饶卫航，阮 坚，叶雪辉，王 莹

（广东省农业机械试验鉴定站，广州 510515）

0 引言

溶解氧参数的采集是增氧机性能试验的重要内容。之前，广东省农业机械试验鉴定站进行增氧机性能试验时，其溶解氧的数值是通过人工采集的，自动化程度不高，耗费较多人力[1]。本文设计的溶解氧数据采集系统，通过采集溶解氧分析仪、温度传感器和气压计的实时测量数据，由计算机处理和保存，结构简单可靠，操作方便。系统主要由4部分组成：①参数输入，即溶解氧分析仪、温度传感器、气压计产生的模拟信号参数。②信号处理，即模数转换模块和数据传输模块。③数据处理保存，采集的参数通过计算机实时显示、计算、保存。④执行机构，即系统的控制模块。

1 硬件选择

传感器产生的输出信号全部采用4～20 mA规格，24 V直流供电。

1）溶解氧分析仪选用3个哈希5500系列溶解氧探头和SC200型控制器，该探头采用一体化可快速更换的膜头组件，维护快捷方便，使用三电极的克拉克测定技术，测量精度高、稳定性好；SC200型控制器可连接2个传感器的模拟或数字输入，可实时显示溶解氧数值、进行传感器校准和设置，供电电压为220 V交流电，量程0～20 mg/L，输出为4～20 mA的模拟溶解氧参数。

2）水体温度测量仪选用SELEN的PT100型温度变送器搭配热电偶，量程0～100℃，精度0.2%，抗干扰能力强，传输线材长达20 m，输出4～20 mA模拟温度参数。

3）气压计选用迪泰克森的ZCY-013数字绝压变送器，量程0～110 kPa，精度1%FS，可输出4～20 mA模拟气压参数。

4）模数转换模块由双诺的AD输入转接板ACS616和AD采集板AC6624组成，可采集处理32路模拟输入信号。

2 硬件设计

2.1 电气设计

增氧机电源进线采用三相380 V交流电，通过开关选择单相或三相供电。3个溶解氧分析仪探头、水温及大气压传感器采用24 V开关电源供电。溶解氧控制器SC200单个功率约20 W，故采用220 V单相交流电供电。为减弱增氧机运行时对24 V开关电源的冲击，断路器与开关电源之间加装一个滤波器。开关量转接板AC140E和模拟量转接板ACS616由24 V开关电源供电。电参数测量仪通过接触器KM1开启增氧机M1，并将增氧机功率参数通过串口采集至计算机。系统示意图见图1。

图1 增氧机试验数据采集系统示意图

2.2 采集电路设计

采集电路包含3个溶解氧分析仪、1个水温温度计、1个大气压计，共有5个电流参数，通过采集板转换成相对应的电压参数输入到AD采集板中进行模数转换，然后由计算机进行采集处理和保存。采集电路AD转换原理如图2所示。

图2 采集电路AD转换原理图

模拟量转接板ACS616的AD输入带一阶低通滤波器，可将5路4～20 mA的电流（模拟输入）通过250 Ω的高精度电阻转换成标准的1～5 V电压信号，转换精度达0.1%，温度系数25 ppm。

ACS616转接板将转换后的5个测量电压参数通过电缆传送到安装于计算机的PCI卡槽的AC6224采集卡上，采集卡的AD转换模块将模拟信号（1～5 V电压信号）转换成可在计算机上读取和存储的电压数值，采样速度为400 kHz，系统精度±0.03%FSR（±5 V输入）。

3 软件设计

3.1 采集软件设计

AC6224采集卡自带驱动程序和DLL库函数，可以方便进行所需功能的开发和函数的调用，简化了编程难度。完整的信号采集软件工作流程图如图3所示。

图3 采集程序流程图

1）AD采样模式设置为连续采集模式，设置的AD定时器速度，对设置的通道（AD0～AD4）自动顺序、连续采样，采样数据顺序存放在计算机内部缓冲中，缓冲中不断读入数据，直到软件停止AD采样。

2）AD转换时钟使用采集卡内部16位定时器，基准时钟频率为10 MHz，16位可编程定时器（范围：25～65 535）按照100 nS每步长的精度设置AD转换周期，转换速度范围为160～400 000 Hz。

3）模拟输入采用单端输入，5个采样通道对应端口为AIN0～AIN4，输入量程选择±5 V，连续采样模式由AC6624_TAD()函数设置：

stch：控制AD采样的起始通道号（=0-4）

endch：控制AD采样的结束通道号（=0-4）

gain：=1 对应选择输入范围±5 V

4）输入校正，开始采样工作之前调用一次AC6624_CAL()函数，对AD进行一次校正操作，否则采样误差将很大，每60 min（在AD不采样时）进行一次CAL()操作，有效地自动消除温度变化带来的误差。

5）AD转换数据格式与计算，采样的数据按从stch开始到endch结束的通道扫描顺序，循环存放如下：

stch, stch+1 ,…, endch…,stch,...,endch,……结束

16位转换数据data值范围为0～65 535，对应电压V0～V4计算公式：

V=（data-32 767）·5 000 / 32 768（mV）

根据模拟输入电流为4～20 mA可知，转换成电压值V范围为1 000～5 000 mV。

3.2 计算机软件设计

软件采用VB程序编程，将采集的各项参数电压值（V0～V4）转换成相应的溶解氧DO（对应电压值：V0～V2）、温度T（V3）、大气压p（V4）值，然后显示、保存、处理,转换公式如下：

3组溶解氧：DO=（V0～V2-1 000) / 200（mg/L）

温度：T=（V3-1 000）/ 40（℃）

大气压：p=（V4-1 000）·11 / 400（ kPa ）

软件设置有校准功能，通过调整传感器零点校准测量参数。数据处理按照《SC/T 6009—1999增氧机增氧能力试验方法》以及《JB/T 9824.2—1999叶轮增氧机试验方法》规定进行数据处理。图4为软件界面。

图4 计算机软件界面

4 测试验证

4.1 测试方法

进行增氧机性能测试，实验开始后每隔1 min记录溶解氧值、水温和大气压值，将采集到的溶解氧值与SC200控制器记录的溶解氧值进行对比；检查采集数据的准确性与及时性，将采集到的温度和大气压值与温度计和空盒气压表值对比，检查数据的准确性。

4.2 测试结果

经增氧机性能测试，两组数据对比如表1所示。

表1 传感器采集数据和测量数据对比（部分）

从表1可以分析出，3个溶解氧采集参数和控制器读数最大偏差为0.09 mg/L，溶解氧1平均偏差为0.02 mg/L，偏差范围符合试验要求，溶解氧2平均偏差为0，溶解氧3平均偏差为0；采集水温平均值为26.70 ℃，温度计读数平均值为26.71 ℃，平均偏差0.01 ℃，偏差范围符合实验要求；采集的大气压平均值为100.02 kPa，空盒气压表读数平均值为100.02 kPa，无偏差。根据测试结果分析，系统采集的溶解氧、水温和大气压参数，精度符合增氧机性能试验要求。

5 小结

本套溶解氧试验参数采集系统采用模块化设计，传感器和模数转换组件采用高精度元件，较好地实现了数据采集和处理任务，已应用于广东省农业机械试验鉴定站增氧机性能检测项目，精度达到增氧机性能试验要求，减轻了试验人员的检测读数和计算压力。本系统的优点：采集精度高，响应速度快；模块化设计思路简化了外围电路的设计难度，后续加入新的测量参数简单方便。缺点：模数转换系统的价格偏高，不够经济；只考虑了温度、大气压对溶解氧的影响，盐度的影响有待进一步试验研究[2]。