气体多参数监测（精选7篇）
气体多参数监测 篇1
摘要：WYS型管道气体多参数监测计量装置, 是用于管道输送气体参数连续监测的固定式仪表装置, 配合相关的关联设备, 可监测参数包括气体流量、浓度、温度和压力。该监测计量装置的仪器监测与人工监测结合, 可提高监控监测的准确性、连续性及可靠性。介绍了监测计量装置的原理及特点, 对装置在使用中出现的故障及处理方法进行了分析, 并提出了一些建议。
关键词：管道气体监测系统,故障处理,MSP430系列单片机,气体多参数监测
白坪煤业公司是郑煤集团的新建矿井, 设计生产能力180万t/a, 于2008年10月投产。主采的二1煤层平均厚5.3 m, 地质储量16 440万t, 可采储量11 416.1万t, 服务年限45 a。该矿为煤与瓦斯突出矿井。矿井安装的安全监测系统为KJ209N型, 实现了与集团公司联网。按照抽采达标要求, 白坪煤业公司建成了井下和地面3套瓦斯抽放系统, 实现了分源抽放。为加强抽放监测, 每套瓦斯抽放系统各装1套WYS型管道气体多参数监测计量装置。
WYS型管道气体多参数监测计量装置, 是用于管道输送气体参数连续监测的固定式仪表装置, 配合相关的关联设备, 可监测参数包括气体流量、浓度、温度和压力。该装置能就地显示流量、浓度、压力和温度各参数值, 还可显示年、月、日、时的累计量, 并输出标准信号与多种监测系统联网配套。通过相应的参数设置, 可输出断电控制信号给断电器, 达到断电控制的功能。监测主机既可单独使用于地面、井下气体输送管道, 也可方便地与各种矿井安全生产监控系统配套使用。它既可用于煤矿瓦斯抽放管道混合气体参数的监测, 也适用于天然气、空气等管道气体参数监测。
1 瓦斯抽放监测系统组成及工作原理
整套系统由WYS管道气体多参数监测计量装置和PLC数据采集系统组成。PLC数据采集系统采集管道内各传感器 (包括瓦斯浓度传感器、负压传感器、温度传感器、涡街流量传感器) 检测到的实时数据, 并对其进行计算处理。通过中心站监测系统软件进行统计, 完成数据监测, 并对各种瞬时流量、标况流量进行实时计量显示。
监测主机的中央处理器为MSP430系列16位单片机, 外围电路包括:显示、红外遥控等人机接口电路, 前置放大、通道切换、线性隔离放大器等信号处理电路、控制输出、频率信号和电流信号输出等接口电路和数据存储电路。
2 主要技术参数
①工作电源:9～18 VDC (本安电源) ;②工作电流: ≤400 mA;③模拟量输入信号制式;④温度:0～40 ℃;⑤相对湿度: ≤95% (25 ℃) ;⑥大气压力:80～106 kPa;⑦信号输出:200～1 000 Hz, 频率信号:200～1 000 Hz;⑧转换误差:±1%;⑨最大传输距离:到传感器的最大传输距离为1.2 km, 到断电器的最大距离为1.2 km, 到分站的最大传输距离为1.2 km。
在安装时, 要保证进气侧有25倍抽放管直径长度的直管段, 回气侧有10倍抽放管直径长度的直管段, 远离振动源、强磁场 (图1) 。
3 主要特点
(1) 具有独立的8路传感器信号输入, 每路通道有独立的过流过压保护功能。该部分电路最大的特点是每一通道均能兼容频率量、电流量、电压量和开关量信号制式, 可由用户自行定义。而且由于信号隔离采用线性隔离放大器方式, 采样速率和精度比现有的压频转换后光电隔离方式有较大提高。
(2) 具有6路断电控制输出;能与分站通信, 传送采集数据。能巡回显示各路传感器的值, 显示控制输出状态。
(3) 显示电路为LED数码管和LED发光管混合显示方式, 采用专用显示驱动芯片, 能减轻CPU的工作负担, 保证系统工作的稳定性和可靠性。红外遥控接收电路选用专用遥控芯片, 其接口简洁, 可靠性高, 按键组合灵活。
(4) 采用美国德州半导体公司的MSP430系列单片机, 具有超低功耗及高精度的A/D转换特性。
4 常见故障判断及处理
(1) 地面中心站无监测数据。
解决方法:观察WYS面板上的4个信号输出指示灯是否亮。①如果不亮, 检查WYS信号输出线与分站的连线是否正确且连接牢靠;显示板上的发光管是否损坏或脱焊;相应的排线是否断线及其插接是否可靠;主板的信号输出电路是否有问题;分站的模拟口是否损坏。②4个信号输出指示灯如果亮, 则需要确定分站通信是否正常;分站地址号是否正确;地面中心站设置是否正确;WYS显示值是否偏负;WYS的输出频率是否正确 (输出频率 = 200+显示值× (1 000-200) ÷量程) 。
(2) 数据与WYS显示不一致。
解决方法:检查WYS信号输出频率是否正确。①检查信号输出线与分站模口是否对应;②检查分站是否有问题, 地面中心站的定义是否正确。
(3) 检测数据不准确 (不稳定) 。
①负压。确定零点准确后, 用自带的负压表或就近的瓦斯泵上的真空表、现场的U型压差计作比较并调整。②浓度。在空气中将零点调准 (根据现场浓度的实际情况, 建议将零点调在0.1～0.6间) , 再就近从管道中采出气样作比较并调整。若不可调, 则检查下列事项:高浓传感器的阻值是否正常;传感器与主机之间、主机与电路板之间的插接件有无氧化, 插接是否可靠;高浓传感器与滤水器之间、滤水器与管道之间是否漏气;滤水器的进出口是否被堵。③温度。温度传感器是根据PN结的结电压随温度的变化而变化这一特性制造的, 维修相对简单。出故障时, 只需检查传感器的5 V供电和连线的插接件, 并对传感器的好坏作出判断:航插的①→②脚之间、③→①脚之间、③→②脚间都是PN结。
(4) 电源无输出。
所有本质安全型电源均无输出时, 检查交流是否正常, 保险管是否完好, 接插头是否松动。
(5) 无模拟量输出。
当其中某一路模拟量信号出现无输出现象时, 应更换该路电源板。
(6) 无法断电。
当无法实现断电时, 要先分清是开关故障还是设备故障。断电命令发出后, 继电器动作, 即为开关故障;继电器不动作, 则为设备自身故障。
(7) WYS出现死机。
WYS死机可能由以下原因造成:①外界的强电磁干扰。②电源的带载能力差或电源质量不好 (纹波系数大) 。③WYS自身的问题。因为出现死机现象的不定期性, 以及煤矿特殊的运行环境等原因, 死机时, 不能使用更多的仪器去检查判断。所以, 维修时应先排除外界的干扰, 随后再用替换法 (更换本安供电电源或WYS主板或WYS显示板) 处理故障。
5 结语
在WYS型管道气体多参数监测计量装置的现场安装、维修、标校中, 仅掌握电子线路的基本知识还远远不够, 因其所涉及的知识面较广, 所需使用的相关仪器较多, 所以, 要在掌握各种相关知识的前提下, 将知识灵活运用。
WYS管道气体多参数监测计量装置的仪器监测和人工监测的结合使用, 确保了监测的准确性、连续性。现场监测与平地监控室地面中心站同时监控, 增加了监控的可靠性。地面中心站通过对负压、流量的监控分析, 可以对抽放管路、抽放泵的运行状况作出判断, 及时采取措施, 确保抽放泵的运行安全, 提高实效性。
矿用多参数气体流量传感器设计 篇2
关键词：瓦斯抽放,气体流量传感器,多参数,流量,温度,压力
0 引言
在煤矿瓦斯抽放监测系统中, 经常需要同时监测同一个管道位置的多个运行参数[1], 然而, 目前煤矿井下瓦斯抽放监测系统中一种传感器一般只能测量一个参数, 连接一根电缆到传输分站上, 在瓦斯管道上取一安装孔。这样现场监测多个参数就要铺设很多电缆, 取很多安装孔, 导致安装和维护很不方便。市场上现有的V锥、涡街等流量计需要根据管道管径、管道内气体流速、测量量程比等参数进行定制[2], 存在需要增加前期调研投入、发货周期长等问题。鉴此, 笔者设计了一种矿用多参数气体流量传感器, 该传感器可同时测量瓦斯管道内温度和压力, 并可测量管径为80~1 000 mm的管道内流速为0.3~30m/s的气体流量。
1 多参数气体流量传感器硬件设计
多参数气体流量传感器以ARM Cortex-M0LPC1227为核心, 由流量温度测量电路、压力测量电路、LCD显示电路、红外遥控电路以及RS485通信电路、频率输出电路等组成, 如图1所示。
1.1 流量温度信号处理
流量温度探头流速检测范围为0.3~30 m/s, 温度范围为0~100 ℃, 功耗约为10V/50mA。该流量温度探头由测温探头、测速探头和固定基座组成, 其中一只特制pt200和一只pt1000固定在测速探头里, 一只pt1000固定在测温探头里, 如图2所示。将流量温度探头通电后插入瓦斯抽放管道内, pt200加热升高到一定温度。 随着瓦斯流量的变化, 测速探头输出与pt200温度对应的阻值, 测温探头输出与环境温度对应的阻值。将测速探头和测温探头输出的2个阻值分别转换为电压信号, 直接接入AD7705的2个AD转换通道, 然后将转换结果通过SPI总线送入LPC1227。
1.2 压力信号处理
压力测量器件由国外的MEMS器件封装而成, 具有1.0mA直流输入, 0~50mV电压信号输出, 压力测量范围为0~200kPa。分别以TL431三段稳流可调基准源和MCP6002运算放大器为核心器件, 设计直流输出和信号放大电路, 最后信号输入MCU进行AD转换。直流输出电路如图3所示, 其中VS5 和EXC_P-分别接压力传感器的电源正负端。
1.3 抗干扰处理
多参数气体流量传感器主要安装于煤矿井下瓦斯抽放管路上, 周围可能会有动力电缆的感应干扰、电动机及电气设备辐射干扰、电力变频器的干扰、井下接地网干扰、漏泄通信系统干扰等[3]。因此, 进行如下抗干扰处理:① 使用DC/DC模块隔离传感器电源;② 流量和温度信号经过片外AD转换后, 输出SPI信号, 经过磁耦隔离进入LPC1227 MCU芯片;③ 流量温度信号处理部分、压力测量信号处理部分在供电和PCB布板上都充分隔离;④ RS485信号和200~1 000 Hz频率输出信号均通过磁耦隔离。
2 多参数气体流量传感器软件设计
多参数气体流量传感器的软件采用C语言及模块化设计, 主要实现基于SPI通信的流量和温度信号采集, 流量、压力和温度信号运算处理, 基于I2C通信的LCD段码液晶显示, 遥控器参数设置, 基于Modbus-RTU协议的RS485 通信, 200~1 000Hz频率输出等功能。
为提高传感器测量精度, 在流量温度处理部分采取以下措施:① 在数据采集部分采用平均值滤波法, 连续采集10组数据, 去掉最小值和最大值, 再计算其余8个数的平均值, 以消除偶然脉冲引起的采样偏差;② 硬件电路采用实时温度补偿设计[4], 用实时采集到的流量数据补偿环境温度数据, 消除了管道内气体温度突变引起的测量误差;③ 引入瓦斯和空气组分补偿算法, 在仪表设置中可以打开该功能项进行现场标校, 从而减小管道内不同组分气体引起的测量误差[5,6]。
为提高传感器实用性, 在软件上采取以下措施:① 考虑到多参数气体流量传感器安装于瓦斯管道上, 而该类管道一般都悬挂高处安装, 因此, 采用红外遥控按键方式设置参数;② 根据现场不同分站通信格式的要求, 设计了基于标准Modbus-RTU协议的RS485和200~1 000 Hz频率输出2 种通信方式;③ 根据现场瓦斯管径的不同, 可以设置流量最大限输出, 避免了以前不同传感器需要定制的弊端。
多参数气体流量传感器软件流程如图4所示。
3 多参数气体流量传感器测试及分析
传感器测试标定选用的设备是经过计量合格的DHS-500×500/700×700-1 型环形低速风洞, 该风洞提供的风速精确, 稳定性好。传感器经风洞标定后, 将算法写入程序内部, 传感器显示流速值和风洞提供的流速值误差在±2% (FS) 以内, 满足煤矿实际精度要求。图5为传感器样机标定后的曲线拟合图。从3次不同时间的标定曲线可见, 随着风速值S的增大, 传感器采样值变化基本一致, 该结果验证了所设计的多参数气体流量传感器的可行性。
4 结语
矿用多参数气体流量传感器可以同时测量管道内气体流量、温度和压力, 集成度高, 造价低, 且减少了现场通信电缆铺设数量, 降低了工程安装难度, 减少了日常维护工作量;MCU采用包含丰富的外设资源的LPC1227, 节约了很多昂贵的外围器件 (如AD转换芯片) , 并且功耗低;该传感器完全满足Ia等级对插入瓦斯管道内传感器电流小于100mA的要求。目前该传感器已经完成工业性试验, 试验结果表明, 该传感器在瓦斯管道环境中运行稳定, 量程比大, 精度高。
参考文献
[1]杨帆.基于MSP430F149的矿用多参数传感器的设计[J].工矿自动化, 2010, 36 (7) :15-18.
[2]李成伟, 李朝辉, 戴景民, 等.管道煤气热式质量流量计研制及标定技术研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2002, 34 (3) :333-336.
[3]邹哲强, 庄捷, 屈世甲.煤矿井下中低频段电磁干扰测量与分析[J].工矿自动化, 2013, 39 (5) :1-5.
[4]路立平, 冯建勤, 鹿晓力.温度传感器的热时间常数及其测试方法[J].仪表技术与传感器, 2005 (7) :17-18.
[5]杜水友, 章皓, 郑永军, 等.最小二乘法拟合压力传感器二次曲线及精度分析[J].中国计量学院学报, 2005, 16 (3) :185-187.
多参数桥梁振动监测系统设计 篇3
1 系统设计
如图1所示为多参数桥梁预警系统的设计框图。被监测的桥梁上挂接着多种不同类型的监测传感器节点,主要有温湿度检测节点、风速风向检测节点和XY双轴振动监测节点。不同类型的监测节点,采用统一地址编码的方式,将采样到的传感器信息通过高速CAN总线[2]发送到本地计算机上。系统采用了ATOM凌动处理器的便携式低功耗移动平台计算机,其体积小巧,功耗低,在关闭液晶显示器时,最低功耗不到1 W,而总体积比一个公文包小,且采用直流电压供电,因此本系统将该计算机平台放置在监测本地,与桥梁的距离通常在300 m以内,在此距离内CAN总线的最高数据传输速率可达125 kb/s,可连接足够数量的监测节点。本地计算机将每分钟采集到的所有传感器节点的参数信息压缩打包后通过GPRS模块发送到远程服务器端,并在服务器端完成数据解释、存盘等工作。由于本地监测系统是一个独立系统,因此采用了大容量的铅酸蓄电池作为供电能源,当天气良好时,太阳能电池板工作,并经由太阳能调压充电器对铅酸蓄电池充电,保证系统长时间的工作。
2 XY双轴振动监测节点设计
2.1 传感器选择与前端调理电路设计
振动传感器[3]是用于检测冲击力或者加速度的传感器,通常使用的是加上应力就会产生电荷的压电器件。目前应用于桥梁振动监测的加速度传感器大多采用动圈式机械传感器,通过磁铁切割磁力线得到感生电动势从而反映加速度的变化,其体积较大,高频特性不好,频带内的增益平坦度差,因此本系统采用了ADI公司的双轴加速度计。ADXL203[4]典型测量范围在±1.7 g,该加速计既可测量静态的也可测量动态的加速度,可承受3 500 g极限加速度。其下拉电流小于700μA,灵敏度达到1 000 m V/g。该加速计在-40℃~125℃温度范围内,具有±0.3%的温度灵敏性;±25 mg的零点偏移精度;在小于60 Hz的带宽下具有解决小于1 mg的解决方案(0.06°倾斜)以及优于0.1 mg/℃的稳定性。加速计ADXL203的内部电阻RFILT的标称值为32 kΩ,而其实际阻值可在14 kΩ~40 kΩ间选择,通过选择合适的XO、YO引脚的输出电容值,可降低传感器输出噪声,本文所设计的传感器信号频率上限为100 Hz,因此选择0.01μF的电容,该电容与ADXL203的内部电阻RFILT构成低通滤波器。由于ADXL203XL在加速度为0 g时,输出电压为2.5 V,实际的传感器是竖直安装,因此Y轴方向上就存在一个固有的1 g的加速度,则YO引脚输出电压为3.5 V。由于本系统只关心桥梁的振动情况,即加速度的变化情况,故设计了如图2所示的交流放大偏置电路。ADXL203输出的加速度信号,经过输出电容滤波后,再由电容C7与C21耦合后得到交流加速度信号,该信号经过精密双运放OPA2277UA组成的加法放大电路得到直流偏移电压为2.5 V的共模信号。经过上述电路就消除了传感器安装时导致的X、Y两轴的信号直流电压差异,得到两路共模电压为2.5V的信号,并送入后级ADC电路。图2中的VREF为来自高稳定度精密基准源REF192GS的基准信号,其典型温度系数为3 ppm/℃。
2.2 双24位ADC同步采样设计
为了保证X、Y双轴信号的严格同步采样,以及采样周期的准确性,采用模拟开关切换的方式显然不可行。本文采用了两片高精度24位分辨率的模数转换器AD7714,使用其同步功能,同时采样X轴与Y轴的加速度信号。AD7714[5]是美国ADI公司推出的一种高分辨率24位模数转换器件。由于AD7714采用了Σ-△转换技术,使其拥有小于150 n Vrms的低噪声,适用于宽动态范围、低频信号的模拟前端测量。器件可以被配置为3个完整的差分输入或者5个准差分输入,采用3 V或5 V供电可以很容易地实现多达5个通道的信号调理和转换,其最高数据输出速率为1 k Hz。
AD7714是一个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端。它的3线串行接口与SPI、QSPI、MICROWEIR兼容。通过软件可对增益设定、信号极性和通道选择作出配置。AD7714的主要特点如下:
(1)最高可实现24 bit无误码输出,同时保证0.001 5%的非线性度;
(2)具有前端增益可编程放大器,增益值为1~128,内含可编程低通滤波器和可读写系统校准系数;
(3)有5通道输入,可根据需要采用3路差分输入或5路准差分输入;
(4)低噪声(<150 n V rms);
(5)低功耗,典型电流值为226μA(省电模式仅为4μA);
(6)采用单5 V供电(AD7714-5)或单3 V供电(AD7714-3)方式。
在图3中,U2、U4的同步信号引脚相连,U2的MCKOUT引脚连接到U4的MCKIN。当两片AD7714上电并被成功初始化后,控制器施加给两片AD7714共同的同步信号;当两片AD7714接收到同步信号后,将复位片内的数字滤波器、寄存器、模拟调制器等处于复位状态;一旦同步信号结束则立即开始正常工作。由于两片AD7714共用一个晶体振荡器信号,因此两片AD7714的片内工作时序是完全相同的,也就保证了数据准备就绪中断引脚DRDY的状态是完全一致的,两片AD7714严格同步。
2.3 CAN通信接口设计
本文采用STM32系列的Cortex-M3内核控制器,其片内自带了满足CAN2.0A与CAN2.0B协议的硬件通信接口,并使用CTM8251AT隔离型CAN收发模块完成了CAN总线的高速数据通信功能。以下为CAN波特率的计算:
由于CAN是挂接在APB1总线上,因此采用时钟PCLK1,当PCLK1=72 MHz时,波特率为=72/9/16=0.5 MHz,CAN_Prescaler的预分频值为1~1024。
在进行CAN组网布线时,需要注意的是,在中远距离应采用120Ω特征阻抗双绞线,通信距离大于600 m以上,选用线径大于0.75 mm2的电缆,超远距离线径应大于1.5 mm2。而且CAN总线的通信速率是随着通信距离的增大而降低的,通常在1 km时,最高波特率为35 kb/s,2 km时为18 kb/s,当距离大于5 km则必须增加CAN中继器,否则无法正常通信。
3 实测数据
如图4为桥梁振动系统实测得到的纵向垂直振动加速度信号。本系统中还采用了DHT22型号的温湿度检测模块与PH100SX型风速风向传感器,这两类传感器和输出都是数字信号,接口设计简单,限于篇幅不再赘述。本系统的实际指标如下:
在线调节传感器采样率范围为1~100 Hz;
在线调节传感器放大倍数为1,2,4,8,16,32,64,128;
加速度测量范围为0~±1.7g,最大灵敏度为1 mg;
加速度数据非线性度小于0.5%;
严格同步双轴振动数据测量;
单路CAN最大节点数为60,CAN组网可达600个节点以上。
本文所研制的多参数桥梁振动监测系统能够实现长时间无人值守的实时双轴振动信号采集、温湿度采集以及风速风向测量等功能。监控中心通过GPRS网络获取各监控桥梁的状态信息,并自动根据桥梁状态信号实时报警。该系统还可以应用于大型建筑体,拦河大坝等大型结构体的远程健康状态监控。
摘要：针对远程桥梁振动监测的要求,采用交流偏置电路与双路AD7714模数转换器实现ADXL203的双轴高精度同步振动加速度测量,并实现了温湿度与风速风向测量。使用低功耗便携式计算平台构建CAN总线监测网络,通过GPRS网络将桥梁状态信息发送到监控中心,实现远程多桥梁多参数监测系统。
关键词：桥梁监测,振动加速度测量,CAN总线,同步ADC采样
参考文献
[1]高占凤,杜彦良,苏木标.桥梁振动状态远程监控系统研究[J].北京交通大学学报,2007,31(4):45-48.
[2]杜辉.基于CAN总线的矿井通风监测系统[J].计算机工程与设计,2009(15):3565-3567.
[3]杨海艳,孟彦京,李伟冰,等.振动传感器特性及其在风力发电机中的应用[J].传感器世界,2009(2):27-31.
[4]鹿麟,林凌,李刚.ADXL203型双轴加速计在倾斜度测量中的应用[J].国外电子元器件,2007(7):61-64.
气体多参数监测 篇4
关键词：XLPE电缆,在线监测,非线性最小二乘拟合,Levenberg-Marquardt算法
0 引言
交联聚乙烯(XLPE)电缆由于绝缘电阻高,耐压、耐热性能好,介电常数和介质损耗小[1],工艺简单,安装方便等优点而被广泛应用。XLPE电缆在线监测的对象主要包括电缆的绝缘电阻、介质损耗、局部放电、直流成分、接地电流等[2]。监测装置的稳定性和精度是制约其在电力系统中实用化的主要因素之一。对于高电压等级的电缆,在较恶劣的电磁环境中,有些监测方法对微小参量的测量就变得更加困难[3]。此外,在周期信号的交流采样中,同步技术也是影响采样质量的主要因素。许多算法都是建立在同步采样的基础上。但在实际工程中,由于电网谐波及频率波动等干扰因素的影响,难以实现同步采样。例如,用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)计算各次谐波含量时,同步误差会产生截断效应,造成频谱泄漏,使数据分析的准确性和监测的精确度受到影响。为了减小非同步采样所带来的误差,国内外对这方面的研究较多,提出了准同步算法[4]、补偿算法和特殊窗法等[5,6]。
现对XLPE电缆绝缘在交流电压作用下的参数模型进行分析,提出根据XLPE电缆交流绝缘参数[7]及其变化趋势来判断绝缘的劣化程度。并设计了电缆绝缘在线监测装置。在数据处理方面,为提高被监测参数的精度及系统的抗干扰性,采用基于LM(Levenberg-Marquardt)算法的非线性最小二乘拟合法,从电压、电流采样信号中提取基波分量的参数,计算出电缆的绝缘工作电阻、等值电容及介质损耗因数tanδ。通过监测这3个参数及其变化量,从多参数角度考核电缆的绝缘状况,达到提高电缆运行可靠性的目的。另外,还对影响测量精度的相关因素进行了分析。
1 XLPE电缆的绝缘参数
电压等级超过35 k V的XLPE电缆一般为单芯电缆,其结构如图1所示。
单芯电缆可以看作是一个圆柱形电容器。导电线芯和接地的金属屏蔽层(或金属护套)构成了电容器的2个电极,内外屏蔽层及电缆的主绝缘构成了等效电容器的绝缘介质[8]。
在交流电压的作用下,电介质会发生极化现象。图2为电缆绝缘在交流电压作用下的等效电路及相量图。其中,总电流I!主要包括瞬时位移极化所引起的电流I∞、松弛极化电流I′及漏导电流IR。I′的分量Irr与I∞构成了总电流I!的无功分量Ir,I′的分量Ira与IR构成了总电流I!的有功分量Ia。当电缆绝缘中发生局部放电时,有功分量中还应包含这部分游离放电所产生的损耗。因此,可用一个电容与电阻的并联形式表示电缆在交流电压作用下的等效电路。如图3所示,R为电缆的工作绝缘电阻,C为电缆的等值电容,δ为介质损耗角。
XLPE绝缘电缆因其材料非极性的特点,在绝缘未出现老化的情况下,松弛极化电流非常小,此时绝缘层与屏蔽层之间的夹层极化占优,I′主要是由分界面上的吸收电荷所造成。当电缆发生老化、受潮或在绝缘中存在水树等情况时,会使绝缘内部的极性基团及空间电荷的数量增多[9,10],松弛极化增强,绝缘的相对介电常数(极化率)增大,表现为电缆的等值电容增大;同时,松弛极化的增强,也会导致有功电流增大,表现为电缆的工作绝缘电阻降低。因此,电缆的工作绝缘电阻、等值电容蕴含着电缆绝缘劣化的信息。而介质损耗因数tanδ是反映电缆绝缘内功率损耗大小的参数,它表征了电缆绝缘单位体积的介质损耗,而与绝缘的体积无关。当绝缘发生老化时,tanδ也会相应增大。因此,可用上述3个参数及其变化趋势作为电缆绝缘状况的监测指标。
1.1 工作绝缘电阻的计算
电缆绝缘在交流电压下的电阻为电缆的工作绝缘电阻[11],其大小反映了电缆绝缘有功损耗的状态。
设电缆上所加的电压为
流过电缆绝缘的泄漏电流为
则电缆的工作绝缘电阻为
式中U、φu分别为施加电压的有效值和初相角;I、φi分别为泄漏电流的有效值和初相角;ω为系统的角频率。
由上述分析可知,在工作电压作用下,介质损耗是各种形式损耗的综合,包括电导损耗、游离损耗以及极化损耗。介质损耗特别是介质损耗的变化表征了介质的状态。相比较而言,若在直流下测量电缆的绝缘电阻,则不存在极化损耗,所测得的绝缘电阻值也要高于电缆的工作绝缘电阻。所以在运行电压下,监测电缆的交流电阻及其变化量更能有效地发现电缆绝缘的劣化信息。
1.2 等值电容的计算
等值电容是电缆绝缘的另外一个重要参数,也可用来检查绝缘质量的变化。
由此可得电缆的等值电容:
由式(3)和式(5)可知,电缆的工作电阻以及等值电容取决于电压和电流有效值的比值,所以在电缆绝缘未发生变化的条件下,它可以消除由于电网电压幅值波动而带来的影响。
1.3 tanδ的计算
在并联等效电路中,介质损耗因数可表示为
通过对它的测量,能够反映电缆绝缘的整体缺陷。如果绝缘内的缺陷是集中性的,tanδ有时反映就不够灵敏。另外,当电缆整体老化或受潮时,表现为电缆的C增大,R减小[12,13],由式(6)可知,监测tanδ也并不能灵敏反映电缆绝缘状态的变化。所以除了监测tanδ这项参数外,分别监测电缆的工作绝缘电阻R及等值电容C,更能有效地发现电缆绝缘的变化趋势。通过对这3项参数的监测,以增强电缆绝缘状态评定的准确性和电缆运行的可靠性。
2 测量装置的基本原理
以被监测电缆的一相为例,测量原理图如图4所示。电压传感器P从变电站中的电压互感器TV获得电缆的运行电压信号。穿心式电流互感器TA从电缆屏蔽的接地线上获取泄漏电流信号,无需改变系统的接线。信号经过滤波放大后,采集卡对这2路信号进行同步采样。
由于系统电压谐波分量的存在,根据泰勒展开将采样得到的2路信号表示为
从采样信号中提取出电压、电流信号的基波参数,按式(3)(5)(6)即可求得电缆的各被监测量。
3 采样信号处理
为提取信号中的老化信息,消除微弱分量的干扰,把采样信号中的基波分量作为分析的主体。采用基于LM算法的非线性最小二乘拟合算法提取采样信号中的基波参数,并计算出电缆绝缘的被监测量。
3.1 非线性最小二乘拟合
根据采样信号的特点,建立拟合函数如式(9)所示:
式中a0为直流分量;An、φn分别为n次谐波分量的
幅值和初相角;f0为信号的基波频率。
由此构成了待求向量x:
对采样后得到N个数据对(tm,ym)进行最小二乘的拟合,即令采样信号与拟合函数残差的平方和最小。
令
则式(11)可表示为
由于将系统的基波频率f0作为变量,所以ri(x)是关于x的非线性方程,即转化为非线性最小二乘的最优化问题。本文采用LM算法对此进行求解,通过优化拟合函数的参量x,使S(x)达到最小。
对采样信号进行最小二乘拟合,并将电网频率作为未知量[14],其优点是可以利用拟合得到的基波分量的幅值、初相角以及采样时的电网频率来计算电缆的绝缘参数。从原理上减小频率波动、直流分量以及谐波含量对测量的影响。
3.2 LM算法
LM算法是一种求解非线性实数多元函数局部最小值的迭代算法,可以看作为是最速下降法和GN(Gauss-Newton)法的结合[15]。通过引入一个有效的阻尼因数,使其能够在较大的初值范围内收敛。其迭代格式为
dk为搜索方向:
式中J(xk)为r(xk)在xk处的Jacobi矩阵;I是单位
矩阵;μk(μk>0)为阻尼系数。
μk在每次迭代过程中会根据S(x)的变化情况自动调整。若S(x)的值减小不大,则增大μk,使其向最速下降方向移动。若通过迭代使S(x)接近局部最小值时,则减小μk,使算法接近于GN法,表现为快速收敛的特性。当迭代次数或目标函数的精度达到预设值时,迭代结束。最新的向量参数x则作为最优化的结果。
选取较好的迭代初值,会确保LM算法具有快速的收敛速度和全局收敛性。文献[16]也有一些关于其迭代初值选取方法的讨论。本文根据采样信号的特点,将FFT得到的谐波分析结果作为LM算法的迭代初值,该初值与x的真实值较为接近,将其作为迭代初值可以进一步提高LM算法的收敛速度。
3.3 仿真计算
在仿真中,以110 k V XLPE电缆为例,将电缆的集中参数电路等效为一个电阻和一个电容并联,如图3所示。令R=15 MΩ,C=0.2μF,电缆上施加的基波电压幅值为89.815 k V。若频率为49.7 Hz时,由式(6)可得,tanδ的理论计算值为0.0010674。
根据高压电网各次谐波的含有率,建立被拟合数据的原始模型如式(16)所示。由于信号在拟合之前要经过低通滤波及带通滤波的信号处理,所以在模型中,只考虑最高含有3次谐波的情况。
由式(17)可求得泄漏电流的仿真信号:
由于数据采集卡的输入范围为±5 V,所以需要把u、i信号调整到±5 V范围之内,然后再进行采样、量化、拟合等步骤,最终求出电缆的被监测参数。
当基波频率为49.7 Hz,采样频率为12.8 k Hz,采样位数为14位,采样点为1024个点时,拟合的仿真结果如表1所示(表中数据仅保留到小数点后6位)。电压、电流迭代次数分别为2和3。
根据拟合结果,得到的电缆的工作绝缘电阻R、等值电容C及tanδ分别为
从计算结果可知,该算法收敛速度快,且具有较高的精度,可以满足在线监测实时性的要求。
4 相关影响因素的分析
为检验使用该算法时各影响因素对被监测参数的影响,进行了3种仿真分析。
4.1 频率波动对测量精度的影响
将式(16)所示的电压作为电缆的工作电压,当电压的频率在49.5~50.5 Hz范围变化时,对被监测参数影响的仿真结果如图5所示。记R、C及tanδ的相对误差分别为eR、eC、etan,其范围分别在±0.1%、±(6×10)-5%、±0.1%之内。
4.2 直流成分含量对测量精度的影响
由于测量系统中的硬件部分会存在一定的零点漂移,所以在采样信号中可能含有直流分量。图6显示了直流含量λDC的大小与被监测参数误差的关系。R、C及tanδ的相对误差eR、eC、etan分别在±0.3%、±(3×10-4)%、±0.3%之内。
4.3 3次谐波含量对测量精度的影响
采样信号虽然经过信号调理电路中的低通滤波以及数字带通滤波处理,谐波仍不能完全消除,信号中还会有谐波分量的存在。以3次谐波为例,其含量与被监测参数测量误差的关系如图7所示。当谐波含量在20%以内时,R、C及tanδ的相对误差eR、eC、etan分别在±0.5%、±(5×10-4)%、±0.5%之内。
从以上3种仿真结果可以看出,使用该算法能够很好地抑制频率波动、直流成分以及谐波含量变化时所带来的影响,电缆绝缘的被监测参数具有较高的精度。
5 结语
XLPE电缆的工作绝缘电阻、等值电容以及介质损耗因数是评定电缆绝缘状况的重要参数,它们从不同的层面反映了电缆绝缘劣化的信息。
当电缆绝缘发生劣化时,电缆的工作绝缘电阻降低,等值电容及介质损耗因数增大。通过监测这3个参数及其变化趋势,从多参数角度评定电缆绝缘的状态,从而提高监测结果的可靠性。
网络化多参数体征监测仪的设计 篇5
目前, 国内绝大部分的心电监测系统仍采用有线式数据传输, 设备成本高、布线困难、便携性差。
本文设计一种基于Zigbee短距离传输协议的网络化心电监测仪[2,3,4]。系统集成了十二导联心电信号采集模块、血氧饱和度采集模块以及无创血压采集模块等。各个心电监测模块通过无线传感网络进行连接, 实现了医疗设备的即插即用, 缩短了心电监测时间间隔, 提高了监测的时间密度, 加强了无人值守医疗监护系统对心血管重症病人的监测能力。
1 系统方案设计
网络化多参数体征监测仪分为3个模块:基于Zig Bee的体征监测传感节点模块、基于ARM处理器的GPRS通信模块 (支持人机交互界面) 、远程主机及数据库。基本模块结构图, 见图1。
系统通过十二导联、血氧传感器、袖套式血压传感器等对心电 (ECG) 、血氧饱和度 (SPO2) 、无创血压 (NBP) 、呼吸及体温 (TEMP) 等体征参数进行动态监测。传感器输出信号经过放大、模数转换后, 由JN5121模块根据Zigbee协议进行数据组包, 实现与主节点之间的通信。ARM处理器STM32F103VB在接收到数据后对采集到的各个体征信号进行分析处理。
为实现多参数体征监测数据的远程通信和上位机统一管理, 系统还集成了GPRS远程数据通信模块。该通信模块将组包后的体征监测数据上传到远程主机的中央数据库中, 配合相应的业务软件 (中央数据库) 完成人体心电信息的监测任务, 并实现多参数体征监测数据的统一管理、病情追踪与在线查询。
2 硬件电路设计
2.1 心电信号传感电路
EASI十二导联系统是临床医学心电诊断过程中最常用的心电导联系统[5,6]。EASI心电图可通过5个心电电极产生3路双极导联信号, 并通过关联公式 (1) 推导出近似标准的十二导联的心电数据。
其中, A-I、E-S、A-S为3路双极导联数据, 分别反映心电向量在冠状面、矢状面和额状面的心电变化;a、b、c为经验关联系数。
由于心电信号的幅值仅为0.5~4 m V, 必须采用仪表放大器进行放大。为简便起见, 电路中采用两个运放构成仪表放大器。外接电阻非完全对称时可调整零输入时Vp的输出, 而放大器仍具有较大的输入阻抗及共模抑制比, 200倍左右的放大倍数使心电信号放大后接近处理器内置的AD转换器的满量程, 电路见图2。
2.2 血氧饱和度传感电路
通过氧合血红蛋白和还原血红蛋白对不同波长的光吸收程度不同的原理对SPO2进行测量, 见图3。血氧探头RST002DA使用两种特定波长的光透过手指, 用光敏电池接收透射光而产生电信号, 通过式 (2) 计算两种光强的交直流分量之比得出SPO2。
其中, a、b为常数, AC660和AC925分别为透射光中的交流成分;DC660和DC925分别为透射光中的直流成分。
2.3 无创血压传感电路
振动式无创血压测量采用充气袖套阻断上臂动脉血流, 通过检测弹性动脉而引起袖套内压力波动的幅度来识别动脉收缩压、舒张压和平均压。其中, 在放气过程中, 振幅由小到大, 上升变化率最大时刻对应的压力指数为收缩压;振幅由大变小, 下降变化率最大时候所对应的压力指数为舒张压。
压力传感器MPX5050GP在检测到压力信号后, 分别通过高通滤波器和低通滤波器, 对滤波后的血压信号进行放大和AD转换, 得到数字化的血压数据。无创血压检测模块结构图, 见图4。
2.4 呼吸传感和体温检测电路
ARM处理器STM32F103VB控制频率合成芯片AD9833得到62.5 k Hz的周期信号, 经过V/I转换后得到该频率信号的激励脉冲, 并叠加在胸腔上得到62.5 k Hz脉冲调制的呼吸信号, 经放大、解调和滤波后就可以得到人体呼吸信号。
体温监测技术相对比较成熟, 采用热敏电阻PT100作为温度传感器, 通过惠斯通平衡电桥对体温进行测定。
2.5 Zigbee通信模块
Zig Bee无线传感网络是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的, 有自组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4标准定义了MAC层和PHY层的协议标准, 而Zig Bee协议栈则定义了网络层、应用层和安全服务层的标准。其传输距离近、传输速率低、功耗小、成本低, 适用于多参数的心电监测的无线组网, 并可以嵌入到其他各种医疗监护设备中。
经过模数转换后的心电信号由JN5121模块中的处理器进行数据处理, 根据Zig Bee协议进行打包后, 通过无线传感网络发送出去[7,8]。模块中预留了RS232通信接口, 用于与主机之间的串口通信、调试。具体电路连接见图5。
2.6 数据集中模块
数据集中模块采用了ST公司基于Cortex-M3内核的STM32F103VB微处理器作为硬件的核心, 以u C/OS-II作为软件开发平台, 以提高软件设计的效率和系统的实时性。
为实现数据的远距离传输, 心电监测仪选用广州致远电子公司的外置GPRS无线模块 (DTU) , 内部集成了PPP和TCP/IP协议, 并通过ZWG-22A与上位机构成完全透明的数据通道[9]。ZWG-22A提供了标准的RS232串行接口, 将信号进行电平转换后, 可进行全双工通信。数据集中及通信模块的结构框图, 见图6。
3 基于小波变换的心电检测算法
QRS波群是心电监测的关键。为准确识别人体心率的波形, 提高心电识别的精准度, 需要对R波进行标定并检测ST波段后再对心率参数进行计算。
相比其他滤波算法, 小波变换能针对信号的特定频率成分进行采样, 可更好地满足心电监测信号所需的高分辨率要求。小波变换的这种“窗口显微”特性, 被广泛应用于奇异信号的检测。
本文采用Marr小波变换进行R波检测, 其母函数表达式如式 (3) 所示。
该小波母函数是高斯函数的二阶导数, 属于二次微分小波。心电信号的特征点与小波变换的模极大值点存在的对应关系, 可通过检测模极大值点实现R波的定位。
通过内积运算或查表得到小波滤波器的系数h0和h1后, 可以通过Mallat快速算法对离散后的心电信号X[n]进行小波分解, j尺度空间的剩余系统Cj, k和小波系数dj, k可由j-1尺度空间的剩余系数Cj-1, k, 经滤波器系数h0和h1进行加权求和得到。
同样, 将尺度空间Vj继续分解, 可得任意尺度空间的剩余系数和小波系数。
严格意义上来说, 应该采用内积方式求解初始输入序列, 以此通过Mallat快速算法进行信号分解。但其计算过程比较复杂, 实际应用中一般不采用。当尺度足够小的时候, 尺度函数可近似看成一个冲击函数, 因此内积可近似认为是对原函数的采样。
根据奈奎斯特采样定律可知, 当采样速率大于奈奎斯特速率时, 采样数据在该尺度上可以较好的逼近原始函数, 而不需要任何小波系数描述该尺度上的细节。因此在实际的工程应用中, 常用f (t) 的采样序f[k]列近似作为Cj, k。在本研究中, C0, k就是AD转换后的离散心电信号X[n], 其分解过程见图7。
具体的检测方法:在小波变换尺度4上, 分等间距分别求模极大值, 再对这组模极大值求平均值, 将该均值的1/2作为阀值, 就可以求出过阀值的连续区间中极大值为R波的相应位置。
为检验算法的有效性, 采用国际通用的MITBIH数据库进行测试, 样本总体为数据库100~148号文件中共103891个标准心搏。经测试, 累计漏检数71, 误检数109, 总错检率为0.17%。实验证明, 系统中所采用的方法可有效的从噪声干扰中识别心电信号中R波的位置, 且识别准确率为99.83%。
在完成R波识别流程后, 以R波位置为起始点, 向前在长度为0.04 s的区间中搜索模极小值点位置, 以对应Q波定位。对S波识别的基本流程与Q波相似, 不同点在于对R波向后检索时, 由于S波延续时间较Q波长, 搜索区间长度为0.06 s。
4 软件方案设计
4.1 小波卷积算法的实现
心电图形的小波变换主要是应用算法的可分离滤波器方法, 在不同层数上重复调用一维小波变换。由于Matllat算法的核心是对心电图像信息与滤波器函数进行卷积, 因此心电图像数据通过数组表示后, 需要与滤波器函数进行卷积运算, 得到的数据再作为原始数据, 重新继续运算调整。具体流程图, 见图8。
小波变换的程序实现过程中要反复运用卷积运算, 以子程序的形式反复调用, 以减小系统资源的开销。有关核心卷积程序代码如下:
由于系统采样率高, 给数据通信带来了较大的压力, 甚至在数据接收端出现丢包现象。每次采样后利用式 (4) 中的一阶差分算法, 对采样数据进行压缩和存储。
如果差分结果在[-7, 7], 在表1中查找相应的二进制数进行存储;如果差分结果在[-7, 7]外, 则采用8位二进制数进行保存, 并在前面加上4位区分标志位1000。
采用二次微分小波避免了一次微分小波中过零点容易受到干扰的问题, 定位精度和稳定性进一步提高。此外, 二次微分小波只需知道小变换后信号模的最大值就可以定位R波, 无需知道确定相邻模极值点的位置以及两者间的斜率, 使得算法大大简化, 在一定程度上提高了小波算法的实时性。
4.2 处理器应用软件
由于心血管疾病直接影响到病人的生命安全, 且突发性强, 因此要求多参数体征监控仪具有较高的实时性。在嵌入式软件设计过程中, 考虑到数据传送的实时性要求, 移植了专门为实时嵌入式系统定制的u C/OS-II操作系统[10,11]。
系统软件设计主要包括体征监测子节点软件设计和数据集中主节点软件设计, 核心在于对STM32主控模块的编程控制。通过向STM32芯片写入嵌入式代码完成体征参数传感检测、信号调理、无线数据收发等功能[11]。程序流程图, 见图9。
5 结束语
基于Zig Bee[12]的心电检测仪在网络化模式下实现了各个测量模块的即插即用, 并可以通过数据集中及通信模块的GPRS实现远程数据的传送。由于系统组网方式灵活, 可方便地改进并推广到其它数据测量应用中。
本文将Zig Bee协议应用到多参数网络化心电监测仪的设计中, 实现了模块间数据的无线收发, 可以取代传统有线式数据的传输, 提高了便携式心电监测仪的适应能力。
摘要：目的 设计一种基于无线传感网络的多参数体征监测仪, 取代传统有线式数据传输, 提高便携式心电监测仪的适应能力。方法 系统采用Zigbee无线传感技术, 对人体心电、血氧饱和度、无创血压等生命体征参数进行动态监测, 并通过小波变换对心电监测算法进行改进, 提高心电监测的分辨率和精准度。结果 实现了各种医疗监测模块的即插即用功能, 以及特征监测数据的网络化传输。结论 网络化心电检测仪结构简单、精度高、系统功耗低。
关键词：多参数体征监测仪,心电监测,血氧传感器,Zigbee协议,小波变换
参考文献
[1]Nia-Chiang Liang, Ping-Chieh Chen, Tony Sun.Impact of Node Heterogeneity in ZigBee Mesh Network Routing[A].IEEE International Conference on System, Man, and Cybernetics[C].New York:IEEE Press, 2006:8-11.
[2]曹禛, 曹长修, 唐小军.基于ZigBee技术的无线抄表系统设计及应用[J].自动化博览, 2006, (1) :45-46.
[3]刘晓宁, 黎峰.ZigBee技术在无线监控系统中的应用研究[C].年通信理论与信号处理年会会议论文集, 2006.
[4]Wan-Ki Park, Chang-Sic Choi.Design and implementation of ZigBee based URC applicable to legacy home appliances[A].In:ISCE 2007 (IEEE International Symposium) [C].Irving, TX.2007.
[5]盛占石, 潘天红, 庄东宁.AC880智能型半自动生化分析仪的研制[J].2012, 23 (8) :51-54.
[6]蔡金标.ZSF01智能生化分析仪的研制[J].分析仪器, 2012, 38 (8) :50-52.
[7]Akyildiz I F, Su W, Sankarasubramaniam Y, et al.Wireless sensor networks:a survey[J].Computer Networks, 2002, 38 (4) :393-341.
[8]刘玉珍, 程政, 蒋靖.基于ZigBee的井下巷道瓦斯监测系统[J].仪表技术与传感器, 2012, 9 (9) :49-52.
[9]唐慧强, 咸爱国.基于无线传感器网络的手持式校准器[J].电子技术应用, 2012, 38 (8) :50-52.
[10]中国惠普.HP3458A81/2位数字式万用表中的AD转换器[J].电子技术, 2009, (10) :26-29.
[11]郭佑民, 胡广鹏, 谢飞.机车蓄电池在线监测与地面分析系统[J].仪表技术与传感器, 2012, 23 (8) :51-54.
气体多参数监测 篇6
智能温室的监控系统是实现其生产自动化、高效化最关键、最重要的环节。就蔬菜的生长环境而言,温度、湿度、光照、C02和土壤p H值等是其最基本的因子。温度不仅要根据蔬菜的不同生长阶段而定,而且与光照强度有很大关系。湿度也是温室中一个重要的参数[1]。因此,作为监控系统应能够实现对以上参数的数据采集与分析处理,以便进行相应的控制,使智能温室为蔬菜的生长提供一个良好的环境。
有线连接方式采集温度、湿度、光照等信号及传输数据,这虽然满足了监测要求,但是存在线路多、布线复杂、维护困难等问题[2]。为了解决这些问题,本文研制了一种多参数无线传输监测系统。该系统采用了无线收发芯片n RF905,其发射功率为10 d Bm,使用环形PCB天线,室内传输距离可达100m,室外传输距离可达200m[3]。
1 多参数无线监测系统的结构
系统由中央控制器PC与各个采集单元组成。每个采集单元包括温度检测器、湿度检测器、光度检测器及单片机和n RF905模块等,每个数据采集单元可实现温度、湿度、光度等多参数的采集并通过单片机AT89C51和无线模块n RF905把数据传输到PC机上进行显示,从而实现多参数的监测。同时,通过点对多点的方式可实现不同采集单元与PC机间的通信,从而实现多点位置的多参数的监测。其系统框图如图1所示。本系统可实现远距离监测,且抗干扰性能强。
2 多参数数据采集电路设计
2.1 湿度采集电路
湿度传感器采用DALLAS半导体公司推出的单总线数字测温IC芯片DS18B20。DS18B20芯片的管脚简单,它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量,与单片机交换信息仅需要一根I/0口线,如图2所示。
每个DS18B20在出厂时都有一个唯一的64位的光刻序列号,可支持多节点测温,使设计大为简化;测温时无须任何外部元件,测温范围是-55~+l25℃,测温精度为0.5度;内部自带A/D转换器,通过内部的温度采集、A/D转换一系列过程,最后将温度以规定的格式转换为16位数据并输出,并将数据还原为温度值。
2.2 湿度采集电路
湿度传感器采用HS1101电容式传感器。HS1101电容式传感器将电容的变化量准确地转换为单片机易于接受的信号,可以将该湿敏电容置于振荡电路中,组成多谐振荡电路,将电容值的变化转为与其呈反比的电压频率信号,可以直接被单片机计数器所采集。这样电路就可以方便地与单片机相连接,输出信号为频率型,灵敏度高、线性度好,具有优良的重复性、分辨率和稳定性。为了提高系统的灵敏度和线性度,从降低采集电路的成本等因素进行考虑,采用脉冲振荡电路来设计湿度采集电路,如图3所示。
此电路为典型的555非稳态电路。集成定时器555芯片外接电阻R2,R4与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2,6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。
2.3 光照采集电路
电路选用的硅光敏二极管型号为3DUOSOC,光谱范围为450~1150nm,用于可见光、红外光检测。光度采集电路,如图4所示。由于硅光敏二极管输出的是极其微弱的光电流,大约是2μA,因此需要一个放大电路,这是一个运算放大器构成的电流—电压转换电路。硅光敏二极管输出电流信号经放大电路转换为电压信号输出,放大器输入电阻相对光敏二极管可以视为短路,则放大器的输出电压为V0=-IiRf,这种方式可以获得线性良好的电流—电压变换。
3DU050C
3 系统关键技术的实现
3.1 PC机与分控机的多机通信问题
多机通信,由多址来实现,每个n RF905都可以通过单片机来赋予不同的地址,地址的位数和内容都由用户自定义,因此编程灵活,理论上可以支持无限多个地址。PC机的串口发出的数据可设为与8051串行数据格式相匹配的11位格式,11位数据帧由1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位和1位停止位组成,其格式为:
而分控机多机通信的典型数据格式为:
n RF905模块可以由用户自定义地址,因此可以很方便地实现多机通信。在配置n RF905时使地址为一个变量,这样就可以任意地修改每个发射机的地址,而接收机通过不同的地址与发射机相匹配,来实现对各个发射机数据的接收。
本系统因为要实时监测温度,各个发射机的地址已固定,接收机通过不同的地址来接收不同的发射机数据。因此,多机通信的控制由用户通过接收机的按钮来完成。多机通信部分的关键程序如下:
3.2 低功耗问题
在无线通信领域,低功耗始终是一个关键性的问题,本设计利用单片机自身的电源控制寄存器PCON来实现低功耗运行。电源控制寄存器的格式为
若写一个字节到PCON,使IDL等于1,单片机即进入待机方式。在待机方式下,振荡器继续运行,时钟信号继续提供给中断逻辑、串口和定时器;但是提供给CPU的内部时钟信号被切断,CPU停止工作。这时,堆栈指针SP,程序计数器PC,程序状态字PSW,累加器AAC以及所有的工作寄存器内容都被保存下来。
通常CPU耗电量占芯片耗电量的80%~90%,所以CPU停止工作就会大大降低功耗。在待机方式下,AT89C2051消耗的电流可由正常的30m A降为3m A,甚至更低。
通过中断实现低功耗的程序如下:
当T0计数到最大值216时产生溢出中断,单片机即由待机模式进入到正常工作模式,所有的主程序都放到中断中来处理。单片机的大部分时间是处于待机状态的,而且单片机在待机的同时,n RF905模块也处于待机状态,电流只有12u A左右。因此,此系统发射机部分的功耗非常低,经测定在没有采取节电措施前的电流为35m A,在加入低功耗程序后,总电流只有4.6m A。采取低功耗措施前后的效果经多次测定,如表1所示
4 结论
本文介绍了一个基于n RF905的以单片机(AT89C51)为核心的具有无线通信功能的智能温室多参数测控系统设计,完成了温室中的温度、湿度及光度等参数的测量显示和控制信号输出,实现了温室的本地或远程控制。在低功耗方面,本设计通过控制单片机的空闲模式来实现低功耗运行方式,在运行主程序时通过T0计数器中断唤醒单片机,从而最大限度的节约了电能,延长了电池的使用时间。参考文献:
摘要：介绍了一个以单片机(AT89C51)为核心基于nRF905的具有无线通信功能的智能温室多参数监测系统设计。同时,给出了系统的参数测量电路,对系统的多机通信和低功耗进行了详细设计。该系统数据传输速度可达100kbps,可靠性高,功能易扩展,适用于多种领域。
关键词：多参数无线监控系统,多机通信,低功耗
参考文献
[1]Morimoto T.,Y Hashimoto.Optimal control of plant growth inhydroponics using neural net-works and genetic algorithms[J].Acta Hort,1996,406:433-440.
[2]求是科技.单片机通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005:316-332.
气体多参数监测 篇7
煤矿在采煤作业过程中,为了保证安全,需要通过向井下通风的方式将矿井内的瓦斯气体排出,这些瓦斯气体集中通过井口排入大气。这些瓦斯气体虽然浓度不高,但是数量很大,一般称为乏风瓦斯。另外,这些瓦斯气体排入大气层后具有很高的温室效应,瓦斯气体所造成的温室效应是二氧化碳的二十倍,因而会对环境造成严重危害。如果能将这些瓦斯气体收集起来进行利用,一方面可以减少对大气环境的破坏,另一方面也可以充分利用自然资源。其收集的方式是通过密度层分和吸附分离的方式来实现的。在这一过程中,需要对分离装置的多个关键位置的乏风瓦斯进行在线监测,并进而控制分离设备的动作。为了便于后续工作的进行,本文采用基于虚拟仪器的工作原理来构建多通道(目前实现了16通道)的瓦斯参数监测仪[1,2]。
1 瓦斯参数监测仪的系统组成
多通道瓦斯参数监测仪的总体结构如图1所示。首先在计算机的主机箱内插入多串口数据采集卡,并通过专用的通讯电缆与仪器机箱后面上的专用插孔连接。为了便于在矿井附近的工作现场进行数据采集,将仪器设计成便携式机箱和PC机数据处理的结构。仪器的后面板通过航空接头与瓦斯传感器的工作电缆进行连接。电缆内的电源线和信号线集成在一起,这样大大方便了测点的安装和调整。整个主机箱内部由外部的220V交流电源进行供电,通过电源线将交流电引入主机箱内的开关电源,通过开关电源将交流电转换为低压直流电,然后再分流到各个通道的电源模块上,通过该电源模块将低压直流电转换为3.3V的直流电作为瓦斯传感器的工作电源。另外瓦斯传感器所采集的瓦斯浓度信号和环境温度信号通过信号电缆上传到数字信号转换模块模块,通过该模块将瓦斯浓度信号和环境温度信号转换为数据采集卡2能够接受的标准的Rs232串行通讯信号并最终进入计算机。最后由计算机内的数字信号处理软件对瓦斯信号进行记录和处理。该软件能够对不同的通道分别进行处理,并对所采集的瓦斯信号进行波形记录、数字滤波、信号特征提取等处理工作。
2 硬件组成
多通道瓦斯参数监测仪的下位机采用Premiere公司的智能红外瓦斯传感器构成采集模块。其主要功能是:1)对数据模块中的max3232芯片以及传感器提供3.3V直流电压;2)将上位机的指令通过max3232的电平匹配发送到传感器,并将传感器接收的数据返回给上位机。采集原理是根据红外散射来检测瓦斯气体的浓度,可根据接收到的命令字来执行相应的检测命令,且上传的数据符合IEEE-754标准。具体来说是将上位机的命令指令通过串口的2口传到max3232的13脚RIIN,通过电平匹配由12脚RIOUT发送到传感器的1脚Tx,传感器接收指令后开始读取瓦斯浓度的数据,将数据通过2脚Rx发送至max3232的11脚TIIN,由14脚TIOUT输出,发送至串口的4脚,由串口将数据返回给上位机。
多通道瓦斯参数监测仪的主机箱内主要包括信号转换模块、通道控制模块和电源控制模块。其中信号转换模块的作用是把接收到的串行数据转换成符合Rs232要求的工作电平;通道控制模块的作用是根据面板上的按钮对各通道对应的信号转换模块进行控制,控制的结果通过内嵌在按钮中的LED指示灯来显示;电源控制模块的作用是为主机箱内的各部分提供所需要的工作电源。其中信号转换模块的工作电压为3.3v,多串口模块的工作电压为5V。
上位机采用普通PC机,但其主板采用具有多个PCI扩展槽的专用主板。将16通道的PCI串口数据采集卡插入PC机主板的扩展槽内,然后将串口数据采集卡与仪器的主机箱通过专用电缆进行联接,从而构成了多通道瓦斯参数监测仪的硬件平台。
3 软件设计
上位机软件采用面向对象的程序设计语言Visual Basic进行设计和开发。这也是Windows环境下通过串口进行数据采集较好的一种方式[3]。测量点上的智能瓦斯传感器将获得的瓦斯参数按照IEEE-754标准来上传数据的,因此必须将串行通信控件所接收到的数据转换成计算机内一般的浮点型数据来进行处理。为了提高工作效率,本文采用Delphi编写了专用的动态链接库来进行这种数据转换。
通过上位机的设置可以接收两种类型的数据:瓦斯浓度和瓦斯温度。系统默认设置为每0.5秒采集各通道的瓦斯浓度参数一次,每5分钟采集温度参数一次。时间的间隔参数也可以通过软件界面进行设置。瓦斯参数通过数据库进行记录和保存,这样做的好处是可以长时间记录并进行局部查询,数据精度为0.001%。还可以根据需要将数据库数据导出为Matlab等软件可以接收的中间文件然后进行处理。
4 瓦斯参数监测仪的应用
多通道瓦斯参数监测仪的实物如图3所示,在监测仪的面板上可以对需要的通道进行是否开始工作的控制。本文设计的监测仪目前实现了16通道的瓦斯参数监测,今后根据实验装置的实际需要,基于目前的架构,可以很方面地扩充到32通道。通过本仪器已经获得了乏风瓦斯密度层分装置主要工作点的瓦斯参数和工作时间之间的关系,并验证了理论研究工作正确性。由于本监测仪在软件和硬件上都采用开放式结构,因此能很方便地与控制系统进行联接,通过基于PCI接口的IO控制板将可以对实验装置进行在线控制。
5 结束语
采用虚拟仪器架构的多通道瓦斯参数监测仪实现了瓦斯参数的多点实时在线监测,瓦斯参数的测量和采集点可以灵活方便地进行调整,需要采集的通道数也可以根据实际需要从面板上进行控制。基于面向对象的程序语言VB6并实现了测量数据的记录和处理。在后续的研究工作中将进一步丰富软件的信号处理能力,如多通道间的参数相关性分析。
参考文献
[1]周自强,马文斌,沈世德.大变形柔性铰链转角特性测试仪的研究[J].微计算机信息,2009,(1):157-158.
[2]陈磊,叶平.基于虚拟仪器技术的超声数据采集系统设计[J].煤矿机械,2003,(12):53-55.
[3]袁月峰,张树森,姚继权.基于Visual Basic6.0下PC机与MCS-51单片机的串行通信[J].煤矿机械,2003,(2):37-38.
[4]高立明,王骏,白建明.基于光纤传感的瓦斯浓度测试[J].科学技术与工程,2006,(16):2438-2440.
[5]张志伟.一种远程矿井瓦斯浓度检测仪的设计[J].煤矿安全,2011,(2):78-80.
[6]赵聪,林翚,彭楚武.基于非色散红外光谱吸收原理的瓦斯浓度检测仪设计[J].计算机测量与控制,2009,(6):1229-1231.
[7]刘应书,李永玲,张辉,杨雄,刘文海.煤矿低浓度瓦斯及其分离富集技术[J].气体分离,2010,(1):55-59.