应用于循环冷却水系统的水质检测仪的设计与实现

摘要

循环冷却水水质硬化会导致冷却系统的结垢堵塞，引起设备损坏，造成重大经济损失。循环水中的电导率、pH值等参数直接影响着循环系统的结垢的速度。同时它们也是评价系统水资源的节能性、环保性的重要指标。无论从保证循环冷却水系统的稳定运行角度，还是节约国家稀缺的水资源角度，高精度的、自动化的水质检测仪都十分具有研究价值。
　　针对如何提升水质检测仪精度和稳定性的问题，开发了CORTEX-M3为核心的循环水水质检测装置。探索了比较测量法和Kalman滤波在检测仪器上的应用，来消除系统误差，提高检测的精度和稳定性。
　　论文主要工作和成果如下:
　　(1)通过对水质检测在国内外研究现状，结合水质检测仪器的发展、企业实际需求和国家标准，确立了循环冷却水水质参数检测的方案。
　　(2)针对主要检测参数电导率和pH值，从它们的传感器结构和检测原理出发，详细地分析了电导率和pH等参数在检测过程中的影响因素，并提出了解决方法。
　　(3)针对检测电路中的主要误差的分析，首次引入比较测量法和Kalman滤波方法应用于水质检测，提高了检测精度。
　　(4)根据循环冷却水水质参数检测的方案，完成了循环冷却水水质检测的硬件装置设计，并对提高检测参数精度的电路设计方法展开了研究。为了仪器能够全面的实现功能，进一步完成系统初始化、采集计算、自恢复、通信等软件程序。
　　(5)进行了检测装置的精度和重复性实验，验证了仪器的精度、稳定性和可靠性。通过与XR-620CTD+水质仪器和PHS-25型号pH检测仪器的对比分析，证明了基于比较测量法和卡尔曼滤波处理方法的循环冷却水水质监测装置是行之有效的。
　　论文开发的水质检测仪，能够实现在循环冷却水系统上的自动化、高精度和稳定的检测目标。同时首次探索了比较测量法和卡尔曼滤波在水质检测仪器的应用，并且得到了较好的实验结果。对水质检测仪的研究，不仅为循环冷却水的结垢和节水提供了数据参考，也为阻垢控制奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景、意义与研究目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电导率研究现状

1．2．2 pH值研究现状

1．3 研究内容

2．1 引言

2．2 性能指标

2．3 检测流程

2．4 冷却循环水电导率检测原理

2．4．1 电导率的基本概念与检测方法

2．4．2 电导率检测中电极影响

2．4．3 电导率检测温度影响

2．5 冷却循环水pH值检测原理

2．5．1 pH值的基本概念与检测方法

2．5．2 影响pH值检测的因素

2．6 传感器选型

2．7 本章小结

3．1 引言

3．2 运算放大器误差

3．2．1 运算放大器失调与增益误差

3．2．2 运算放大器噪声误差

3．3 AD转换器误差

3．4 检测电路的系统噪声

3．5 失调与增益误差处理—比较测量法

3．6 系统噪声处理—卡尔曼滤波

3．6．1 卡尔曼滤波原理

3．6．2 卡尔曼滤波应用

3．6．3 卡尔曼滤波改进

3．7 本章小结

4．1 引言

4．2 水质检测仪的整体结构

4．2 电源模块

4．3 传感器调理电路

4．3．1 电导率电极调理电路

4．3．2 pH值电极调理电路

4．3．3 Pt1000温度传感器调理电路

4．4 键盘与声光指示电路

4．5 RS232接口

4．6 LCD液晶显示屏电路

4．7 处理器模块

4．8 本章小结

5．1 引言

5．2 系统软件总体流程设计

5．3 系统初始化

5．3．1 引脚初始化

5．3．2 AD转换初始化

5．3．3 定时器初始化

5．3．4 显示屏初始化

5．4 主程序设计

5．4．1 采样程序设计

5．4．2 去极值平均滤波

5．4．3 一阶惯性滤波程序

5．4．4 LCD显示程序设计

5．4．5 键盘程序设计

5．5 系统故障自恢复程序的设计

5．6 本章小结

6．1 引言

6．2 实验参数的优化

6．2．1 激励源频率的确定

6．2．2 温度补偿系数的确定

6．3 精度实验与分析

6．3．1 电导率精度实验与分析

6．3．1 pH值精度实验与分析

6．4 重复性和稳定性测试

6．4．1 电导率重复性和稳定性

6．4．2 pH值重复性和稳定性

6．5 卡尔曼滤波结果和分析

6．5．1 静态实验

6．5．1 动态实验

6．6 本章小结

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果