低磷在线自动分析设计.docx

低磷在线自动分析设计.docx

《低磷在线自动分析设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低磷在线自动分析设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

低磷在线自动分析设计

低磷在线自动分析设计

摘要

在火力发电厂及动力厂中，为减缓热力设备的腐蚀结垢，要向水中不断添加一定量的缓蚀、阻垢剂，以保障热力设备的安全运行和使用寿命。

目前，广泛使用的是炉水协调磷酸盐处理在热力设备的缓蚀阻垢方面起到了良好的效果。

随着火力发电厂机组容量的不断扩大，锅炉的参数不断提高，协调磷酸盐处理所固有的弊病（磷酸根的“隐藏”现象、对水冷壁局部的浓缩腐蚀以及用药量大热损失大等）使其不适合应用在300MW以上的火力发电机组上。

为了保证系统安全经济地运行，延长热力设备的检修周期和使用寿命，一般200MW以上机组都应采用低磷酸盐处理，因此对磷的监督和控制提出了更高的要求。

目前国内生产的磷表测量精度均低于±0.3mg／L不能进行在线低磷酸根的测量，国外的低磷表价格一般都比较昂贵。

因此，有必要进行低磷在线仪表的研制。

本课题研究了磷酸根测量中影响精度的诸多方面。

剖析了现有国内外磷表的优劣，取精去糟，对目前难以解决的一些问题进行研发.在此基础上研制了一套基于C8051F020的循环冷却水低磷在线自动分析装置。

整个分析系统分为化学分析流程部分和电路设计部分，分析过程有显色反应和测量、分析计算、存储溶液浓度数据、工业控制标准信号输出等。

在仪器的硬件设计中，充分利用了C8051F020的D/A转换、A/D转换、UART和SPI串行通信等多种增强功能，使仪器结构紧凑，设计实现大大简化，并且提高了仪器的抗干扰能力。

本课题研制了基于C8051F020低磷在线自动分析仪，并且做了模拟实验，验证了本系统的稳定性和可靠性。

本课题的研究成功不仅对低磷测量有重要意义，而且对采用类似测量系统的硅、联氨等在线监测仪表具有同样的意义，所以它的研制具有巨大的经济效益和社会效益。

关键词：

低磷在线分析仪，C8051F020，间歇式，传感装置，在线监测

Abstract

Incoal-firedpowerplantsandpowerplantswhere,fortheslowheatingequipmentofcorrosionandscaling,constantlyaddingtotheamountofwatercorrosionandscaleinhibitors,inordertoensurethesafetyofheatingequipmentandservicelife.Atpresent,theboilerwateriswidelyusedinheattreatmentequipment,coordinationofphosphateandcorrosioninhibitionplayagoodeffect.Astheunitcapacitythermalpowerplantboilerparametersexpandsceaselessly,improve,coordinatewithinherentdrawbackphosphate（the"hidden"phenomenon,theenrichmentofwater-walllocalizedcorrosionandthereisbigheatlosswhichisnotsuitableforapplication）intheabove300mwcoal-firedpowerunits.Inordertoguaranteethesafeandeconomicoperationofsystemofheatingequipment,prolongmaintenancecycleandservicelife,morethan200mwgenerallylowphosphatetreatmentshouldbeused,sothesupervisionandcontrolofphosphorusputforwardhigherrequest.Currentdomesticproductionofphosphorustablemeasurementaccuracy±0.3mg/areloweronlineLcanlowerthemeasurementphosphate,foreignlowphosphoruslistpricesgenerallyrelativelyexpensive.Therefore,itisnecessaryforthedevelopmentoflowphosphorusonlineinstrument.

Thistopicstudiedinthemeasurementprecisionroots.Analyzetheexistingdomesticphosphorus,taketheformofpuregobad,someproblemsaredifficulttosolve.BasedonasetofC8051F020basedonthecoolingwatercirculationlowphosphoruson-lineautomaticanalysis.Theanalysissystemisdividedintochemicalanalysisprocessandcircuitdesign,analysisprocesshaschromogenicreactionandmeasurement,analysisandcalculation,thestoragesolutionconcentrationdata,industrialcontrolstandardsignaloutput.Inthehardwaredesign,theinstrumentofC8051F020fullyutilizetheD/Atransformation,theA/Dconversion,UARTandvariousenhanceserialcommunicationSPIfunction,makeinstrumentsdesignedcompactstructure,andincreasedgreatlysimplifiestheanti-interferenceabilityoftheinstrument.

ThistopicisdevelopedbasedonC8051F020lowphosphoruson-lineautomaticanalyzer,anddothesimulationexperimentverifiesthatthestabilityandreliabilityofthesystem.Thistopicresearchonlowphosphorusmeasuresuccessnotonlyhasimportantsignificancetothesimilar,butthemeasurementsystem,hydrazinesiliconsuchon-linemonitoringinstrumentwiththesamemeaning,soit'sdevelopmenthasgreateconomicbenefitsandsocialbenefits.

Keywords:

lowphosphoruson-lineanalyser,C8051F020,Intermittent,Sensingdevice,On-linemonitoring.

第1章绪论

1.1课题的背景与意义

目前，我国电能十分紧张，这种现象严重制约着我国经济建设和发展。

随着经济的进一步快速发展，这给电力用量提出了新的挑战。

在我国火力发电厂占发电厂90%以上。

因此，火力发电厂工作运行好坏，直接影响我国经济的建设。

在火力发电厂及动力厂中，为减缓热力设备的腐蚀结垢，要向水中不断添加一定量的缓蚀、阻垢剂，以保障热力设备的安全运行和使用寿命。

目前，广泛使用的全有机磷系列复合试剂在热力设备的缓蚀阻垢方面起到了良好的效果。

我国在100MW～300MW高参数、大容量火力发电机组汽包锅炉锅内水处理普遍采用的方法是炉水协调磷酸盐处理，对火力发电厂锅炉的防腐、防垢起到了一定的作用。

随着火力发电厂机组容量的不断扩大，锅炉的参数不断提高，协调磷酸盐处理所固有的弊病（磷酸根的"隐藏"现象、对水冷壁局部的浓缩腐蚀以及用药量大热损失大等）使其不适合应用在300MW以上的火力发电机组上。

为了保证系统安全经济地运行，延长热力设备的检修周期和使用寿命，一般200MW以上机组都应采用低磷酸盐处理，因此对磷的监督和控制提出了更高的要求。

虽然我国一些厂家的磷表能进行在线磷酸根的测量，但是还不能达到在线低磷的监测的要求，国外类似产品价格昂贵，配件提供不及时，在技术上始终存在着受制于人的现象。

在我国火力发电厂中相应配套设备每年需用在线仪表至少2500台，如按行业规定仪表使用寿命五年计算，每年国内实际市场需求远不止500台。

每台售价在五万元左右，每年的生产总值将达到2500万。

低磷在线自动分析仪一旦实现中批量生产，以其领先的技术地位和创新，可以占领国内外市场。

由于低磷在线自动分析仪广泛应用于火力发电厂，石油，化工，冶金等行业，已成为循环水热力设备安全和高效率运行必备的化学监督手段，因此，在国内外有着广泛的市场需求。

另一方面，提高环境的在线检测水平是实现环境保护的重要前提，建立起环境检测的快速反应机制，才能有效地控制污染源头，那么低磷在线仪表的研制成功将是解决环境水质低磷快速检测的根本要素。

这对于提高企业自动化管理和控制水平，对于企业的可持续发展战略具有重要的意义。

由此可见，低磷在线自动分析仪的开发研究具有可观的经济效益和社会效益。

1.2国内外该课题的研究现状及研究趋势

随着火力发电厂机组容量的不断扩大，锅炉的参数不断提高磷酸盐处理方法趋向于采用低磷处理或超低磷处理，对磷的监督和控制要求更高。

目前国内生产的磷表测量精度均低于±0.3mg／L不能进行在线低磷酸根的测量。

国外所谓的低磷表的精度也比±0.05mg／L低，而本课题研制的在线低磷表采用磷钼蓝法达到了±0.01mg／L测量精度完全满足低磷处理、超低磷处理的要求。

磷酸根监测仪虽然经历了机械式仪表、电子仪表、数字仪表、智能化仪表的发展历程，但磷酸根的测定方法50、60年代就已趋成熟，即现在普遍采用的磷钼黄或磷钼兰测定方法。

磷表的发展趋势：

随着火力发电厂机组容量的不断扩大，锅炉的参数不断提高磷酸盐处理方法趋向于采用低磷处理或超低磷处理。

在化学方法上趋于用磷钼兰法，因为相对于磷钼黄法它的灵敏度更高些。

在测量方法上用静态测量，可使测量的稳定性显著提高。

在流路上随着新材料，新工艺的出现，微型精密计量泵会更适合在线仪表的测量。

在硬件电路上新型智能控制器，智能芯片的发展会是磷表更加操作简单，更好的人机对话接口。

现场总线目前已成为世界上自动化技术的热点，但磷表存在标定问题；维护量较之热工仪表大得多；测量与被控系统速度慢、精度相对较低；体积大、结构复杂；用量少等。

这些特点使现场总线的优势弱化不少。

但现场总线仍是发展方向，所以现今的磷表设计都会考虑到升级为智能化现场仪表的问题。

1.3本课题的主要工作和意义

由于目前磷酸盐处理方法趋向于采用低磷处理或超低磷处理，对磷的监督和控制要求更高，而国内在线低磷的测量仍属空白状态，只能依靠进口。

在线高精度低磷表的研制成功，既能对本国高科技产业有所贡献，又能节约大量的外汇，因此社会效益和经济效益巨大。

本课题的研究成功不仅对低磷测量有重要意义，而且对采用类似测量系统的硅、联氨等在线监测仪表具有同样的意义。

本课题主要进行如下几方面的研究工作：

1.从理论和实践对磷表解剖和分析，经过大量的实验确定仪器采用的具体测量方式。

采用当前最新微计算机系统CYGNAL单片机作MCU完成仪器的硬件设计，充分发挥CYGNAL内部所具有的8路12位A/D和2路D/A功能，UART，SPI，I2C串口通信功能。

将系统达到最优化设计并提高仪器的抗干扰功能。

2.为优化分析仪的程序设计，整个系统采用模块化设计技术，各个模块分别完成相应的功能，如低磷的信号采集、标定、数据分析和存储等。

3.通过实验证明了低磷在线自动分析仪的稳定性和可靠性，其测量精度达到了国家标准规定的范围，并具有良好的可重复性，能够满足在线测量的要求。

现场运行，解决各种实际问题及各方面的优化，多次反复修改电路和程序的使之更趋合理。

第2章低磷在线分析仪的测量原理

2.1低磷在线测量原理

测量水中磷酸根的含量，常采用较为成熟的磷钼黄或磷钼兰法，其显色反应的生成物分别为黄色和蓝绿色，可见它们的互补色分别为蓝色和红色，也就是被溶液所吸收的色光。

本研究选用磷钼蓝法进行测量。

测量方法首先加入表面活化剂,作为参考吸光度;然后加入钼酸根试剂,和水样中的磷酸根反应生成磷钼黄酸,最后加入抗坏血酸试剂,将磷钼黄酸还原成磷钼蓝,其颜色深度与磷酸根的浓度成正比,当反应完成后,测量此时的吸光度。

显色产物在780nm左右产生最大吸收。

所以仪器选用有恒流源电路的发光灯珠做光源，其透过780nm波长的兰色滤光片得到780nm的光源。

我们知道在浓度较低的情况下，相应波长的单色光透过被测溶液时，部分光被溶液吸收，透光率下降。

而被测溶液的浓度与透过溶液的光的强度，有一定的关系。

比耳定律描述了这种关系。

（2-1）

式中A为吸光度；

为入射光强；

透射光强；

为溶液质量浓度；K为吸光系数；L为液层厚度。

，低磷酸盐处理一般把炉水磷酸根维持在0.3～0.8ml/L,我们设计的低磷在线分析仪在化学分析方法上用磷钼蓝法，所以其吸光度和磷酸盐的浓度符合比耳定律。

2.2低磷在线分析仪的测量流程

低磷的测量需要经过三个步骤，清洗，反应测量，计算显示。

分析仪在第一次测量或在测量过程中试剂和其它条件改变时，都要用标样1和标样2进行标定，来保证仪器测量的精确性和稳定性。

标定结果存到时钟芯片DS1687的非易失性RAM中，以保证掉电时数据不丢失。

标定完成后可进行测量，1.首先打开阀1连续注入一定量的水样进行清洗三次，以消除交叉污染引起的测量误差。

2.然后注入被测水样进行搅拌，静止一段时间测空白样作为透光率100%的信号V0，关断电源测暗电流VD，然后打开阀2加入显色剂，静止一段时间后，再加入还原剂，打开光源，搅拌混合，静止一段时间后测反应样VT，然后排废完成整个测量过程。

3.根据公式A=log（（V0-VD）/VT-VD））求出吸光度、再根据浓度与吸光度的关系C=（A-A0）/K算出低磷浓度，将计算结果送到液晶显示器显示并存到数据存储器AT45DB081中。

水样

阀1

图2-1在线低磷自动分析仪的分析流程

标样1

标样2

显色剂量

排废槽

溢流杯

溢流排废

光源

光电转换器

阀2

阀4

阀5

阀6

搅拌器

检测池

还原剂

阀3

第3章低磷在线分析仪的硬件电路设计

3.1分析仪总体硬件电路介绍

低磷在线自动分析仪利用硅光电池把透过被测溶液的光信号转换成光电流信号，然后经运算放大器LF353放大及滤波处理后，再送到单片机的ADC0进行处理。

硬件框图如下图所示：

A/D

C8051F020

D/A

键盘

液晶显示

时钟芯片

FLASH存储器

光源电路

阀门控制

硅光电池

LF353

温度传感器

输出信号

报警电路

0~10mV

0~5V

0~10mA

4~20mA

图3-1低磷在线分析仪的测量电路框图

RS485电路

低磷在线自动检测仪包括以下几个部分:

传感和模拟信号处理电路、单片机处理电路、时钟电路、数据存储电路、温度监控电路、RS485通信电路、时序控制电路（控制各个阀门和搅拌器的开关及控制灯光的恒流源）、标准信号输出电路、液晶显示和电源电路等。

低磷分析仪的中央处理器采用C8051F020，测量信号经放大后进行A/D转换并存储。

外围扩展SPI接口的8M位闪速存储器AT45DB081来存储历史数据；扩展时钟芯片来完成年，月，日，时，分，秒的自动更新和标样参数的更新存储；用数字温度传感器DS18B20来监控温度，保证液体恒温；采用320*240大屏幕智能液晶DMF50081显示界面，采用SED1335液晶控制器，通信方式为并口通信来完成主题菜单设计，采用五个按键和液晶主题菜单建立良好的人机对话。

D/A转换4-20mA工业标准信号输出，还有RS485电路完成和上位机和其他仪表的通信功能。

低磷在线自动分析仪包括三块PCB板，分别是电源板，控制板和单片机主控制板。

3.2C8051F020MCU单片机电路

低磷在线自动分析仪的核心控制器件是Cygnal公司新出产的混合信号系统级单片机C8051F020。

该单片机片内集成了Cygnal公司独创的CIP-51的CPU内核，指令系统与MCS-51完全兼容。

它具有如下特点:

集成度高、抗干扰能力强、速度高、可靠性高、扩展功能强等。

本仪器中选用C8051FO20[29]单片机，可以使电路在设计上结构紧凑，并能够提高仪器的抗干扰能力。

1）具有25MIPS高速流水线与8051完全兼容的51内核；

2）有8*8个I/O口，并可以用交叉开关分配硬件资源。

3）用JTAG进行非侵入式在线调试编程；

4）8路12位ADC100KSPS的转换速度和一个8路8位ADC500KSPS的转换速度；两个12位DAC；

5）有64K片内FLASH存储器，256B+4KB的片内RAM，64KB地址外部RAM接口；

6）有一个SPI和SMBUS；有两个串口，UART0、UART1；5个16位通用定时器，5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列，看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。

7）芯片支持双时钟:

内部振荡器和外部振荡器。

系统复位时默认为使用内部振荡器，可编程为提供2,4,8和16MHz时钟的方式。

8）工作电压范围为2.7-3.6V（端口1/0,/RST和JTAG引脚耐压为5V）,典型值3.3V，大大降低了系统功耗。

下面是C8051F020原理图：

图3-2C8051F020原理图

3.3传感和模拟信号处理电路

感光电转换元件采用的是TCZ6*6型硅光电池，此种型号硅光电池的光电特性，其短路电流与入射光强有良好的线性关系。

但是其转换信号仅为10-7A数量级，必须进行放大处理，因此，在电路设计中采用了输入阻抗高的运算放大器LF353来获取电流信号，并进行滤波放大处理。

如下图所示：

图3-3模拟信号处理电路

设

为入射光强度，

为光电池的光电转换系数，

为光电池的暗电流。

当光照射到光电池后所产生的光电流为

，有

（3-1）

经I/V转换后得

（3-2）

式中

为U2A的失调电压，经第二级放大后的输出电压为:

（3-3）

式中

为U2B的失调电压，

为U2B的放大倍数。

将公式3-1、3-2代入3-3式有：

（3-4）

经整理后有

（3-5）

其中

，

，其中

包括光电池的暗电流

以及两级放大器的失调电压

，

，由于

、

、

都是温度的函数。

因此

亦是温度的函数。

为包括光电池转换系数

和电阻R29,R30,R32,R33决定的比例系数，在电路参数确定后为一常数。

若温度不变，

与光强

有良好的线性关系。

但实际上温度是发生变化的，而且，测量方法采用的是单光束测量系统，因此，这种影响就更不可忽视。

但是，在硬件设计中并没有采取有效地补偿措施来解决上述

漂移的影响，实际上这项工作留给了软件部分进行处理。

为消除暗电流及运算放大器的失调的影响，系统在单片机控制测量光源熄灭1秒钟的时间内进行采样得到VD，并存储到单片机的数据存储单元。

然后重新开启光源，读被测溶液的基线光电流信号得

值和反应后的光电流信号

，根据2-1式的推导结果得电压

（3-6）

在被测得吸光度中，扣除暗电流噪声引起的测量误差,在每个测量周期内，都要重新读取一次暗电流值，防止暗电流的改变。

技术远优于采用硬件补偿方法。

3.4DS1687时钟电路

图3-4DS1687时钟电路

时钟电路可以自动更新年、月、日、时、分、秒，主要用以完成仪器的自动标定和时间基准功能。

时钟芯片采用DALLAS公司生产的+3V供电的8位并行接口实时时钟芯片DS1687。

该芯片片内集成了32.768kHz的晶振，计时精度高，可达到士3秒/年。

内含锂电池，断电后运行10年不丢失数据。

数据总线采用地址/数据复用线，与微处理器接口方便。

该芯片能提供世纪、年、月、日、星期、时、分、秒等时间信息，并具有到2100年的闰年补偿功能;时间、日历及定时可编程设定为二进制或十进制形式;时间可采用12/24小时时制选择;还有242字节的非易失静态RAM可供用户使用;系统用到了报警中断和秒更新结束中断，所以，在硬件上，将DS1687的中断请求输出脚/IRQ脚与单片机的外部中断引脚相连。

如果有中断产生，服务程序进行判断，然后处理。

3.5AT45DB081数据存储电路

图3-5AT45DB081数据存储电路

为了保存记录采集的水样中磷的浓度，需要扩展数据存储器。

在目前所有的非易失性存储器（PROM,EPROM,EEPROM和FLASH）中，FLASH存储器具有掉电数据不丢失、快速的数据存储速度、电可擦除、容量大、在线可编程、价格低廉、足够多的擦写次数（一百万次）和较高的可靠性等许多优点。

因此，仪器选择了ATMEL公司生产的SPI串行FlashAT45系列存储器AT45DB081。

该器件有4096页（每页264字节）闪存和两个Buffer（每个Buffer为264字节的SRAM）组成。

数据可以直接写入闪存，也可以先写入Buffer，然后再将Buffer的数据整个复制到闪存的某一页，也可以在闪存正处于编程时将数据写Buffer。

C8051F020的SPI串口提供一个灵活的4线全双工串行总线。

SPI0可以作为主器件或从器件，C8051F020交叉开关分配SPI串口为I/O口，P0.2-SCK、P0.3-MOSI、P0.4-MISO,与AT45DB081接口电路。

3.6DS18B20温度监控电路

该当溶液温度控制为40士1℃时，可以加快化学反应速度，从而减小测量的周期，提高仪器测量的重现性和稳定性。

因此，设计了温度检测电路，选用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18B20。

该芯片不需要外接电路，一根数据线即可以传输数据，所以电路设计比较简单。

本文采用的是DS18B20的TO-92封装形式。

与单片机接口电路如图所示（P3.1应配置为开漏输出）。

图3-6DS18B20温度监控电路

3.7RS485通信电路

该单片机串行口的协议信号为RS-232信号，可以利用RS-232串行通信协议直接进行串行通信。

但RS-232协议支持的传输距离近，不超过50m,RS-485串行通信协议支持的传输距离远，达1200m，且抗干扰能力强，数据传输速率高，