得到精确解则非常困难，必需应用数值近似方法求解，求解正问题的常用数值计算方法有有限差分法、有限元法、边界元法等，正问题的求ELEMENT解一般都采用有限元法FINITEMETHOD,FEM，因为有限元法具有以下优点1有限元剖分和离散化过程是同时进行的；2有限元法适用于电导率分布非常不均匀的情况，因为有限元法能够保证不同介质的边界条件自动满足；3有限元法是一种非常成熟的数值计算方法。在有限元方法中，需将连续场域剖分成有限个离散单元之和，如在二维场中，常用三角单元和四边形单元剖分，并假定每个单元上的电导率是常数。对于边值问题213、214、215，其等价变分问题为；9重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理脚一三量一AVQ。DSININ216QL。甲。2。17式中C为给定的电位参考点图24为有限元模型，该模型是由289个节点、512个三角单元构成。在其边界四周上等间距设置有16个考察点电极，如图23中黑点所示。图23电流注入、电极配置示意图图24有限元模型SKETCLLOFCM“NTFEMMODELFIG23MAPINJECTIONFIG24ANDELECTRODES蚵培删22场域电导率分布变化对边界电位的影响当场域内部电导率的分布发生改变时，如目标区域增加、位置发生偏移等，它对场域边界电位的影响如何，边界电位的变化是否有规律可循，边界电位的变化是否能够反映场域内部电导率分布的相关变化。因此我们从三个方面来考察电导率分布的变化对边界电位的影响，从而根据边界电位的变化来寻找电导率分布变化对边界电位影响的规律221场域内某一区域电导率增加场域内某一区域电导率出现增加，电导率增加区域如图25中阴影部分所示，从相对电极注入电流后，计算电导率分布改变后的边界电位。以均匀电导率分布下计算的边界电位作参考电位，考察电导率分布的改变对其边界电位的影响。图26、27分别给出了电导率变化后的边界电位分布及其相对变化曲线图，其中A、B分别表示电导率均匀分布和某区域电导率增加两种情况重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理图25场域内电导率增加INTHEFIELDFI925HIC啪SII培OFELEC啊C伽岫DL圮VILY图26场域边界电位分布FI926DISMBUFIONOFBOUNDA巧P她咖AIS从图26可以看出，场域内某区域电导率增加前后，其边界电位的分布几乎相同，很难看出两者问的差异，因此直接从边界电位的分布无法判断出场域内电导率的改变情况，而必须对边界电位进行适当处理。通过研究发现，将电导率分布改变后计算的边界电位与电导率均匀分布下计算的边界电位Q参考电位相减，再除以参考电位阢，即考察场域边界电位的相对变化值兄E，可以看到电导率的增加对边界电位的影响非常显著，且规律十分明显，结果如图27所示场域边界电位相对变化肋计算公式如下；7，一R，艘三尝10021S“重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理图27场域边界电位相对变化分布DISUIBUFIONOFRELADVEPOTENTIALSFIG27CHANGEOFBOUNDARY用边界电位的相对变化量来研究边界电位的变化，从其变化规律中可以看出场域内电导率的增加对边界哪个位置的电位影响最大，此处电导率增加区域如图25中阴影部分所示。同时因边界电位相减。可以滤掉部分误差如计算误差、实际测量中的干扰，可以提高精度。图Z8场域内区域电导率减小时边界电位相对变化分布DISNIBUTIONOFRELATIVECHANGEWHENTHEINNERELECTRICFIG28OFBOD町声咖DALSDECREASEDCONDUCTIVITY从上面的研究可以看出，与均匀电导率分布下的边界电位比较，当场域内某一区域电导率增加，它对边界电位的影响非常显著由于场域的左侧有一区域的电导率增加，使得左侧电极上的电位明显下降，最大变化量高达近7，而且其下降程重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理度明显高于右侧。由于场域内电导率增加，使得场域边界电位减小，相反，如果场域内电导率减小，则会使场域的边界电位增大当图25中的阴影区域电导率减小时，其边界电位变化如图28所示，其中A是参考电位，B是电导率分布改变后的边界电位相对变化222场域内电导率变化区域扩大前面研究了场域内某一区域电导率增加对边界电位的影响，如果该电导率增加区域的面积继续扩大，场域边界电位的变化又会怎样。图29中A、B、C中阴影部分表示电导率增加区域的面积不断扩大的三个状态。从相对电极注入电流后，分别计算每一种电导率分布状态下的边界电位，同样以均匀电导率分布下的边界电位作参考电位，考察电导率分布的改变对其边界电位的影响。姆CA初始电导率分布B电导率增加区域扩大C电导率增加区域继续扩大图29场域内电导率增加区域扩大时的电导率分布EL睇砸COFELECTRICEXTENDEDAIILITI出DIS打IBUFIONCONDUCTIVITY；,四THE蹦OFCONDUCTIVITYINCREASEDELECTRICNDUCTIV姆ISISCONDU斑VITYL聊M锄CO图210、211分别给出了电导率分布改变后的边界电位分布及其相对变化曲线图，其中A、B、C、D分别表示电导率均匀分布和电导率变化区域的面积不断扩大的三个状态。同样，仅从场域边界电位的分布如图210看不出任何有价值的规律，而图21L所示曲线则很好反映了场域内电导率分布的变化情况。场域内电导率增加区域的面积不同，对边界电位的影响也不一样，边界电位的交化与电导率增加区域的面积成正比，由于场域右侧没有电导率变化，右侧电极上的电位几乎没有发生变化重庆大学硕士学位论文2水质快速检铡基本原理图210场域边界电位分布图21L场域边界电位相对变化分布A电导率增加区域1B电导率增加区域2CO电导宰增加区域3图212场域内不同区域电导率发生改变ELECLRICINCREASEDINDIFFERENTFIG212CONDUCAVITYIXSITIONAREA；CTHIRD吼AFLRAAREA；SECOND14重庆大学硕士学位论文2水质快速检测基本原理223场域内不同区域电导率改变当场域内电导率改变区域位置分别如图212中A、B、C中阴影部分所示时，其边界电位的分布及相对变化分别如图213、214所示。图中A为参考电位，B、C、D分别为图212中的A、B、C相对应的边界电位相对变化。从图214中可以看出，场域内电导率增加区域位置越靠近边界，对相应边界电位的影响越大。反过来，从边界电位的变化情况，也可以初步推断出场域内部电导率的变化情况。图213场域边界电位分布DISMBUTIONFIG213OFBOMDARYPOTENTIALS图214场域边界电位相对变化分布DIS仃IBUFIONOFRELATIVEFIG214CILALL咎OFBO咖POTENTIALS重庆大学硕士学位论文3水质快速检测系统硬件设计3水质快速检测系统硬件设计31系统整体结构数据采集部分是水质快速检测系统的基础，也是整个系统的重要组成部分它的测量精度将直接影响水质快速检测系统的整体性能。下图是一个基于物理模型的16电极水质快速检测系统结构框图如图31I所示。该系统由16电极的模拟试验管道，数字合成正弦波信号源，正弦波恒流源，16通道模拟开关阵列，电位检测电路，有效值转换电路，高速AD采集电路，高速微处理器，以及PC机组成。整个系统在高速微处理器控制下完成恒流激励的输出，电位信号放大，电位数据自动采集和存盘，以及通讯等6,712图31116电极水质快速检测系统硬件框图FJ931ISYSTEM整个水质快速检测系统的硬件部分的各个组成部分功能简述如下1模拟实验管道在实验过程中，为了模拟实际工厂企业中的排污管道，制作了16电极的圆柱体模拟实验管道，通过在相邻电极两端施加正弦激励信号，就会在管道内部形成一个电场，在管道的表面形成电位分布，测量电极上的电位分布，就可以得到管道中待测物质的电导率参数信息，然后切换激励电流的电极位置，继续测量电极上的电位分布，直到正弦激励在被测对象上注入一圈，电极上的电位分布测量一圈完成后，就可以获得管道内待测液体的大量电导率参数信息需要说明的是，在水质快速检测系统中，电极的数量决定了可能的独立测量次数，而独立测量次数越多，获得的有效数据越多。但实际上，不可能在实验管道表面放置过多的电极。另外，电极数量的增加，对场的分布和测量信号也将产生其它影响16重庆大学硕士学位论文3水质快速检测系统硬件设计首先，电极数量的增加，必然导致相邻两个电极之间的距离变小，从而激励电流更多地流经场域边界，造成场域边界的灵敏度进一步提高，而场域中心的灵敏度进一步降低其次，电极数量的增加将导致一次激励时，所获得的各测量电压之间的差别的减小，这就要求数据采集系统具有更高的测量精度，当两个测量电极之间的电压差低于数据采集系统的分辨率时，电极数量的增加也就失去了意义表31是在相同激励条件下，对于不同电极数，其相邻电极最小电压差测量值M表31相同激励条件下，不同电极数量下的相邻电极最小电压差TABLE31NUMBEROFELECTRODESI电极个数8163248L相邻电极最小电压差血Y126606600380008测量电压越小，相对来说信噪比下降，从而对测量电路的精度要求越高。此外，随着电极数量的增加，独立测量的次数也将增加，造成数据采集时间的延长，影响系统的实时性。综合考虑各方面的因素，结合本系统的实际情况，采用了16电极测量方式。2正弦波信号源与正弦波恒流源【L田正弦波恒流源所需的正弦信号采用数字合成技术DDS实现。利用FPGA在时钟40MHZ的作用下，产生100点输出的正弦波数据，经过高速DA转换输出正弦波信号，再通过一低通滤波器滤掉正弦波中高频分量，即可得到标准的正弦波信号。通过微处理器控制100点输出正弦波数据的频率，可得到不同频率的正弦波，实测表明该正弦波频率误差小于O1，波形失真度小于1。正弦波恒流源是将标准正弦波输出信号通过精密电阻匹配，利用电路自身电流负反馈来实现，通过高速单片机控制可实现不同大小的电流输出。数字技术合成的正弦波恒流源恒流精度高，输出信号幅值和频率可程控，输出频率稳定。图312是数字技术合成的正弦波恒流源结构框图。图312正弦波恒流源框图17重庆大学硕士学位论文3水质快速检测系统硬件设计3模拟开关阵列将正弦波恒流信号通过模拟开关阵列，在高速单片机的控制下，可以将恒流源输出信号施加在16电极的任意两个电极上，高速单片机再通过控制另外一个模拟开关阵列可以将16电极的任意两个电极电位选通到电位检测电路。这样就可以实现水质快速检测系统中任意两电极注入电流及数据测量。在模拟开关阵列的设计中，主要是要减少电极之间的相互串扰，更好的保证信号的质量，这是提高测量系统精度的一个重要因素。4电位检测电路与有效值转换电路电位检测电路主要是由可编程集成三运放PGA206构成的仪表放大器来完成，量精度高等优点检测出来的电压信号通过一阶高通滤波及真有效值转换由芯片AD637完成后得到直流信号，再通过低通滤波后即可得到测量电极上的有效值电16脚和PGAL03的1、2管脚上的输入信号，可以使整个信号检测电路的放大增益在L到800之问程控，从而有足够的电压检测范围，提高信号检测精度。图313电位信号检测框图313BLOCKOFMEASTWEMENTCIRCUITFGDIAGRAM5高速AD转换电路与数据传输高速微处理器通过控制高速AD转换器来实现对数据的高速采集，通过光电隔离串口实现将所有的电极电位分布的数据传输到PC机，然后通过PC机对数据进行处理，最终得到检测对象的相对电导率1I重庆大学硕士学位论文3水质快速检测系统硬件设计32正弦波信号源在多通道水质快速检测系统中，对整个系统的测量精度具有较高的要求，所以首先输入激励信号需要有较高的频率稳定性和更小的波形失真率。本节主要介绍正弦波信号源的产生为了获得高精度的多频点正弦波信号源，采用一般的模拟电路方式难以得到，所以采用了数字方式合成正弦波。实测表明数字方式合成正弦波的频率稳定性非常好，波形的失真度非常小，完全可以用于高精度的信号源的波形产生。数字方式合成正弦波信号源的基本工作原理按一定的频率向高速DA转换器送预先计算好的正弦波数据，DA转换器收到数据后转换成对应的模拟正弦波信号，通过改变传送数据的频率即可实现不同频率的正弦波输出。由于传送数据的频率是由晶振保证的，而输出的正弦波数据是事先计算好的，所以通过这种方式可以得到高精度的正弦波信号数字方式合成正弦波信号源的原理框图如下图321所示图321正弦波信号源原理框图BLOCKOFSINEWAVC321DI卿NG四ATOR设计中采用40MHZ的有源晶振作为时钟，经过二分频，四分频，十分频，二十分频电路后可以得到四种频率的时钟输出，通过频率控制线控制多路开关的选通，即可为100进制的计数器选择四种计数频率进行计数，100进制计数器的输出作为正弦波查找表数据的输入，该输出数据经过地址锁存信号锁存到高速DA转换器中，该DA转换器的输出信号就是输出的正弦波信号了，将该正弦波信号进一步进行滤波平滑处理后就得到了所需要的标准正弦波信号了由于输出数据是预先按正弦波规律设19重庆大学硕士学位论文3水质快速检测系统硬件设计计好了的，所以按这个规律送出的数据经过DA转换后就形成了特定的正弦波模拟信号。当通过频率控制线改交了计数器的计数频率时，正弦波数据的输出频率也就改变了，所以最后输出的正弦波频率也就改变了由于正弦波的输出频率最终是由晶振决定的，所以正弦波的频率稳定性是相当好的，同时正弦波的每一点输出幅度是预先计算好的，所以最终输出的正弦波形的失真度也是很小的本设计的数字部分采用了可编程逻辑器件来完成，该器件内部的具体电路如下图322所示1L,12KJ图322正弦波数据产生电路原理图数据的存储输出模块33正弦波恒流源在多通道水质快速检测系统中，正弦波恒流源是一个很重要的组成部分，它设计的优良与否将直接影响该系统的测量精度与速度可见它在整个系统设计中具有非常重要的地位。正弦波恒流源一般来说可以通过两种方式得到，即