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    一、基于nRF24L01的无线温湿度检测系统设汁  摘要:提出了一种针对无线数据传输问题的解决方案,该方案基于nRF24L01来设计无线温度采集系统。该系统采用低功耗、高性能单片机STC12C5A08S2和温湿度传感器DHT11来构成多点、实时温湿度监测系统,最后在PC机上完成配置、显示和报警等功能。该系统使用方便,扩展十分容易,可广泛应用于各种工农业生产和养殖等场合。  0 引言  在当今的工农业生产中,需要进行温湿度采集的场合越来越多,准确方便地测量温度变得至关重要。传统的有线测温方式存在着布线复杂,线路容易老化,线路故障难以排查,设备重新布局要重新布线等问题。特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制而不便架设线路的情况下,给温湿度的数据采集带来了很大的麻烦。要想监测到实时的温湿度数据,就必须采用无线传输的方式对数据进行采集、发送、接收并对无线采集来的数据通过上位机进行处理,以控制并监测设备的运行情况,减少不必要的线路设备开支。  1 系统组成框图  本文设计的多路无线温湿度检测系统将单片机检测控制系统和射频通信系统相结合,系统由主机和从机两部分构成,从机负责检测温湿度,并将采集到的数据通过射频系统发送给主机,主机接收从机发送过来的信号,并通过串口和PC机进行通信,记录数据。同时可通过PC机设定报警数据上下限。其系统组成框图如图1所示。    图1 系统组成框图  2 系统硬件电路  系统的温湿度数据采用数字式温湿度传感器DHT11进行数据采集,以51系列增强型单片机STC12C5A08S2为核心和无线射频nRF2401构成收发电路,从机使用液晶LCD1602显示,主机显示则使用LCD12864,整个显示系统可与PC上位机相连接。  2.1 温湿度采集电路设计  DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。图2所示为其温度采集电路。DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,可与高性能8位单片机相连接。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的过程中可调用这些校准系数。单线制串行接口可使系统集成变得简易而快捷,而且信号传输距离可达20m以上。当连接线长度短于20m时,应使用5kΩ上拉电阻,大于20m时,应根据情况使用合适的上拉电阻。    图2 温度采集电路  2.2 无线发射、接收电路设计  nRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片,采用FSK调制方式,内部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2 Mb/s.NORDIC无线发射、接收芯片nRF24L01的电路原理图如图3所示。    图3 无线发射、接收原理图  nRF24L01是单片射频收发芯片,工作于2.4~2.5 GHz的ISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01芯片的能耗非常低,以-5 dBm的功率发射时,工作电流只有10.5 mA,接收时的工作电流只有18 mA,它具有多种低功率工作模式,节能环保,设计方便。  nRF24L01无线收发模块的各管脚功能如表1所列,图4所示是nRF24L01与单片机连接时的电路图。      图4 无线模块与CPU连接电路图  本无线发射接收模块需要的电源为1.9~3.6 V,本系统中采用3.3 V直流电源来直接对无线发射接收模块供电,5 V电源经。ASM1117-3.3芯片转换后可得到稳定的直流电源,其电源转换电路如图5所示。    图5 无线模块电源转换电路  2.3 串行通信模块  主机单片机接收到nRF24L01的数据后,经MAX232电平转换可实现单片机程序下载与升级,同时可实现单片机与PC机(上位机)的通信,以便将显示数据信息通过此电路传送到PC机,并存PC机上显示,其串行通信电路如图6所示。    图6 MAX232CPE与PC的串口通信电路  3 软件设计  3.1 下位机软件  本系统使用C语言编程,应根据设计任务的要求确定系统程序的完整结构,尽可能采用模块化程序设计方法,将任务划分为相对独立的功能模块,明确各模块的功能、时间顺序和相互关系,系统的软件设计可以分为几个部分,首先是各个模块的底层驱动程序编写,而后是系统联机调试,最后再编写上位机的系统程序。  主程序是控制和管理的核心,系统上电后,首先进行初始化,系统开始正常运转后,再进行温、湿度的监测与处理等操作。  3.2 上位机软件设计  系统上位机能完成的功能有显示串口号,提示串口是否已被成功打开;同时,上位机能够与下位机同步显示温度,而且能够实时曲线显示温度;上位机能够设置下限温湿度和上限温湿度,当高于上限温湿度或低于下限温湿度时,还能够报警。将主机单片机的控制电路串行接口与电脑串口经过电平转换连接后,选择正确的通信协议,设置好波特率,即可进行通信。图7所示是上位机操作界面图。    图7 上位机操作界面  上位机软件可在PC机上通过VC6.0编写,主要是对MSComm控件及CserialPort类进行操作。  首先是串口设置。本系统利用的是CSERIALPORT类中的初始化函数InitPort (this,nport,nbtl,‘N’,8,1,m_dwCommEvents,512)。其巾nport为串口号,nbtl为波特率,可利用串口设置对话框中的串口号和波特率两个组合框分别得到初始化函数中的nport和nbtl.  其次是对温湿度上下限的设置。可利用CSERIALPORT类中的启动串口监测进程函数Start Monitoring、发送字符串函数WriteToPort以及关闭串口进程StopMonitoring来进行温度上下限的设置,其信息通过这些函数发送到串口,单片机从RS232上收到数据后,与自身的温度相比较,再进行相应的处理。  第三是曲线显示。动态曲线显示可利用CHistogram类中的SetRange(200,400),SetPos(temp)函数,SetRange设置上下极限值,SetPos是在图上显示相应的数据点,temp是从单片机传来的温湿度数据的处理结果,具体的移动曲线可由CHistogram类中函数实现。  4 结论  经测试,在发射接收模块没加天线的情况下,无线发射接收模块在大多数情况下的数据传输距离在200 m左右,发射头发射功率、接收头接收灵敏度等因素可能会影响传输距离,若外加天线,则会大大增加传输距离。另外,在调试过程中,振荡电阻必须匹配,否则接收距离会变短甚至无法接收。  本系统的数字信号由单片机采样,基于DHT11的数字温湿度传感器构成的实时监控系统具有精度高、抗干扰能力强、电路简单等诸多优点。然后利用单片机与PC机的通信可将数据送到PC机进行数据的存储、后期处理与显示。本系统数据处理功能强大、显示直观、界面友好、性价比高,可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、农业养殖及智能家居等诸多领域。  二、基于FPGA的数字示波器设计  随着信息技术的发展,对信号的测量技术要求越来越高,示波器的使用越来越广泛。模拟示波器使用前需要进行校正,使用比较麻烦;而数字示波器,由于受核心控制芯片的影响,对输入信号的频率有严格的限制。基于FPGA的数字示波器,其核心芯片可达到50万门,配合高速外围电路,可以测量频率为1 MHz的信号,有效地克服了以往示波器的不足。  1 系统方案设计  设计的数字示波器系统主要使用了Xilinx系统的开发环境,并在此环境内部建立了AD采样控制模块、键盘控制模块、VGA显示模块等多个模块,从很大程度上减少了硬件电路的搭建,也因此提高了系统的稳定性和可靠性,系统框图如图1所示。    另外,设计使用XPS将32位的MicroBlaze微处理器嵌入到了FPGA中,实现了可编程片的嵌入以及在可编程片上的系统设计。MieroBlaze通过LBM总线访问片上的存储模块BlockRAM,然后通过OPB总线上挂接外设进行接口连接和驱动。  VGA显示部分采用双缓冲机制进行工作,在FPGA内部建立RAM,按照一定时序降RAM内的缓存数据映射到VGA显示屏上。  2 硬件设计  2.1 信号调理电路模块  信号调理电路模块,对输入的模拟信号进行处理,由于输入电压幅度为-2.5~+2.5 V之间,而后一级的AD模块采用了12位的高速A/D转换芯片ADS804,只能对0~2 V的电压进行模/数转换,故需要将输入电压先抬升为0~5 V,在应用运算放大器进行比例缩小,达到0~2 V的模数转换要求。  2.2 A/D转换电路  A/D转换模块采用存储采样数据的并行数据处理方法,这样可以使硬件电路得到最大程度的简化,同时也提高了系统的稳定性。AD部分的采样,选用实时采样技术。能够捕获到单个信号。采样速率为10 MHz,即在最高频率1 MHz时,实时采样可以在每周期采10个点以保证取到一个完整的信号波形。  2.3 触发电路模块  触发电路模块属于外触发,对模拟信号实现任意电平触发,该模块采用电压比较器来实现单次触发。  2.4 存储模块  存储模块包括内存储和外存储两部分,使用外部电路进行搭建的为外存储,内存储在软件部分进行说明。  外部非易失性存储器模块采用存储容量为16 KB的E2PROM芯片24C128,该芯片作为手动存储的存储介质,从而实现掉电不丢失的设计目的。  2.5 VGA显示模块  VGA显示模块是建于FPGA内的双缓冲机制,由嵌入的MicroBlaze软核进行控制,能够进行多个页面间的切换。另外,每个界面,可以实现中文信息、彩色通道和所测输入波形的显示,并可控制显示内容的显示颜色。  2.6 键盘模块  4×4矩阵键盘模块实现人机交互。  通过键盘,可以对示波器的数字通道、模拟通道、混合通道、存储、回放、波形左移、波形右移等功能进行选择。  3 基于FPGA的软件设计  FPGA的硬件主要包括:触发电路模块、数字信号发生模块、存储模块、键盘模块、VGA显示模块等5个部分,软件流程图如图2所示。    3.1 触发电路程序  AD采样启动后,将从AD进来的数据与触发字进行比较,当满足设定条件时,会产生触发信号,此信号送到RAM控制器端。通过对外部触发电路发出触发信号与内部的两路数字信号进行触发的选择后,RAM控制器得到触发后将采样数据写入到RAM中。当RAM在进行写数据过程中触发信号是被抑制的;当RAM达到预触发深度时,释放触发信号,等待下一次触发的到来。  3.2 数竽信号发生程序  利用DDS的原理,在FPGA内部生成一个信号发生器。主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和比较器3部分。具体做法为:使用一个表示信号平均值的数据与AD采样得来的数据进行比较得到同频同相的A路信号,再经由A信号触发计数器,经过合理设置计数脉冲,得到有45°延时,占空比25%的B路信号。最后对该相位值计算数字化正弦波幅度输出。  表示信号平均值的数据由MicroBlaze测量信号提供。  3.3 存储程序  存储模块分RAM存储和FLASH存储RAM存储使用一个双口RAM,写和读分开,波形数据满足触发条件时送进RAM,存储了1 024个点,其中前560组送住VGA显示。  FLASH存储完成掉电不丢失的存储目的。20世纪使用开发板上的一块型号为AM29LV160DB的FLASH存储器,当按下存储健后,FLASH把RAM中的数据写到FLASH中,根据资料中的读写时序图,使用状态机实现这个过程,当按下回显的按键时将FLASH中的数据读回图像显示RAM,再显示出来。  3.4 键盘程序  键盘采用4×4矩阵键盘,使用FPGA进行扫描控制,实现人机交互。  键盘子程序主要包括数字通道、模拟通道、混合通道、存储、回放、波形左移、波形右移、垂直灵敏度档位设置,扫描速度档位设置等功能与按键的对应。  3.4.1 显示分辨率分析  垂直方向划分为10 div,设置3档垂直灵敏度:1 000 mV/div,100 mV/div和10 V/div,即每div可代表1 000 mV,100 mV和10 mV。  A/D转换模块的模拟信号输入端的输入信号电压为0~2 V,当示波器满刻度显示时,被测信号的幅度将分别为:V11=1 V/div×10 div=10 V,V12=0.1 V/div×10 div=1 V,V13=10 mv/div×10 div=100 mV。A/D转换器的满刻度输入值为Vmax=2 V,程控放大器电路的增益AN=Vmax/VIn,其中N=1,2,3,对应于3档不同垂直灵敏度的增益分别为:A1=2/10=0.2;A2=2/1=2;A3=2/0.1=20。  A/D转换器的满刻度输入值为Vmax=5 V《10 V,将AD采样的值和数字信号的值据当前档位进行计数存储,即1μs/div时每10个点保存一个,1 ms,/div时每10 000个点保存一个,1 s/div时每采样10 000 000个点保存一个。  3.4.2 扫描速率分析  A/D的转换速率取决于被测信号的频率范围,或DSO对扫描速度的要求,设计扫描速度含1 ms/div,1μs,/div,1 s/div三档,通过FPGA内部建立分频电路实现了最高采样率16 MS/s,每10倍频步进,共六档,增加了该示波器的实用性。水平显示分辨率为64点/div,以保证显示波形清晰稳定。  3.5 VGA显示部分  VGA显示模块使用双缓冲机制,软核MicroBlaze通过读写显存来控制VGA显示。VGA显示可显示3种颜色,利用了SOPC的优势。GRAM位宽32b,大大提高了FPGA刷屏的速度。vga_dn与GRAM对内嵌的MCU设计成为BlackBox,MCU只需向相应地址发送合适数据即可显示想要的波形。本设计主要实现了的显示为:底色,汉字,示波器的显示框,波形数据。通过取字摸的方式,可在显示屏上显示中文信息。当部分的数据进行综合时,这几部分的数据各自有不同的优先级,当多部分重叠时,根据优先级显示出来。  4 总体效果  图3为同时显示2个数字通道和1个模拟通道的界面,通道1(CH1)为模拟通道,通道2(CH2)和通道3(CH3)为数字通道,输入信号为一正弦波,峰一峰值为1.2 V,通道2,设定输入信号信号电压大于0为高电平,反之为低电平,故通道2为占空比为50%的矩形波。通道3设定输入信号大于3.3 V为高电平,反之为低电平,故在本图上通道3为占空比约为25%的矩形波。由图可知观察值与计算值相符。    5 结语  设计实现了一款基于FPGA的VGA显示的多通道数字存储示波器。FPGA的高速性比其他控制芯片更适合于高速数据的采集和处理,另外FPGA内部存储模块在完成输入信号的量化存储速度上有着外接RAM无法比拟的优势。通过测试,设计系统比较好地完成了各项设计要求。  三、单片机与模糊控制的温控仪设计与实现  摘要:温度是科学技术中最基本的物理量之一,在工业生产和生活中,常常是表征对象和过程状态的重要参数,其控制具有非线性、时滞性和不确定性,用传统的控制达不到好的控制效果。设计一种以单片机MSP430F149为系统的核心部件,并将模糊控制算法应用到其中的温控仪上,温度控制范围为常温0~100℃,设定温度值与测量温度值实时显示,控制精度可达±0.5℃。该系统采用恒泷供电,电路较简单,成本低,温度控制精度高,可以广泛应用于需要进行恒温控制的生产和生活中。  0 引言  温度控制对于工业和日常生活等领域都具有广阔的应用前景,很多应用领域,需要精度较高的恒温控制,由于其控制具有非线性、时滞性和不确定性,用传统的控制达不到好的控制效果。模糊控制是一种基于规则的控制,它直接采用语言型控制规则,出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识,其鲁棒性强,干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱,所以特别适合于0~100℃温度的精确控制。  MSP430系列单片机是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。MSP430F149单片机采用了精简指令(RISC),具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令,大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算,还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。MSP430F149单片机具有10位/12位ADC、16位Sigma-Delta A/D、直接寻址模块(DMA)、端口1~6、基本定时器(Basic Timer)等的一些外围模块的不同组合。其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出A/D转换器。该系统采用MSP430F149单片机,可以省去A/D等硬件电路,使其成本降低,可靠性大大增强。  1 系统设计  系统以MSP430F149单片机为控制核心,温度测量由铂电阻恒流调理电路完成,调理电路的输出电压送入单片机,在单片机内部实现A/D转换,并对采样数据进行滤波及标度变换处理,温度值由3位数码管显示。输入的温度设定值由4位独立式键盘电路进行,设定值送入单片机后,由另一个3位数码管显示。系统设计框图如图1所示。    2 主要硬件电路设计  2.1 铂电阻测温调理电路  在本系统中,实际温度值由铂电阻恒流工作调理电路进行测量。为了克服铂电阻的非线性特点,在信号调理电路中加入负反馈非线性矫正网络。如图2所示,铂电阻选用标称值为100Ω的RT100作为温度传感器。A1,A2和A3采用低温漂运放OP07,由于有电流流经铂电阻传感器,所以当温度为0℃时,在铂电阻传感器上有压降,这个电压为铂电阻传感器的偏置电压,是运放A1输出电压的一部分,使恒流工作调理电路的输出实际不为0,所以需要对这个偏置电压调零,图中R3为调零电阻。图中运放A3及电阻R1,R4和R6构成负反馈非线性校正网络。R5用于调整运放A2的增益。    2.2 温度控制电路  系统加热丝与风扇均采用图3所示电路形式。电路采用了晶体管驱动的直流电磁继电器。当单片机的P5.4为低电平时,继电器RL1吸合,当P5.4为高电平时,继电器RL1释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。继电器由晶体管2N222A驱动,可以提供所需的驱动电流。    3 模糊控制规则表及软件流程图  3.1 建立模糊控制规则表  采用温度误差E和温度误差变化率Ec作为模糊控制器的输入变量,温度控制量U作为模糊控制器的输出变量。系统中温度误差E、温度误差变化率Ec和温度控制量U(单位:℃)的基本域分别为[-5,+5],[-2,+2]和[0,1]。输入语言变量的语言值取7个,输出控制量用于控制继电器驱动电路。将占空比模糊控制量设定为0,1/4,1/2,3/4,1五个单点模糊量和1个控制风扇吹风的单点模糊量。输出语言变量的语言值取6个。当U=0时,单片机P3.5口置低电平,使风扇控制电路工作;当U=1时,加热丝控制电路工作,且继电器在1个周期内全关断;当U=2时,加热丝控制电路工作,且继电器在1/4个周期内接通,在3/4个周期内关断;当U=5时,加热丝控制电路工作,且继电器在1个周期内全接通。本控制系统选用三角函数、升半梯形函数与降半梯形函数作为输入量语言值的隶属函数,用脉冲函数作为输出量语言值的隶属函数。模糊控制规则如表1所示。  由模糊规则进行推理可以得出模糊控制器语言规则的输入输出关系,其关系是一个非线性的关系曲面。当偏差较大时,控制量的变化应尽力使偏差迅速减小;当偏差较小时,除了要消除偏差外,还要考虑系统的稳定性,防止系统出现过冲,甚至引起系统振荡。  3.2 软件流程图  主程序软件流程如图4所示。    温度采集和显示、键盘处理等在编程时作为相对独立的功能模块来实现,并自主程序运行中按照设定的流程来调用,完成相应的任务后再返回主程序即可。  4 仿真分析  在Proteus仿真软件中加入编译后的HEX文件,使用分析图表分析系统分析加热器控制信号与风扇控制信号输出端口的占空比。当输入电压为2.7 V时,系统的输出显示实际温度为54℃,系统的设定温度为55℃,此时P5.4输出占空比为2:1的加热器控制信号;而当系统的实际温度大于设定温度时,系统输出适当的风扇控制信号以恒定的功率散热,说明满足设计要求。  5 结语  本系统采用低功耗MSP430系列单片机作为控制核心,整个控制电路较简单,用模糊控制算法设计程序,设定温度值与测量温度值实时显示,控制精度可达±0.5℃,在实际生产和生活中具有广泛的实用性。  四、3轴加速度计全功能计步器参考设计  简介  计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器,可以激励人们挑战自己,增强体质,帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐,并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时,可以听到有一个金属球来回滑动,或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。  如今,先进的计步器利用MEMS(微机电系统)惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐,误检率更低。MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点,因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能,如音乐播放器和手机等。ADI公司的3轴加速度计ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纤薄,功耗极低,非常适合这种应用。  本文以对步伐特征的研究为基础,描述一个采用3轴加速度计ADXL345的全功能计步器参考设计,它能辨别并计数步伐,测量距离、速度甚至所消耗的卡路里。  ADXL345专有的(正在申请专利)片内32级先进先出(FIFO)缓冲器可以存储数据,并执行计步器应用的相关操作,从而最大程度地减少主处理器干预,为便携式设备节省宝贵的系统功率。其13位分辨率(4 mg/LSB)甚至允许计步器以合理的精度测量超低速步行(每步加速度变化约55 mg)。  了解模型  在可用于分析跑步或步行的特征当中,我们选择“加速度”作为相关参数。个体(及其相关轴)的运动包括三个分量,分别是前向(“滚动”)、竖向(“偏航”)和侧向(“俯仰”),如图1所示。ADXL345检测其三个轴——x、y和z上的加速度。计步器处于未知方向,因此测量精度不应严重依赖于运动轴与加速度计测量轴之间的关系。    图1. 各轴的定义  让我们考虑步行的特性。图2描绘了一个步伐,我们将其定义为单位步行周期,图中显示了步行周期各阶段与竖向和前向加速度变化之间的关系。    图2. 步行阶段与加速度模式  图3显示了与一名跑步者的竖向、前向和侧向加速度相对应的x、y和z轴测量结果的典型图样。无论如何穿戴计步器,总有至少一个轴具有相对较大的周期性加速度变化,因此峰值检测和针对所有三个轴上的加速度的动态阈值决策算法对于检测单位步行或跑步周期至关重要。    图3. 从一名跑步者测得的x、y和z轴加速度的典型图样  算法  步伐参数  数字滤波器:首先,为使图3所示的信号波形变得平滑,需要一个数字滤波器。可以使用四个寄存器和一个求和单元,如图4所示。当然,可以使用更多寄存器以使加速度数据更加平滑,但响应时间会变慢。    图4. 数字滤波器  图5显示了来自一名步行者所戴计步器的最活跃轴的滤波数据。对于跑步者,峰峰值会更高。    图5. 最活跃轴的滤波数据  动态阈值和动态精度:系统持续更新3轴加速度的最大值和最小值,每采样50次更新一次。平均值(Max + Min)/2称为“动态阈值”。接下来的50次采样利用此阈值判断个体是否迈出步伐。由于此阈值每50次采样更新一次,因此它是动态的。这种选择具有自适应性,并且足够快。除动态阈值外,还利用动态精度来执行进一步滤波,如图6所示。    图6. 动态阈值和动态精度  利用一个线性移位寄存器和动态阈值判断个体是否有效地迈出一步。该线性移位寄存器含有2个寄存器:sample_new寄存器和sample_old寄存器。这些寄存器中的数据分别称为sample_new和sample_old。当新采样数据到来时,sample_new无条件移入sample_old寄存器。然而,sample_result是否移入sample_new寄存器取决于下述条件:如果加速度变化大于预定义精度,则最新的采样结果sample_result移入sample_new寄存器,否则sample_new寄存器保持不变。因此,移位寄存器组可以消除高频噪声,从而保证结果更加精确。  步伐迈出的条件定义为:当加速度曲线跨过动态阈值下方时,加速度曲线的斜率为负值(sample_new 《 sample_old)。 。  峰值检测:步伐计数器根据x、y、z三轴中加速度变化最大的一个轴计算步数。如果加速度变化太小,步伐计数器将忽略。  步伐计数器利用此算法可以很好地工作,但有时显得太敏感。当计步器因为步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常缓慢地振动时,步伐计数器也会认为它是步伐。为了找到真正的有节奏的步伐,必须排除这种无效振动。利用“时间窗口”和“计数规则”可以解决这个问题。  “时间窗口”用于排除无效振动。假设人们最快的跑步速度为每秒5步,最慢的步行速度为每2秒1步。这样,两个有效步伐的时间间隔在时间窗口[0.2 s - 2.0 s]之内,时间间隔超出该时间窗口的所有步伐都应被排除。  ADXL345的用户可选输出数据速率特性有助于实现时间窗口。表1列出了TA = 25°C, VS = 2.5 V, and VDD I/O = 1.8 V时的可配置数据速率(以及功耗)。  表1. 数据速率和功耗    此算法使用50 Hz数据速率(20 ms)。采用interval的寄存器记录两步之间的数据更新次数。如果间隔值在10与100之间,则说明两步之间的时间在有效窗口之内;否则,时间间隔在时间窗口之外,步伐无效。  “计数规则” 用于确定步伐是否是一个节奏模式的一部分。步伐计数器有两个工作状态:搜索规则和确认规则。步伐计数器以搜索规则模式开始工作。假设经过四个连续有效步伐之后,发现存在某种规则(in regulation),那么步伐计数器就会刷新和显示结果,并进入“确认规则”工作模式。在这种模式下工作时,每经过一个有效步伐,步伐计数器就会更新一次。但是,如果发现哪怕一个无效步伐,步伐计数器就会返回搜索规则模式,重新搜索四个连续有效步伐。  图7显示了步伐参数的算法流程图。    图7. 步伐参数算法流程图  距离参数  根据上述算法计算步伐参数之后,我们可以使用公式1获得距离参数。  距离 = 步数 × 每步距离 (1)  每步距离取决于用户的速度和身高。如果用户身材较高或以较快速度跑步,步长就会较长。参考设计每2秒更新一次距离、速度和卡路里参数。因此,我们使用每2秒计数到的步数判断当前跨步长度。表2显示了用于判断当前跨步长度的实验数据。  表2. 跨步长度与速度(每2秒步数)和身高的关系    2秒的时间间隔可以利用采样数精确算出。以50 Hz数据速率为例,处理器可以每100次采样发送一次相应的指令。处理器利用一个名为m_nLastPedometer的变量记录每个2秒间隔开始时的步数,并利用一个名为m_nPedometerValue的变量记录每个2秒间隔结束时的步数。这样,每2秒步数等于m_nPedometerValue与m_nLastPedometer之差。  虽然数据速率为50 Hz,但ADXL345的片内FIFO使得处理器无需每20 ms读取一次数据,极大地减轻了主处理器的负担。该缓冲器支持四种工作模式:旁路、FIFO、流和触发。在FIFO模式下,x、y、z轴的测量数据存储在FIFO中。当FIFO中的采样数与FIFO_CTL寄存器采样数位规定的数量相等时,水印中断置1。如前所述,人们的跑步速度最快可达每秒5步,因此每0.2秒刷新一次结果即可保证实时显示,从而处理器只需每0.2秒通过水印中断唤醒一次并从ADXL345读取数据。FIFO的其它功能也都非常有用。利用触发模式,FIFO可以告诉我们中断之前发生了什么。由于所述解决方案没有使用FIFO的其它功能,因此笔者将不展开讨论。  速度参数  速度 = 距离/时间,而每2秒步数和跨步长度均可根据上述算法计算,因此可以使用公式2获得速度参数。  速度 = 每2秒步数 × 跨步/2 s(2)  卡路里参数  我们无法精确计算卡路里的消耗速率。决定其消耗速率的一些因素包括体重、健身强度、运动水平和新陈代谢。不过,我们可以使用常规近似法进行估计。表3显示了卡路里消耗与跑步速度的典型关系。  表3. 卡路里消耗与跑步速度的关系    由表3可以得到公式(3)。  卡路里(C/kg/h) = 1.25 × 跑步速度(km/h) (3)  以上所用的速度参数单位为m/s,将km/h转换为m/s可得公式4。  卡路里(C/kg/h) = 1.25 × 速度(m/s) × 3600/1000 (4)  卡路里参数随同距离和速度参数每2秒更新一次。为了考虑运动者的体重,我们可以将公式4转换为公式5。体重(kg)为用户输入量,一个小时等于1800个2秒间隔。  卡路里(C/2 s) = 4.5 × 速度 × 体重/1800(5)  如果用户在步行或跑步之后休息,则步数和距离将不变化,速度应为0,此时的卡路里消耗可以利用公式6计算(休息时的卡路里消耗约为1 C/kg/h)。  卡路里(C/2 s) = 1 × 体重/1800 (6)  最后,我们可以将所有2秒间隔的卡路里相加,获得总卡路里消耗量。  硬件连接  ADXL345易于连接到任何使用I2C®或SPI数字通信协议的处理器。图8给出了演示设备的原理示意图,它采用3V电池供电。ADXL345的/CS引脚连接到板上的VS,以选择I2C模式。利用一个低成本精密模拟微控制器ADuC7024从ADXL345读取数据,执行算法,并通过UART将结果发送至PC。SDA和SCL分别为I2C总线的数据和时钟引脚,从ADXL345连接到ADuC7024的对应引脚。ADXL345的两个中断引脚连接到ADuC7024的IRQ输入,以产生各种中断信号并唤醒处理器。    图8. 硬件系统的原理示意图  用户界面  用户界面显示测试数据,并对操作员的指令做出响应。用户界面(UI)运行之后,串行端口应打开,通信链路应启动,随后演示程序将持续运行。图9显示了用户佩戴计步器步行或跑步时的测试情况。用户可以输入其体重和身高数据,距离、速度和卡路里参数将根据这些数据进行计算。    图9. 用户佩戴计步器步行或跑步时的测试情况  结论  ADXL345是一款出色的加速度计,非常适合计步器应用。它具有小巧纤薄的特点,采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封装,利用它开发的计步器已经出现在医疗仪器和高档消费电子设备中。它在测量模式下的功耗仅40 µA,待机模式下为0.1 µA,堪称电池供电产品的理想之选。嵌入式FIFO极大地减轻了主处理器的负荷,使功耗显著降低。此外,可以利用可选的输出数据速率进行定时,从而取代处理器中的定时器。13位分辨率可以检测非常小的峰峰值变化,为开发高精度计步器创造了条件。最后,它具有三轴输出功能,结合上述算法,用户可以将计步器戴在身上几乎任何部位。  几点建议:如果应用对成本极其敏感,或者模拟输出加速度计更适合,建议使用ADXL335,它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三轴加速度计,提供经过信号调理的电压输出。如果PCB尺寸至关重要,建议使用ADXL346,这款低功耗器件的内置功能甚至比ADXL345还多,采用小巧纤薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封装,电源电压范围为1.7 V至2.75 V。

    时间:2018-08-17 关键词: 设计测试 测量仪表

  • 电子负载在检测设备测试中的应用

    电子负载在检测设备测试中的应用

    随着电子市场的发展,其前景是毋庸置疑的,而与之相辅相生的电子测量仪表仪器设备也得以广泛应用。就在LED驱动、电源模块测试、充电器生产及UPS生产等领域广泛使用的直流电子负载而言,其已经成为了这些领域必不可少的测试设备。 1 电子负载概述 1.1电子负载的定义及其应用实例 电子负载,顾名思义,是用电子器件实现的“负载”功能,其输出端口符合欧姆定律。具体地说,电子负载是通过控制内部功率器件MOSFET或晶体管的导通量,使功率管耗散功率,消耗电能的设备。 电子负载一般具有定电流、定电压、定电阻、定功率、短路及动态负载多种模式,可以模拟各种不同的负载状况。 电子负载的应用实例: (1)液晶等电脑组件生产企业:可以使用电子负载实现其内部供电模块的测试以及老化; (2)开关电源、LED厂家:一般的,电子负载可实现直流电源供应器的电源稳定性、负载稳定性、输出电压调整和瞬态特性等参数的测试。(对于多路输出的电源可以使用组合附在测试); (3)适配器/充电器厂家:测试电池适配器输出电压和电流的调整能力是很重要的,它将保证正确地对设备供电和对设备电池充电。可以使用CC和 CR工作模式进行常规性能测试,可以使用OCP和SHORT等功能测试产品的保护动作测试。充电器的调节时间、充电时间等均可由负载的拉载时间测试出。 1.2电子负载的市场状况 在电子制造和应用领域,无论是研发、生产,还是质检和维护都必然要用到一种仪器——电子负载。电子负载作为一种测量各种电源的专业仪器设备,市场的专业性比较强,纵观整个电子负载市场,竞争品牌虽然不是很多,但是也不是很少,并且各品牌都具有自己的特色,目前的主流品牌主要有: 电子负载发展到现阶段,技术已经十分先进,非常符合当前电子制造和应用市场的发展需求:它功能强大,可以自行自动测试、模拟测试和过载测试,同时还可以进行序列测试;它操作灵活,通过操作软件的完全图形化界面,更加方便了使用者进行各种数据分析;它集成方便,不但可以和高速数据采集设备构成自动测试系统,而且还可以对被检测设备提供全方位的保护。 1.3 电子负载的功能 电子负载作为一种在电子制造领域广泛应用的测试设备,由于其强大的测试功能适用于各种电源、LED驱动、电池及充电器等领域中。 ★智能化功能。电子负载的智能化功能可使得负载本身能够自动完成产品测试,并支持序列的动态测试,同时可连续、脉冲、翻转并且模拟任意波形动态带载。 ★序列功能。在电子产品开发、生产线产品老化、质量检验等复杂应用环境里,电子负载自行编辑一个复杂的测试序列,以模拟负载输入端的各种变化和执行自动测试功能。特别是在针对电源产品的整体测试时,可将各种测试功能设置为一个序列,配合各种多种触发源进行灵活的自动测试。   ★瞬态功能。此功能是指电子负载的模组在同一功能在两个不同值之间切换,可用来测试电源动态特性,并进行各种电源的全方位动态指标测试。 [!--empirenews.page--]该功能操作可具有连续、翻转和脉冲三种模式,并可在主值和瞬态值之间迅速切换,同时可灵活设置恒电压、恒电流、恒电阻上升斜率和下降斜率。用户也可以通过该功能轻松更改变化斜率来模拟复杂的负载行为。   ★模拟编程功能。当被测电源需要进行非规则动态带载(非梯形变化)时,可使用本功能实现更多的模拟带载情况。   ★内部状态监视功能。在ATE测试系统、生产线、品质检测等方面,电子负载实现了基于多台电子负载的职能测试,并且监控实际测试结果,完成产品质量控制。用户可通过监视信号端子可实时监控电子负载的工作状态、监测实际值和负载显示值之间的差别以及动态吃载时变化执行状态,并且非常方便地使用外部数字电压表或示波器监视负载的电压值和电流值。 ★低电压操作功能。电子负载的低电压操作功能强大,可实现真正的零电压吃载和满电流吃载电压。 ★保护功能。电子负载产品全硬件实现对内(保护负载)和对外(保护被检测设备)保护,可在过电压、过电流、过功率、过温度、低电压和电压反向等方面进行全方位的有效保护。 2 电子负载在设备测试中的应用 电子负载作为目前在电子制造和应用领域使用比较广泛的一种测试设备,现在则可通过实例来说明,如运用在太阳能组件热斑试验中,电子负载在组件的热斑测试中常被使用。 如:户外测试热斑组件电池片温差。将不遮光的组件放在户外,在不低700W·m-2的辐射源的照射下,测试其I-V特性和最大功率点的电流 Imp。或使组件短路,让组件在稳定的、辐照度不低于700W·m-2的照射下,使用红外热照像仪,测定最热的电池片,记录其温度。在相同的辐照度下,在这一过程中,辐照度的变化不超过5%,用电子负载的正负两极去连接组件的正负两极。 费思科技的FT6600A系列多通道可编程直流电子负载具有恒流、恒压、恒阻和恒功率四种测试模式,一般情况下选取恒流测试模式,方便输入不同的组件工作电流。目的是用来测试该热斑效验电池片在不同的电流下,记录其发热情况,这样可方便制定太阳能光伏组件成品的出库对热斑温差的要求,同时也方便在室内测定组件的连续辐照度下的各种热斑情况。如:将组件放置在稳态模拟器中,辐射源为稳态太阳模拟器,辐照度设定为1000W·m-2,不均匀度不超过±2%,瞬时不稳定度在±5%以内,进行测试热斑。 FT6600A系列电子负载能为广大客户的节约成本并更方便的组成测试平台,同时还配备了一款具有虚拟仪器功能的功能性测试软件,通过该软件可以打印报告、生成图像、导出报表及保存数据,便于进行直观分析、记录和测试所生成的报告。所以很方便地生成该辐照度水平下的一系列图形。通过电子负载设定不同的电流,以及分析该电流情况下热斑发热提供了很好的图形和数据。 3 结束语 随着科学技术的不断进步,并伴随着电子制造与应用领域的发展,人们对电子负载的各种性能要求也在不断的增加,同时也希望电子负载在电子领域对于提高其产品品质能够提供更多的帮助,这也就要求广大的电子负载制造商在其产品的功能方面需要不多的去提高,以满足广大使用者的需要。

    时间:2013-05-12 关键词: 电源技术解析 电子负载 直流电子负载 测量仪表

  • 基于隔离和网络技术的高精温湿度测量仪表

    基于隔离和网络技术的高精温湿度测量仪表

        l 温湿度显示仪的硬件设计   本仪表的硬件电路部分主要是有温、湿度通道独立电源电路,温、湿度采样电路,信号调节电路,模数转换电路,光电隔离电路,处理器采用AT89S52单片机,同时还有LED显示电路,通讯电路,键盘电路等构成,其结构图如图1所示。以下将对各部分的电路做相应的介绍。   1.1 温度湿度变送器   非电量的温度湿度信号通过变送器形成4~20 mA电量信号。本方案中采用了奥地利E+E公司的EE10-FT6的高性能温湿度综合变送器。   EE10一FT6产品特点:   (1)24 V DC供电;   (2)温度量程:O~50℃;湿度量程:0~100%;   (3)温度精度:±0.1℃;湿度精度:1.0%;   (4)输入阻抗:≤500 Ω;   (5)接线方式:三线(电源正端、温度输出线、湿度输出线)。   1.2 隔离测量技术   常规温度湿度测量,往往将温度、湿度信号共地,利用一套测量电路即可。在本方案中,变送器的输出要先行接入温湿度显示仪(前端),再串接于DDC(直接数字控制器)后端构成变送器回路,变送器电源由DDC来提供,因此由变送器输 出的两路共地信号在前端需要进行隔离测量,以消除对后端测量的影响。即两端串联并同时测量一对共地信号。对于模拟量隔离测量,笔者曾经考虑3套方案:   方案一"虚"隔离,即采用差分测量技术,将差分一端经过一适当电阻接地,这种方案成本最低,但是对于运放的要求十分苛刻,而且稳定性不高。   方案二 采用线性光耦隔离,但线性光耦难以调试,离散性大,需要周边元器件多(运算放大器),而且光耦前端仍需隔离电源,后端仍需模数转换器。   方案三 采用两组独立测量电路,然后通过普通光耦与处理器接口,需要两套隔离电源,两组测量部分,成本稍高,但此种方案最可靠,调试方便,因而最终被采用,如图2所示。   l.3 4~20 mA电流测量   采样电阻采用125 Ω/0.1%精密电阻,这样,只需测量O.5~2.5 V电压信号即可。   1.4放大器及模数转换器应用   本温湿度显示仪模拟信号变换采用TI公司的轨对轨运放TLC2252,该放大器最大的特点一是输出可达电源满幅,二是失调电压较小,0.5 mV,价格较低,适合本仪表应用。   模数转换器(ADC)采用TI公司的ADS1286U,此芯片主要性能有:   (1)分辨率:12位;   (2)最高采样频率:20 kHz;   (3)INL:±2LSB/max;   (4)DNL:±1LSB/max;   (5)接口方式:两线制   (6)参考电压:外接。   1.5分辨率及精度   本仪表需要满足的要求:分辨率方面,温度显示到O.01℃,湿度显示到0.1%;精度方面,要达到与自控系统的DDC测量值之间的绝对误差不得大于±0.03℃。这样的苛刻要求使得本仪表在软硬件方面都必须做的非常到位。   1.6数字滤波技术   为满足以上分辨率及精度的要求,除了在硬件上选择性价比高的元器件以及较高的PCB板技术外,在软件上做了较多的工作。因为温度湿度物理量是惯性环节,时间常数较大,量值不会产生突变,故滤波时间可以很长。本仪表中采用多次测量排序取中值然后再进行一阶惯性滤波的方法,数学表达式如下:   其中Xn-1为上次实际温湿度值;Xn-2本次经过排序取来的中值;Xn为当前的温湿度值;A为滤波时间常数,作为系数。   这样做的目的是防止某些测量突变,以及满足惯性物理量的测量,使得测量值不会频繁跳跃,可以满足需求。   1.7 网络通信技术   本仪表采用RS 485通信,通信规约为MODBUS-RTU,然后通过MODBUS-PROFIBUS网关与西门子DDC通信,波特率为38.4 kb/s。总线采用轮询方式,后台机对各个房间温湿度进行采集,作为房间温度湿度集中监控的依据。   1.8精度校准及参数   本仪表出厂前均已校准,但考虑到长期运行后,元器件老化及环境温度的变化,可能会造成仪表出现精度偏差,故仪表上设有精度校准功能。校准时,需要一只标准4~20 mA信号表,按照显示提示,分别将信号源调至各档位,然后由仪表自动校准,校准系数值存入非易失性存储器中。   本仪表具有现场手动调校功能,调节电位器旋钮可使得温度湿度在某个短量程范围内更加精准。   所有的参数设定都可通过网络或仪表按键进行操作,掉电不丢失。    2 温湿度显示仪的软件设计   主要程序包括:温度测量子程序、湿度测量子程序、键盘扫描及实现子程序、校准子程序,其中测量子程序内嵌模数转换、数据处理、形成显示数据等;键盘扫描及实现子程序内嵌显示页面切换、参数设定、校准确认等;校准子程序内嵌双通道切换校准及校准数值存储等。中断服务 程序包括:定时器中断(用于显示)子程序、通信中断子程序。主程序为依次循环执行,综合外部操作(键盘),实现仪表多重功能;中断服务程序可以随时中断主程序的执行,两者互不影响。   本仪表中模数转换是关键,除了在硬件上保证信号的较好处理外,软件上的处理就显得很重要了,下面给出模数转换器ADS1286的访问程序,此芯片的DATASHEET 上时序逻辑只是一个基本的过程,具体要得出可靠的数值,需要在调试中摸索,这个程序是笔者调试好的,效果不错。   说明:本子程序转换后的12位AD值存放于02H/03H中。   说明:本中断服务程序为MODBUS从站响应程序,本仪表只用到MODBUS功能码中的03号及06号,即模拟量遥测及参数设定。   3 结 语   本仪表成功应用于上海市检测中心400个实验室中目前运行状况良好,与DDC间绝对误差不超过±O.03℃。

    时间:2007-09-28 关键词: 网络技术 隔离 温湿度 测量仪表

  • 测量仪表设计关键之数据采集(一)

    一、基于LabVIEW的通用数据采集卡的驱动   介绍一种通过LabVIEW提供的Call Library Function Node实现对动态链接库(DLL)调用的方法,完成对通用数据采集卡的驱动,实现LabVIEW与通用数据采集卡的结合。?   LabVIEW驱动通用数据采集插卡的方法有三种。   其一,直接用LabVIEW的Function模板内Advanced子模板的Port I/O图标编程,通过手动对基地址的设置,直接从特定的地址内存中读取数据。若采样速度要求不高,它是很方便直观的方法;其二,利用LabVIEW的 Functions模板内Advanced子模板中CIN(Code Interface Node)图标,它适用于直接调用文字编程语言(如VC)所编写的代码。用CIN结点生成A/D驱动程序的子VI的方法可充分发挥A/D的高转换速度,获 得高的采样速率。但编程较烦杂,不能由LabVIEW直接修改;其三,用LabVIEW的Functions模板内Advanced子模板中Call Library Function Node图标,动态链接数据采集卡的DLL库函数。DLL实际上是一个函数库,只在应用程序运行时DLL中的函数才被随时调用和连接。和静态连接库相 比,DLL可以和其他应用程序共享库中的函数和资源。许多数据采集插卡生产商提供DLL库函数形式的驱动程序,用户可使用某种DLL链接库的编程工具,如 VC、VB编写应用程序来调用它。同样,LabVIEW也提供了该功能,就是图标Call Library Function Node,放在Function模板内的Advanced子模板中,通过设置该节点来直接调用DLL。?   在本研究系统中采用第三种方法,实现了在线切削力的数据采集。采用基于ISA总线的数据采集卡ACL-8111,DLL直接由生产厂家提供。?   输入信号范围:±5V,±2.5V,±1.25V,±0.625V,±0.3125V(软件编程选择);最高采样频率:30kHz;触发模式:软件、 在板可编程定时器或外触发;数据传输:程序控制、中断控制;IRQ级别:可编程IRQ2,3,4,5,6,7;通道数:8路单端通道。   本系统输入信号范围±5V,采样频率2000Hz,A/D数据转换触发模式采用在板可编程定时器触发,数据传输采用中断控制,中断级别设置为5,通道数为3,三个通道分别采集和传输获得X,Y、Z三向切削力。?   待采集的模拟信号通过电荷放大器放大,根据预先设定选择不同的增益;输出的信号进行A/D转换,转换结束后,将12位转换结果自动存在数据寄存器中, 然后通过中断控制将数据取出,送入计算机内存进行处理。在使用时,将采集卡直接插入计算机ISA插槽中,使用其预先设定的基地址220H。?    二、数据采集与转换中的关键问题   数据采集与转换系统用于将模拟信号转换为数字形式进行分析或传输。模拟信号输入通常是由互感器和传感器将压力、温度、应力或张力、流量等真实信号转换 为相应的电信号。系统保存信号准确性和完整性的能力是衡量系统的主要指标。如何设计一个高性能的数据采集与转换系统需要考虑多方面的因素,本文就其中的一 些关键问题给出自己的讨论。   数据采集转换系统的基本框架   模拟信号进行采集并转换为相应数字形式所需的基本元素包括:模拟多路复用器和信号调节;放大器;模数转换器;PC 或 MCU。   图1 为数据采集系统典型框图。目前的数据采集系统通常包括数据采集与转换所需的所有元素,不过有时可能不包含模拟多路复用之前的输入滤波与信号调节。模拟信号 由模拟乘法器进行时间多路复用;多路复用器输出信号通过放大器输入A/D转换器。我们可对采样/保持进行编程,以便采集并保持经各 A/D 转换器转换成的数字多路数据采样。转换后的数据以并行或串行形式出现在 A/D 转换器的输出中,以备终端设备做进一步处理。      图1   系统采样率   被转换数据的应用与最终使用决定了数据采集与转换系统所需的采样率和转换率。系统采样率由最高带宽通道、数据通道的数量以及每次循环的采样数决定。      图2   混叠误差   根据奈奎斯特采样定理,在理想的采样数据系统中,数据带宽的每次循环要求最少两次采样,这样恢复被采样信号才不会丢失信息。因此,确定系统采样率时首 先要考虑的就是混叠误差,也就是由于在信号频率的每次循环中采样数量不足所造成的信息丢失。图 2 显示了在数据带宽的每次循环中采样数量不足所造成的混叠误差。   每次循环需要多少个采样   这个问题的答案取决于允许的平均误差容限、重建方法(如果存在)以及数据的最终使用。   采样数据的平均精度可通过以下途径加以改进:(1) 增加每次循环的采样数;(2) 多路复用前预采样滤波,或 (3) 过滤 D/A 转换器输出。图3显示了采样数据的重建,这里 fS= 2fMAX。   如图 4 所示,每次循环采样数只要稍许增加,采样数据的平均精度就会大幅上升。理论限制在于持续采样时采集与转换系统的吞吐量精度。对于数据的零阶重建,从图 4 可以看出,重建采样数据达到平均 90% 乃至更高的精度要求对数据带宽的每次循环进行10次采样。通常所用的范围是每次循环7~10 次采样。      图3      图4   采样误差   采样误差的定义是:采样过程中动态数据变化的不确定性所造成的采样数据点的幅值与时间误差。在数据采集和转换系统中,通过使用采样/保持器或快速的 A/D转换器,就能减小采样误差或使之不显著。对于正弦数据,最大采样误差出现在零交叉情况下,这时会出现最大的 dv/dt。   关于 A/D 转换器的几点说明   A/D转换器的转换速度和分辨率是最重要的两个参数。下面简单讨论一下 A/D 转换器术语将有助于读者更好地了解系统分辨率与精度。   速度:主要由A/D 转换器的采样时间及转换时间构成。A/D转换器手册均会在采样动态参数 (Sampling Dynamics)标出转换速度。有时是数据吞吐率(Throughput Rate)。逐次逼近型AD转换器采样速率或数据吞吐率一般从几十千次每秒到几兆次每秒。   分辨率:A/D 转换器的比特数决定着数据采集系统的分辨率。A/D 转换器分辨率的定义如下:---1 LSB = VFSR/2n,   LSB = 最低有效位,VFSR =满量程输入电压范围,这里,n为A/D转换器的分辨率。比特数决定着数字码的数量,对A/D转换器而言有2n个离散数字代码。就本文的讨论而言,我们将 使用二进制逐次逼近A/D转换器。表1显示了典型A/D转换器的分辨率和 LSB的值。      表1   信噪比:理想AD转换器的信噪比为 SNRdB=6.02×n-1.76,表2 为AD 转换器位数与信噪比的简单对照表。      表2   精度:假定所有模拟值都位于 A/D 转换器输入处。A/D 转换器量化或编码特定的模拟输入值为相应的数字代码作为一种输出。上述数字代码有着内在的不确定性或 ±1/2LSB 的量化误差。这就是说,量化的数字代码所代表的模拟电压与相邻数字代码中间点的距离在 ±1/2LSB 之内。A/D转换器的精度不会超过内在的 ±1/2LSB 的量化误差所允许的范畴。增益、偏移和线性误差等模拟误差也会影响 A/D 转换器的精度。增益和偏移通常可调节为零,但线性误差是不可调的,因为它是由固定值的梯形电阻器网络和网络开关匹配造成的。大多数高质量A/D转换器的线 性误差都低于±1/2LSB。另一个需要重点考虑的误差是微分线性误差。在理想的 A/D 转换器中,相邻过渡点间的步进大小为一个 LSB。微分线性误差就是在实际 A/D 转换器中相邻过渡点与理想的 LSB 步进差距。该误差必须小于一个 LSB,这样才能保证不会丢失代码。线性误差为 ±1/2LSB 的 A/D 转换器不一定意味着不会丢失代码。图5为微分线性、失调及增益误差图。      图5   二进制代码:二进制编码的数据格式是数字计算机类型应用中最常见的,其处理通常以二进制形式进行。A/D 转换器中最常用的二进制编码为:   1. 单极标准二进制 (USB)——用0~±10V等。   2. 双极偏移二进制 (BOB)——用于双极模拟信号范围,如 ±5V、±10V 等   3. 双极双组件 (BTC)——用于许多数字计算机应用中的双极模拟信号范围。   在 A/D 转换器中使用两种 BCD 编码,单极 BCD 和符号数值 BCD (SMD)。      表3  三、数据采集测量结果改善的常用校正方法   改善测量结果需要进行配置、校准以及优秀的软件开发技术。本文旨在使您了解优化测量结果的软、硬件技巧,内容包括:选择并配置数据采集设备、补偿测量误差以及采用优秀的软件技术。   当您将电子信号连接到数据采集设备时,您总是希望读数能匹配输入信号的电气数值。但我们知道没有一种测量硬件是完美的,所以为了改善测量结果我们必须采用最佳的硬件配置。   根据应用需求,您必须首先要明确数据采集卡所需的模拟输入、输出通道以及数字I/O线的最少数目。其次还要考虑的重要因素有:采样率、输入范围、输入方式和精度。   第一个要考虑的问题是现场接线,根据您要采集的信号源类型,您可以使用差分、非参考单端、参考单端三种输入方式来配置数据采集卡。   总的说来,差分测量系统较为可取,因为它能消除接地环路感应误差并能在一定程度上削弱由环境引起的噪声。而另一方面,单端输入方式提供两倍数据采集通道数,可是仅适用于引入误差比数据所需精度小的情况。表1为选择合适的信号源模拟输入方式提供了指导   选择合适的增益系数也是非常重要的。保证数据采集产品进行精确采集和转换所设定的电压范围叫做输入信号范围。为得到最佳的测量精度,使模拟信号的最大最小值尽可能占满整个ADC(+/-10V或0-10V)范围,这样就可使测量结果充分利用现有的数字位。   在数据采集系统中选择合适的增益      图1表示同在10V的输入范围下使用不同的增益系数,输入5V信号得到的采集结果。请注意:选取合适的增益系数能够充分利用ADC并改善您的测试结果。   任何测量结果都只是您要测量的“真实值”的估计值,事实上您永远也无法完美地测量出真实值。这是因为您测量的准确性会受到物理因素的限制,而且测量的精度也取决于这种限制。   在特定的范围内,16位数据采集卡有216(65536)种数值,而12位数据采集卡有212 (4096)种数值。理想情况下,这些数值在整个测量范围内是均匀分布的,而且测量硬件会把实际测量值取整成最接近的数值并返回计算机内存。事实上有许多 人认为,这种取整误差(通常称为量化误差)是决定精度的唯一因素。实际上,这种量化误差,在 12位多功能数据采集卡中只占总误差的35%,而在类似的16位卡中就更微不足道了。不管您使用12位还是16位数据采集卡,都不能只考虑这种量化误差。   放大器中的缺陷,如电阻器容限和模拟-数字转换特性,都会产生增益误差。这种误差通常以总读数的百分比表示。为了补偿这部分误差,您可以进行内部校 准。内部校准不仅能够补偿增益误差还能补偿温度变化引起的误差。这需要一个带有温度相关误差容限的板载参考源。数据采集设备和其它类型的传统仪器都采用内 部校准,通常也被称为自校准。   E系列校准VI      在LabVIEW中,您可以使用“E系列校准VI(E-Series Calibrate VI)”来对数据采集设备进行校准(图2)。一旦板卡处于工作环境,经常校准能确保最精确、最稳定及可重复的测量结果,在自校准过程中可对模拟输入和模拟输出都能完成自校准。   由于有增益前偏差、增益后偏差和增益误差校准,自校准会建立一个校准常数集合。完成一次校准之后,新的校准常数将被加载到板卡的存储器上。旧的校准常 数可以保存到EEPROM中,这样在必要时可以重新加载。一旦板卡停止供电,如果还需要校准常数,那保存工作则是非常重要的。如果没有把校准常数保存到 EEPROM中,关闭计算机之后这些数据就丢失了。   放大器的缺陷或者模拟-数字转换会产生非线性误差。在输入范围内,增益系数的微小变化就会产生非线性误差,这种误差一般表示为满量程的百分数。到现在 还没有一种简单的校准方法能够补偿这种非线性误差。因此仔细挑选数据采集卡是非常关键的。设备的相关精度表示非线性误差的总值,相关精度定义为数据采集设 备测量精度的最低有效位数。它包括所有非线性误差和量化误差,不包括偏差和增益误差。知道了数据采集卡的相关精度就可以为所有读数建立容限。   为进一步提高测试结果的精度,还必须补偿任何偏移误差。偏移误差在输入范围内是不变的,因此,纠正起来相对容易些。您可以先测量短路通道的偏移误差,然后用以后的读数减去这个值。   采用优秀的软件技术      提高读数精度的一种很好的软件技术就是求平均值。求平均值的前提是噪声和测量误差是随机的,因此,根据中心极限定理,误差服从正态分布(高斯分布)。 选取多个点后呈高斯分布,计算出平均值,平均值在统计上非常接近真实值。因此,所选取的要平均的点越多,平均值的标准偏差就越小。因为标准偏差会随着样本 数量增加而减小,所以应当尽可能提高用于平均的采样点数。   定期的自校准也是一种好方法,它能够在任何时候保持测量精度。执行定期内部校准(建议每天进行)可以补偿温度和环境变化引起的误差。  四、基于LabVIEW和PCI-5124的数据采集系统设计   摘要:设计一种基于虚拟仪器LabVIEW和高速数字化仪NI PCI-5124的高采样率、长时间的数据采集分析实验系统。该系统可实现20 MHz甚至更高采样率以及数据信号长时间的实时采集,并具有实时存储、回放、信号分析、报表打印功能。实验表明:该系统具有程序设计简单、通用性好、可移 植性高、界面设计简单大方、易于操作等优点。   传统数据采集系统一般由单片机与硬件采集电路或数据采集卡配置计算机组成。这种数据采集系统存在开发难度大、可移植性差、数据采集效率低、实时存储容 量小等缺点。其存储容量取决于数据采集卡的板载内存的大小,一般只有8 MB或12 MB,而现代工程运用中的数据采集系统需具有很高的采样速率,完成海量数据的实时存储。针对传统数据采集系统存在的不足,这里采用虚拟仪器 (LabVIEW)和高速数字化仪NI PCI-5124设计一种可以长时间连续采集、实时存储的数据采集系统。   本系统只使用PC机、数据采集卡以及编程语言即可在Windows操作系统下实现对数据的采集、存储、处理,开发成本低,通讯能力强,易于使用。系统 改善了传统数据采集系统的存储量小、采集效率低等缺点,可实现信号的长时间实时采集、存储、回放、分析、报表打印等功能。   1 系统硬件设备简介   该系统硬件设计结构原理框图如图l所示。      系统硬件设计主要包括PC控制机和高速数据采集卡。由于许多插入式的数据采集DAQ(Data Acquisition)设备采集数据不仅受到采样速率的限制,而且受到板载内存和数据到PC机内存的传输速率的限制。   针对以上问题,本设计选用插入式DAQ产品中价位低、速率快、精度高的高速数字化仪NI PCI-5124。它可以直接插入计算机的PC捕槽,即插即用使用方便,具有200 MS/s的实时采样至4.0 GS/s的等效时段采样;标准8~256 MB大容量板载内存;基于PCI总线的12位分辨率的双同步采样通道;使用新技术实现在2个150 MHz带宽的、带有去噪和抗混叠滤波器的输入信道中同步采样;高达75 dBc的无寄生动态范围SFDR(Spufious-Free Dynamic Range);基于NI同步和存储核心SMC (Synchronization and Memory Core)构架,具备每通道512 MB板载内存、快速数据传输和紧密的同步功能。工程师们可以在几十皮秒(ps)内同步基于SMC的模块化仪器,主要有边缘、视窗、滞环、视频和数字等触发 方式,主要用于高通道和混合信号应用。   专用数据采集长的驱动方式分为外挂式驱动和内置式驱动两种。对于NI公司生产的各种专用数据采集卡,可使用LabVIEW内的DAQ库直接对端口进行 各种操作,即内置式驱动。NI数据采集卡提供对LabVIEW丰富且完备的支持,驱动函数在底层的基础函数上进行高度封装,用户无需深入了解采集卡的具体 工作,只要掌握驱动函数输入/输出端口的意义,就能进行数据采集开发。因此用户使用NI PCI-5124时,只需将所需接口从程序中直接调用至系统开发环境中,即可实现采集、存储以及回放等功能。   2 数据采集系统设计   2.1 程序设计   LabVIEW是一种基于图形语言编程的可视化软件开发平台,与VC、VB等其他可视化编程语言相比,其函数库丰富、调试方便,而且开发界面简单,界 面风格与传统仪器相似。LabVIEW是一个外观和操作均能模仿实际仪器的程序开发环境,类似于C、BASIC等编程语言。但LabVIEW的特点在于使 用图形化编程G语言在流程图中创建源程序,而非使用基于文本的语言产生源程序代码。与传统C、C++等编程语言不同,LabVI-EW采用强大的图形化语 言编程,面向测试工程师而非专业程序员,编程方便,人机交互界面直观友好,具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力。   本实验系统主要由数据采集、存储和数据处理等部分组成。其中数据采集包括采集设置和数据采集波形显示;数据处理包括信号时频域参量测量、信噪比测量以及报表打印等。系统工作流程如图2所示。      本系统基本工作过程是:肩动LabVIEW程序后,首先设置高速数据采集卡PCI-5124的通道、采样模式、采样频率、触发类型、触发电平等,然后 启动采集,进行长时间连续的数据采集并利用流艋技术将采集到的信息实时存储于计算机硬盘,由于采集到的信息量很大,因此对采集到的数据进行离线处理,以减 轻计算机CPU负担,提高数据处理速度。   2.2 数据采集模块   数据采集是从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集各种参量(物理、化学、生物量等)信息的过程。数据采集操作的结果直接影响后续数据 处理、分析,数据采集功能模块利用NI-Scope函数进行数据采集,为了让数据采集设备在后台连续采集数据并送入缓存区,首先,初次安装好NI PCI-5124数据采集卡和驱动程序以后,计算机将自动设置其I/O地址和中断号,并分配内存资源,打通LabVIEW程序和底层驱动NI-Scope 的通道。其次,在程序界面设置采样频率、采集通道、数据存储方式并启动程序实时采集。由于需要触发某事件后(例如点击“运行采集”按钮)进行采集,本设计 采用可编程扫描和当前软件触发采集模式:采集启动后,下层NI-Scope驱动程序独立控制硬件高速数字化仪PCI-5124进行数据采集,并将采集结果 利用流盘存储方式跳过采集卡的缓冲区直接读取到应用软件的计算机硬盘中,处理数据。数据采集波形如图3所示,该模块完成连续数据采集,实时显示信号并刷 新。      2.3 数据存储回放模块   数据存储功能模块由文件的类型簇、数据文件存储路径、TDMS Dialog函数、open TDMS函数、write TDMS函数、close TDMS函数以及error函数组成,本程序中调用openTDMS函数打开TDMS文件,当运行至此时,数据会依据原先设置的存储路径和类型将数据持续 写入指定计算机文件中。由于本设计要存储海量数据,因此采用基于流盘技术的存储方式。流盘是一项在进行多次写操作时保持文件打开的技术,即持续从或者向存 储器(Memory)中传输数据。存储器可以是设备的板上缓存(Onboard Memory)、控制器上的RAM或计算机上的硬盘,本设计使用“文件I/O函数”设计合理的流盘存储基本架构。   回放是为了使用户存实时采集存储和数据分析测量结束后,还可以在需要时重新观察和深入分析所采集的数据。数据回放功能程序运行至open TDMS函数时,将运行连接至open(只读),即可打开对应的数据存盘文件,采集到的波形数据按照带索引的二进制TDMS文件形式存放于计算机硬盘中。 在选择波形回放时,后台程序首先要确定波形数据中数组元素所对应的采样时刻,当选择同放按钮时,给定的初始运行时间会与待同放的波形数据的第1个元素所对 应的时刻进行比较,从而确定待回放数据的第1个数据元素的时刻,从此开始回放数据波形,直到用户发出停止指令。整个文件完全是Windows系统文件,大 大提高存储和释放的速率,加快数据处理速度,回放波形如图4所示。      2.4 数据分析模块   数据分析主要包括测量信号参量、幅度相位谱和功率谱。时域分析是一种直接在时问域中对系统进行分析的方法,具有直观、准确的优点,可以提供数据采集系 统时间响应所需的全部信息。本系统主要是标定所采集信号的周期、平均值、周期均方根、有效值以及频率等,实时了解信号各种参数。   数据报表打印主要是将所采集信号的原始波形和回放波形以图片格式传递至打印样式子VI,并设置该子VI,使得程序需要打印时,就可通过调用该子VI打开前面板的采集波形和回放波形,显示报表内容并进行打印预览。   3 结论   进行系统实验测试时,使用主频为1.8l GHz、处理器为64位,512 M内存的PC;采样速率为20MByte/s的高速数字化仪PCI-5124,实现长达30 min的连续数据采集和海量数据存储。利用虚拟仪器LabVIEW和高速数字化仪PCI-5124开发的长时间连续采集存储系统完成了信号实时的采集、显 示、存储以及对采集历史数据进行回放的功能。   与传统数据采集仪器相比,该系统具有性价比高、开发时间短、通用性强、数据处理准确简单、可移植性强(可以将VC、C、MATLAB等程序进行递归调 用)、人性化界面设计、易于操作等优点,LabVIEW简单的编写语言和易于编写的控制,控件,简化了编程过程,用户无需掌握数据采集卡的硬件知识,只需 了解和掌握其驱动程序的功能,就能利用LabVIEW进行数据程序的开发和运用,这将成为未来数据采集发展的趋势。

    时间:2012-07-11 关键词: 数据采集 测量仪表

  • 工业标准信号产生与测量仪表设计

    摘要:介绍了基于MSP430F42x系列MCU工业信号产生与测量仪表,该仪表可以产生工业电压、电流及频率信号,并对这些信号进行准确测量;同时阐述了该仪表的工作原理,给出了该仪表的原理框图和主要电路原理图。实验证明该仪表是实用的和成功的,可以实现预定的设计功能。 关键词:标准信号;MCU;ADC;PWM 0 引言     这篇论文介绍了工业信号的产生与测量原理,主要研究了基于TI公司MSP430F42x的工业信号的产生与测量仪表的设计。     工业信号的产生与测量仪表在生产过程系统中是非常重要的检测仪表,可模拟输出多种工业控制过程测控中所需的检测信号,同时也可测量这些工业控制过程中产生的信号,其大量用于工业仪表的现场调校。     本设计的特点是保证测量精度的情况下使低功耗更低,成本更低。在信号测量部分,16位ADC保证了测量精度;在信号输出部分,电压信号和电流信号采用PWM方式产生。     本设计由两片MSP430F系列MCU组成,MSP430F425实现电压和电流信号的测量,而MSP430F449实现电压和电流信号的输出及频率信号的测量与输出。 1 工业标准信号的采集     该仪表中的信号测量部分采用MSP430F425实现,该单片机功耗非常低,电源电流400μA;待机模式的电源电流为1.6μA。该单片机采用16位精简指令结构(RSIC),具有125ns指令周期;可以安装低频32k或8M高频晶体。具有3路16位Sigma-Delta方式的ADC、直接驱动128段液晶显示器的驱动模块、1个RS232C/SPI通信口、1个具有捕获/比较功能的16位定时器,以及16k程序闪速存储器和2k随机存储器。     (1)测量部分     该仪表的测量部分如图1所示。三路ADC分别测量电流、电压和输出端反馈的电流、电压信号。     该仪表采用16位ADC测量4~24mA的电流信号,电流信号首先转换成小于VREF=1.2V的电压信号,然后连接到ADC的差动输入端,采用50Ω电阻,则24mA时产生1.2V的差动电压。     该仪表采用16位ADC测量0~10V的电压信号,为使输入阻抗大于10MΩ,使用了OP27运放组成了仪表放大器的输入结构,同时还使用差动输出结构的运放THS4130连接ADC的差动输入端。这样THS4130输出信号为VOD=(RF/RG)*(1+2R2/R1)*VI,在满量程为10V时,选择R1=R2=1kΩ RC=30kΩ,RF=1k,则最大VOD=1.0V;在满量程为1.0V时,选择R1=R2=1kΩ,RG=30kΩ,RF=10k,则最大VOD=1.0V,量程由开关S1选择。为满足ADC的需求,将VCM端与VREF相连,使输出电压偏移+1.2V。     该仪表采用一路16位ADC测量该仪表的输出电压或电流,对输出信号进行校正,使输出电压和电流的误差更小。     ADC时钟选择MCLK,采用锁相环使频率稳定到1.048MHz,采样率为4096,定时3路连续转换,32个转换结果相加取平均值。     测量部分的单片机采用SPI接口顺序输出3路ADC的数据到数据处理与显示部分。     (2)数据处理与显示部分     数据处理与显示功能由MSP430F449实现,其原理图如图2所示。     从图2可以知道,数据处理与显示电路中具有4×4键盘和7位液晶显示器。其F449的SPI0引脚P3.3、P3.1与测量部分的F425单片机的P1.6、P2.1引脚相连,F425担当主机,定时向从机F449发送数据。     数据处理与显示部分将测量的数据乘以按键输入的比例系数,并转换成十进制数后,输出到液晶显示器上。液晶显示器在按键控制下,可以单独显示输入的电压或是电流,也可以显示输出的电压和电流,或是顺序定时显示它们。该部分以同样的方式处理被测量的频率和显示输出的频率。 2 产生电压与电流信号     该仪表产生工业标准的4~20mA电流和0~10V电压信号,其原理图如图3所示。     由图3可以看出,电压信号与电流信号都是采用PWM实现。为使输出电压和电流数值准确,采用了反馈控制原理,就是使F425单片机测量输出的电压或者电流,然后将测量数据与电压或电流的设定值比较后,用误差值校正输出。     PWM由F449单片机的定时器B输出模式7实现,对于20mA的满度电流,为达到0.1%的精度,需要每一个定时器B的计数数字代表的电流为22μA。这里取5μA,设置CCRO=4000,若时钟频率为8MHz,则PWM的频率为2000Hz。对于10V电压信号,为达到0.1%精度,需要每一个定时器B的计数数字代表的电压为10mV,这里取2.5mV,设置CCR0=4000,取时钟频率为8MHz,则PWM的频率同样为2000Hz。     由于输出的是直流电压和电流信号,所以采用简单的RC滤波就能满足要求。     F449实现电压输出的过程:键盘输入需要输出的电压值后,计算出相应的CCR1的数值,则输出TB1按照CCR1给定的占空比输出频率为2000Hz的脉冲,经过滤波后输出稳定直流电压;该电压的1/10反馈到16位ADC的输入端,产生当前输出电压的数值数据,该数据经过32次累加平均后,与设定值比较,其误差值与CCR1数值相加产生新的CCR1数值,也就调整了输出电压。由于CCR1数值中的一个数字代表的电压值比10mV误差小的多,所以肯定有一个CCR1数值使输出电压满足要求。     F449实现准确电流输出的过程与实现电压输出的过程基本相同,只是采样输出电流。 3 测量与产生频率信号     (1)频率信号的测量     由F449中的定时器B实现频率的测量,1~1000Hz频率信号从CCP模块输入引脚输入,在第一个被测脉冲上升沿捕获定时器的TBR数值,在第二个脉冲上升沿再次捕获TBR的数值,则两次TBR数值之差就是被测脉冲周期。     (2)频率信号输出     F449的TB6引脚输出频率信号,其范围为1~1000Hz,使定时器B工作在连续计数的比较模式,根据输出频率,不断设置CCR6的数值,则在TBR数值与CCR6数值相同时,使输出端TB6产生置位与复位,输出频率信号。     输入的频率信号与输出的频率信号,都要经过信号处理电路,使其满足接口电路的逻辑电平。 4 结论     本文设计了工业电压、电流与频率信号的测量与产生仪表的工作原理,给出了主要部分的电原理图。设计采用16位ADC测量电流与电压信号,使该仪表可以在工业现场测量变送器是输出信号;而采用反馈误差消除方法输出的电压和电流信号,可以检查数据采集仪表的准确性。经过验证,利用MSP430系列MCU实现的测量与信号产生仪表是成功的和实用的。     另外,需要注意的是在电路板的设计及实际调试当中,对于模拟信号应进行有效的屏蔽与可靠的接地,只有这样才能保证该设备的正常使用与测量精度。

    时间:2013-05-18 关键词: 信号产生 工业标准 测量仪表

  • 一文看懂测量仪表准确度、分辨率、量程、精度的概念

    概述 准确度:仪器的准确程度 — 其测量值与被测信号的真值或参考值的接近程度。 分辨率:仪器能够检测和显示的最小增量 — 百分之一、千分之一、百万分之一。 量程:仪器能够测量的数值或信号(例如安培、伏特和欧姆)的上限和下限。 精度:仪器的可重复性 — 不断复现相同测量值的可靠性。 准确度 准确度指在特定工作条件下的最大允许误差。 准确度表示为百分比,指显示的测量值与被测信号真值(标准值)的接近程度。准确度要求与公认的行业标准进行比较。 根据具体应用的不同,特定数字万用表的准确度的重要性也不完全相同。例如,大多数交流电网电压的变化为±5%或更大。在标准交流115 V电源插座处测量电压就是这种变化范围。如果某只数字万用表仅用来检查插座是否有电,测量准确度为±3%的数字万用表就比较合适。 有些应用,例如汽车、医救航空或专用工业设备的校准,可能就需要较高的准确度。如果DMM的准确度为±2%,那么其读数100.0 V的可能范围为98.0 V至102.0 V。这对有些应用是没问题的,但对于敏感电子设备是不可接受的。 准确度还可能是在基本准确度指标上增加一个数字(字)。例如,±(2%+2)准确度表示如果万用表的读数为100.0 V,其范围可能为97.8 V至102.2 V。较高准确度的数字万用表可支持较多的应用。 福禄克手持万用表的基本直流准确度为0.5%至0.025%。 分辨率 分辨率是工具能够检测和显示的最小增量。 以两个直尺作为非电气测量工具的例子。对于一个标有1/16英寸刻度的直尺和另一个标有1/4英寸刻度的直尺,前者的分辨率更高。 以测试1.5 V家用电池为例。如果数字万用表(DMM)在3 V量程下的分辨率为1 mV,那么在读数为1 V时就可能观察到1 mV的变化。用户能够观察到千分之一伏特的变化,即0.001。 分辨率可能作为最大分辨率列在仪表的技术指标中,这是在仪表的最低量程设置下可能分辨出的最小值。 例如,如果最大分辨率为100 mV (0.1 V),则意味着当万用表的量程被设定为测量最高可能电压时,电压将被显示到最接近的十分之一伏特。 只要测量值在量程范围之内,通过降低数字万用表的量程设置,可提高分辨率。 量程 数字万用表的量程和分辨率是相关的,有时会在DMM的技术指标中列出。 许多万用表提供自动量程功能,根据测量幅值自动选择相应的量程。这样就能够提供最有意义的读数和最佳测量分辨率。 如果测量值高于设定量程,万用表将显示OL (过载)。在保证万用表不过载的情况下选择最低可能的量程,可获得最准确的测量值。 精度 精度是测量值与真值的接近程度。包含精密度和准确度两方面。精度表征方法:精度常使用三种方式来表征。 1)最大误差占真实值的百分比,如测量误差3%; 2)最大误差,如测量精度±0.02mm; 3)误差正态分布,如误差0%~10%占比例65%,误差10%~20%占比例20%,误差20%~30%占10%,误差30%以上占5%。 全自动定氮仪除了判断终点方法重要性以外,滴定的精度是仪器最重要的技术指标。如果滴定精度高的话,那仪器可信度高,如果滴定精度低到不能忍受的时候,那就不成为仪器。一些进口全自动定氮仪滴定精度:2ul/步、2.4ul/步、一些国产全自动定氮仪滴定精度:1ul/步。

    时间:2018-04-10 关键词: 精度 分辨率 准确度 量程 测量仪表

  • 温度测量方法与测量仪表的选择

    温度测量和压力、流量、物位测量一样,常常受到被测介质各种特性及环境条件的约束,接触式测温方法尤其如此。由于温度是物体受热程度的反映,温度测量也必须涉及测温元件与被测对象之间的热量交换,因此传热好坏、热损失、热惯性及温度场的分布都会影响到测温结果。但是对于温度测量、生产工艺及流体特性对测量方法的影响,比起流量、液位测量要小,温度测量在大部分工况中都能工作。因此,诸如价格、精度、响应时间、可维护性,甚至某些传统习惯都可以成为选择温度测量方法的理由。(1)就地温度仪表的选择a.在满足测量范围、工作压力、精度要求下,应优先选用双金属温度计。b.对于-80℃以下,无法近距离观察,有振动以及对精度要求不高的场合可以选择压力式温度计。c.玻璃温度计由于易受机械损伤,造成汞害,一般不推荐使用(除了作为成套机械配套供应外)。(2)温度检测元件的选择热电偶适合一般场合,热电阻适合要求测量精度高、无振动场合。测量响应时间:热电偶为600s、100s、20s,热电阻为-90~180s、30~90s、10~30s、<10s。在温度大于870℃,氢含量大于5%的还原性气体、惰性气体及真空情况下宜选用吹气热电偶或钨铼热电偶。设备、管道外壁、转动物体表面温度测量可选择表面热电偶或铠装热电偶、热电阻。测量含坚固颗粒场所可选择耐磨热电偶。(3)热电偶形式选择a.铂铑-铂(S型)。1300℃/短期可测1600℃。特点是精度高,稳定性好,测温范围宽,使用寿命长,高温下抗氧化性好。缺点是热电势小,灵敏度较低,高温下机械强度降低,对脏污敏感。采用贵金属,价贵。b.铂铑-铂(R型)。1300℃/短期1600℃。特点是综合性能与S型相仿,故国内大多采用S型而不用R型。c.镍铬-镍硅(K型)。最大量使用的廉金属热电偶,其特点是线性度好,热电势大,灵敏度较高,稳定性,均匀性较好,抗氧化性强,价低,适合测量-200~1300℃。缺点是不适宜在含硫及还原气体环境中使用,也不适宜在氧化、还原交换的过程或真空状态、弱氧化环境中使用。d.镍铬-镍硅(N型)。国际上公推的标准化仪器,有较好的发展前景,廉金属热电偶,线性度好,热电势大,灵敏度高,稳定性、均匀性、抗氧化性皆好,价低,综合性能皆优于K型热电偶,适合测量-200~1300℃。缺点是有些工作环境如含硫、还原性气体、真空状态不适宜使用。e.镍铬-镍铜(E型)。-200~900℃。特点是热电势大,灵敏度高,居热电偶之最,适于高湿度环境,对湿度不敏感,稳定性、抗氧化性皆优,可用于氧化性、惰性气体环境中,价低。缺点是不适宜在含硫及还原性气体中使用。均匀性较差。f.铁-铜镍(J型)。-210~1200℃。廉金属热电偶,线性度好,热电势大,灵敏度高,稳定性、均匀性较好,可用于真空状态、氧化、还原或惰性气体环境中,但不适合含硫环境。g.铜-镍铜(T型)。最理想的低价测低温的热电偶(-200~350℃)。特点是线性度好,热电势大,灵敏度高,稳定性、均匀性皆好,价低,特别适于-200~0℃。缺点是高温时抗氧化性较差。

    时间:2018-06-01 关键词: 温度测量 测量仪表

  • 油气流量测量仪表的在线实流检定问题研究

    流量测童仪表的检定或校准是流童量值传递或溯源桩中最重要的环节,通常可将其分为实流检定和干式检定(干检)两种方式。介绍了实流检定和干式检定的概念,并论述了各自的应用场合,强调了流童仪表在线实流检定的必要性及计全学特点。主题词实流检定干式检定在线检定离线检定概述流量测量仪表的检定或校准是流量量值传递或溯源链中最重要的环节,通常可将其分为实流检定和干式检定(干检)两种方式。实流检定是在检定过程中让试验流体流过被检流量仪表,并以流量标准装置或标准器具确定的标准流量为依据,评定流量仪表的准确度、稳定度等计量性 能,或对流量仪表进行校准或定度,并确定其是否合格。如果实流检定的试验流体就是流量仪表所测量的流体,且检定在流量仪表的实际安装位置和实际操作条件下 进行,则称为在线实流检定,否则称为离线检定。严格地讲,在线实流检定的基本特征是流量仪表在检定和实际使用过程中的安装、使用等条件相一致。在干式检定过程中,并没有试验流体流过被检流量仪表,但是要检测流量仪表与流体相接触并影响流量测量结果的几何构造和各部分尺寸,校准与流量计算有关诸参数的测量仪表和涉及测量结果的附属装置,并检查仪表的安装、操作是否按规定进行。干检属于间接的组合测量方法,省去了实流测试过程,但是它只能给出流量测量的不确定度范围,不能对流量仪表进行校准或定度。目前,用于原油贸易计量的流量仪表基本上实现了在线实流检定,即在现场用体积管检定流量计,用于过程监测和物料平衡的原油流量测量仪表上大都采 用离线检定方式。成品油流量仪表大部分采用离线检定方式,只有少数装车栈桥上的流量仪表实现了在线实流检定,所用的计量标准器为标准雄或电子秤。绝大多数 用于贸易计量的天然气流量仪表采用干检方式,极少数采用临界流喷嘴在线实流检定。在线实流检定的必要性采用何种方法检定流量仪表取决于计量系统所要求的测量不确定度、被检流量计的类型、所具备的检定条件、检定所需费用等诸多 因素,但是从计量学意义上讲,在线实流检定最符合准确性、一致性、溯源性和实验性等计量特点,尤其是在油气贸易计量中应优先推荐这种检定方法。采用组合测量方法对流量仪表进行干式检定,是根据各有关参数的测量结果及其不确定度,按照一定的误差处理方法合成出该仪表流量测量的总不确定度。它只能以一定的置信度间接地确定流量仪表的不确定度范围,不能给出其具体误差值。干式检定往往是以丰富的试验数据和标准化的技术要求为前提的, 从这一点上来看,它仍保持了计量的试验性和一致性特点。标准孔板节流装置、临界流文丘利喷嘴等都已有相当成熟的干检技术,气体超声流量计的干检试验虽已初 见成效,但主要研究成果都是流计制造厂家提供的,尚没有形成标准,电磁流量计等仪表的干检只有个别制造厂家在摸索探讨。以孔板流量计为例,其统一的流出系数公式建立在极其丰富和充分的试验数据基础上,且给出了流出系数的误差范围,但我们只知道流出系数的误差不大 于0.6%,并不知道具体大小,也不知道是正是负。在合成孔板流量测量的不确定度时,也只能以一定的置信度给出一定的不确定度范围,例如对于仪表配置水平 较高的孔板流量计,我们通常说在置信度为95%时其不确定度不超出1.0%或1.5%。但要知道具体的流量匆量误差,或要进一步提高某一孔板流量计的流量 测量准确度,则必须对其进行实流检定。虽然离线检定可以给出流量仪表在检定条件下的误差值或流量计系数,但是其实际操作条件和安装条件不同于检定条件,介质的有关物性参数甚至介质本 身也有所不同,因此这种检定不是真正意义上的校准或赋值。严格地讲,流量仪表的离线检定结果只能说明其在检定条件下的计量特性,当实际使用现场的安装条 件、操作条件、环境条件不同于检定条件时,其计量性能会有所变化,给流量测量结果带来附加的误差。如果对流量测量结果要求不高,或者严格地说即使有该附加 误差也能满足预定的测量要求,则离线检定不失为一种简单易行的选择。然而遗憾的是,我们往往并不知道该附加误差的大小甚至方向,判断其是否会引起测量超差 也就无从谈起,此时多数是以一定的经验主观判断是否能接受离线检定结果。只有在线实流检定才能实现真正的流量仪表校准或赋值,因为只有此时的校准或赋值才真正计人各种因素对流量仪表性能的影响,才能保证量值传递链或 溯源链的连续和封闭。我们可以在配备体积管的原油外输计量站实现流量计系数交油,而对离线检定的成品油流量仪表和采用干式检定的天然气流量仪表不能按系数 交接,恰恰说明了这一点。在线实流检定的计量学特点1对物性参数影响的修正几乎所有流量仪表的测量结果都受到被测介质有关物性参数变化的影响,只是影响程度有大有小。物性参数对有些流量测量结果的影响是以显函数表现 的,这主要体现在气体流量测量上,如孔板流量计中天然气相对密度、压缩因子、等嫡指数等参数的影响。对于·以显函数表现的影响,只要已知这些参数的实际 值,就能对其进行修正。但对大多数流量仪表而言,物性参数对其计量性能的影响难以用数学公式精确地表达出来,而且流量仪表运行条件的变化往往也伴随着物性 参数的变化,很难单独分离出各自的影响量,因此实流检定成为完全消除物性参数影响的唯一选择。在液态烃计量中,容积流量计和涡轮流量计对液体粘度的变化都十分敏感,特别是在低粘度下和仪表测量范围的下限,目前尚没有通用的粘度修正公式。 在天然气流量测量中,天然气密度变化对涡轮、涡街等流量计有明显的影响,因此要慎重考虑流量计在低压下用空气介质检定的结果是否能直接用于高压下的天然 气,即在根据所要求的流量测量不确定度选择流量计及其检定方式时,是否考虑了因检定条件与使用条件不同而存在的附加误差。2对操作条件影响的修正流量仪表的操作条件或运行条件直接影响其计量性能,操作压力或温度变化对流量仪表的最直接影响就是其计量腔体的改变,其间接影响是被测介质粘 度、密度等物性参数的变化,但间接影响可在修正物性影响时考虑。由于流量仪表结构和形状的复杂性及加工装配的离散性,几乎不可能采用计算的方法对其腔体随 操作条件的变化精确地进行修正,也不可能根据试验数据针对所有流量计拟合出满足准确度要求的经验公式。对于容积流量计而言,计量腔体变化会导致作为测量基准的容积单元的改变,还会引起内部漏失量的变化,从而影响流量测量结果。对于速度式涡轮流量 计,操作条件改变将引起其流通面积的变化,从而导致仪表系数的变化。如果检定时流量仪表的操作条件能与实际使用时相同或接近,则离线检定即可满足要求。但 是,由于操作条件的复杂性和多变性,离线检定往往不能复现实际操作条件,只有在线实流检定才能解决高准确度的流量测量问题,否则要考虑附加的误差。从广义 上讲,被测介质的均匀度、含气(液)量、杂质含量等来流条件,也属于流量计操作条件的范畴,但其对流量仪表性能的影响更加复杂,有时在线实流检定也难以解 决。以国外某原油贸易计量站为例,只要涡轮流量计的操作温度变化达到土2.0℃或压力变化达到士35okpa,所有的流量计都要重新检定,以避免因操作条件变化而出现的附加误差。3对安装条件影响的考虑安装条件从两个方面影响流量仪表的计量性能:①涡轮、涡街、超声等速度式流量计和孔板、喷嘴等差压式流量计,都要求被测介质在进人流量计人口处 时,达到充分发展或特定的速度分布,尽可能避免速度畸变、旋涡流和脉动流,而影响来流的因素包括管路的走询及布置形式、流量计前后阻流件形式、前后直管段 长度及整流器形式、离脉动源的距离及阻尼方式等安装条件;②科氏力质量流量计等对安装应力、机械震动比较敏感,不当安装所造成的多余应力会影响到流量计振 动管的自由振动,影响流量计的频率输出,机械震动也会干扰输出信号的检测,从而影响流量计的示值。若采用离线检定方式,则不可能复现现场的来流、应力等实际安装条杯,会使检定结果偏离实际情况,其具体偏离量也难以量化。尽管已有许多经验数据 可以利用,但现场条件千变万化,只有在线实流检定能将安装条件的影响计人检定结果,对流量测量的实际结果予以修正,实现准确地测量。4对环境影响的考虑在进行流量仪表的型式鉴定、样机试验或质检抽查时,一般要进行机械环境、气候环境和电磁干扰的试验,确定其整体性能。对于一般的计量检定,则只 确定流量仪表的计量

    时间:2018-06-07 关键词: 测量仪表 油气流量 在线实流检定

  • 测量仪表基础(一):数字电压表,7106/7107数字表头的应用

      数字电压表(数字面板表)是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。这里展示的一份由 ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表(数字面板表)电路,就是一款最通用和最基本的电路。   与 ICL7106 相似的是 ICL7107 ,前者使用 LCD 液晶显示,后者则是驱动 LED 数码管作为显示,除此之外,两者的应用基本是相通的。   电路图中,仅仅使用一只 DC9V 电池,数字电压表就可以正常使用了。按照图示的元器件数值,该表头量程范围是±200.0mV。当需要测量 ±200mV 的电压时,信号从 V-IN 端输入,当需要测量 ±200mA 的电流时,信号从 A-IN 端输入,不需要加接任何转换开关,就可以得到两种测量内容。      也有许多场合,希望数字电压表(数字面板表)的量程大一些,那么,只需要更改 2 只元器件的数值,就可以实现量程为 ±2.000V 了。更改的元器件具体位置和数值见下图的 28 和 29 两只引脚:      在有了一只数字电压表(数字面板表)之后,按照下面的图示,给它配置一组分流电阻,就可以实现多量程数字电流表,分档从 ±200uA 到 ±20A 。但是要注意:在使用 20A 大电流档的时候,不能再有开关来切换量程,应该专门配置一只测量插孔,以防烧毁切换开关。    ±200.0mV 至 ±1000V 的多量程电压表#e#   与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表,按照下图配置一组分压电阻,就可以得到量程从 ±200.0mV 至 ±1000V 的多量程电压表。      测量电阻与测量电流或者电压一样重要,俗称“三用表”,利用数字电压表做成的多量程电阻表,采用的是“比例法”测量,因此,它比起指针万用表的电阻测量来具有非常准确的精度,而且耗电很小,下图示中所配置的一组电阻就叫“基准电阻”,就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值,再由 Vref 电压与被测电阻上得到的 Vin 电压进行“比例读数”,当 Vref = Vin 时,显示就是 Vin/Vref*1000=1000 ,按照需要点亮屏幕上的小数点,就可以直接读出被测电阻的阻值来了。   在产品数字万用表中,为了节省成本和简化电路,测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。这里不讨论数字万用表的电路,仅仅是帮助读者在单独需要使用某种功能时,可以有一定的参考作用。      下图是一个最简单的 10 倍放大电路,运算放大器使用的是精度比较高的 OP07 ,利用它,可以把 0~200mV 的电压放大到 0~2.000V。在使用的数字电压表量程为 2.000V 时,(例如 ICL7135 组成的 41/2 数字电压表,基本量程就是 2.000V。)特别有用。   如果把它应用在基本量程为 ±200.0mV 的数字电压表上,就相当于把分辨力提高了 10 倍,在一些测量领域中,传感器的信号往往觉得太小了,这时,可以考虑在数字电压表前面加上这种放大器来提高分辨力。      在电流或者电压的测量中,经常遇见测量的并不是直流而是交流,这时候,绝对不可以把交流信号直接输入到数字电压表去,必须先把被测的交流信号变成直流信号后,才可以送入数字电压表进行测量。下图就是一个把交流信号转换成为直流信号的参考电路。(说明:更好的交流转换成为直流的电路是一种“真有效值”转换电路,但是由于其专用芯片价格昂贵,多应用在一些高档场合。)   本电路中,输入的是 0~200.0mV 的交流信号,输出的是 0~200.0mV 的直流信号,从信号幅度来看,并不要求电路进行任何放大,但是,正是电路本身具有的放大作用,才保证了其几乎没有损失地进行 AC - DC 的信号转换。因此,这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器,其不灵敏区仅仅只有 2mV 左右,在普通数字万用表中大量使用,电路大同小异。      在温度测量和其他物理及化学量的测量中,经常会出现“零点”的时候信号不是零的情况,这时候,下面的“电桥输入”电路就被优先采用了。可以根据被测信号的特点,用传感器替换电桥回路中的某一个电阻元件。数字电压表的两个输入端也不再有接地点,作为一种典型的“差分”输入来使用了。   电桥输入电路的变种还可以延伸到下面的电路,这是一个把 4~20mA 电流转换为数字显示的电路。它的零点就是 4mA 而不是 0mA 。当输入零点电流为 4 mA 的时候,利用 IN- 上面建立起来的电压,抵消掉 IN+ 由于 4mA 出现的无用信号,使得数字电压表差分输入=0,就实现了 4mA 输入时显示为 0 的要求。随着信号的继续增大,例如到了 20mA ,对数字电压表来说,相当于差分输入电流为 20-4=16mA ,这个 16mA 在 62.5R 电阻上的压降,就是数字电压表的最大输入信号。这时候,把数字电压表的基准电压调整到与 16*62.5=1000mV 相等,显示就是 1000 个字!      应用提示:   1.数字电压表(数字面板表)的具体应用电路是何止千万的,只要掌握了一些最基本的应用,就可以举一反三地越来越熟练,熟就能生巧,就能按照您的构思去得心应手地用好它!   2.尽管数字电压表的输入阻抗可以达到 1000 兆欧姆,但是,这个阻抗仅仅是对输入信号而言的,与通常电力系统泛称的“绝缘电阻”有着天壤之别!因此,千万不能把高于芯片供电电压的任何电压输入到电路中!以免造成损失或者危险!   3.数字电压表(数字面板表)属于一种测量工具,其本身的好坏直接影响到测量结果,因此,上面所有例子中,其使用的电阻要求精度均不能低于 1% ,在分流、分压和标准电阻链中,最好能够使用 0.5% 或者 0.1% 精度的电阻。电路中使用的电容器也要求使用一种俗称为 CBB 的电容,除各别地方之外,一般是不能使用瓷介电容的。   4.不要在电路本身没有送上工作电源的时候就加上信号,这很容易损坏芯片。断掉工作电源前也必须先把信号撤掉。   5.数字电压表(数字面板表)的使用和扩展应用,还必须很好阅读产品供货商提供的说明书,千万不要急于送电使用它。

    时间:2018-06-13 关键词: 数字电压表 测量仪表 数字表头

  • 测量仪表安全设计须知(一)

      电子工程师在平时进行电子设计中离不开测试测量所用的仪器仪表,而如何准确用好这些测试仪表,使电子工程师提高设计效率,缩短产品设计周期,正确地运用测量仪表进行安全设计,则成为合格电子工程师必备的硬功夫。为给工程师朋友提供较为全面的测量仪表相关应用知识,或学习,或参考,或温故而知新,电子发烧友会陆续整合推出《测量仪表安全设计须知》系列章节,敬请留意。 一、安规测试基础问题   Q:为何产品要进行电气安规测试?   A:这是许多产品制造商最想问的一个问题,当然最普遍的回答是“因为安规标准中有规定。”若您能深入了解电气安规的背景,便会发现它背后所隐含的责任与意义。电气安规测试虽然在生产线占了一点时间,但它却能让您降低产品因电气危害而回收的风险,第一次就做对,才是降低成本并维护商誉的正确方法。   Q:何谓电气伤害(Electrical Shock)?   A:造成电气伤害的因素有很多种,其中最主要的是电流经过人体所造成的电气伤害。此类电气伤害对人类具有直接的影响性,伤害的严重性依电能的大小、湿度、接触面积等有所不同。想像你在浴缸里泡澡时,突然运作中的吹风机掉落在浴缸里,这样的情况,使得电流从吹风机经过你的身体而流向地面。此时,你的心脏出现不规则心悸、血压下降,造成不可挽回的悲剧。   Q:何谓Ⅰ类产品与Ⅱ类产品?   A:ClassⅠ 设备是指可接触之导体零件连接至接地保护导体;当基本绝缘失效时,接地保护导体必须能承受失效误电流,也就是当基本绝缘失效时,可接触零件不可变成活电部。简单地说,电源线有接地脚之设备为ClassⅠ设备 。   ClassⅡ设备不仅依赖『基本绝缘』来防范电缶,且另提供其它的安全预防措施,如『双重绝缘』或『强化绝缘』。对于保护性接地或安装条件的可靠性并无条件规定。   Q:电气伤害的测试主要有哪些?   A:电气伤害的测试主要分为以下四种:耐压测试(Dielectric [size=+0]Withstand / Hipot Test):耐压测试在产品的电源端与地端电路上,施以一高压并量测其崩溃状态。绝缘电阻测试(Isolation Resistance Test):量测产品电气绝缘状态。漏电流测试(Leakage Current Test ):检测AC/DC电源流至地端的漏电流是否超过标准。接地保护测试(Protective Ground):检测可接触之金属机构等部位是否有确实接地。   Q:安规标准对於耐压测试环境是否有特殊的要求?   A:针对制造商或是测试实验室的测试人员安全, 在欧洲早已行之多年,不论是电子电器、资讯科技产品、家用电器、机械工具或其他设备的制造商及测试人员, 在各项的安规法规里都有章节去规定,不论是UL、 IEC、EN都有,其中内容包括测试区域标示(人员位置、仪器位置、DUT位置)、设备标示(清楚标示"危险"或是测试中的项目)、设备工作台等相关设施的接地状态、各测试设备的电气绝缘能力(IEC 61010)。   Q:什么叫耐压测试?   A:电子元件技术网给出的解释是:耐压测试或高压测试(HIPOT测试)   ,是用来验证产品的质量和电气安全特性(如JSI、CSA、BSI、UL、IEC、TUV等等国际安全机构所要求的标准)的一种100%的生产线测试,也是最多人知道的和经常执行的生产线安全测试。HIPOT测试是确定电子绝缘材料足以抵抗瞬间高电压的一个非破坏性的测试,是适用于所有设备为保证绝缘材料是足够的的一个高压测试。进行HIPOT测试的其它原因是,它可以查出可能的瑕疵譬如在制造过程期间造成的漏电距离和电气间隙不够。   Q:为何要做耐压测试?   A:正常情况下,电力系统中的电压波形是正弦波。电力系统在运行中由于雷击、操作、故障或电气设备的参数配合不当等原因,引起系统中某些部分的电压突然升高,大大超过其额定电压,这就是过电压。过电压按其发生的原因可分为两大类,一类是由于直接雷击或雷电感应而引起的过电压,称为外部过电压。雷电冲击电流和冲击电压的幅值都很大,而且持续时间很短,破坏性极大。但由于城镇及一般工业企业内的3-10kV与以下的架空线路,因受厂房或高大建筑物的屏蔽保护,所以遭受直接雷击的概率很小,比较安全。而且这里讨论的是民用电器,不在上述范围内,就不进一步讨论。另一类是因为电力系统内部的能量转换或参数变化引起的,例如切合空载线路,切断空载变压器,系统内发生单相弧光接地等,称为内部过电压。内部过电压是确定电力系统中各种电气设备正常绝缘水平的主要依据。也就是说,产品的绝缘结构的设计不但要考虑额定电压而且要考虑产品使用环境的内部过电压。耐压测试就是检测产品绝缘结构是否能够承受电力系统的内部过电压。   Q:AC耐压测试有什么优点呢?   A:通常AC 耐压测试比DC耐压测试更容易获得安全机构的接受。主要理由是大多数被测物品将工作于AC电压之下,而且AC耐压测试提供两种极性交替给绝缘施加压力的优点,更接近产品在实际使用中会碰到的压力。由于AC测试不会给容性负载充电,从开始施加电压到测试结束电流读数保持一致。因此,由于不存在监视电流读数所要求的稳定化问题,也就不需要逐渐升高电压。这意味着,除非被测产品感应到突然施加的电压,操作员可以立即施加全电压并读出电流而不用等待。由于AC电压不会给负载充电,在测试之后用不着给被测设备放电。   Q:AC耐压测试有什么缺点呢?   A:在测试容性负载时,总电流由电抗性电流和泄漏电流组成。当电抗性电流量远大于真实泄漏电流时,可能难于测出有过量泄漏电流的产品。在测试大容性负载时,所需要的总电流远大于泄漏电流本身。由于操作员面对更大的电流,这可能是一个更大的危险。   Q:DC耐压测试有什么优点呢?   A:当被测设备(DUT)充满了电,流过的就只有真正的泄漏电流。这使DC耐压测试器能够清楚地显示出被测产品的真正泄漏电流。由于充电电流是短暂的,DC耐压测试器的功率要求通常可以比用来测试同样产品的AC耐压测试器的功率要求小得多。   Q:DC耐压测试仪有什么缺点呢?   A:由于DC耐压测试的确给被测物(DUT)充电,为了消除在耐压测试后处置被测物(DUT) 之操作员触电的危险,在测试后就必须给该被测物(DUT)放电。DC测试会对电容充电。如果DUT实际上用交流电源的话,DC法就没有模拟实际情况。   Q:AC耐压测试和DC耐压测试的区别   A:耐压测试有两种:AC耐压测试和DC耐压测试。由于绝缘材料的特性决定了交流和直流电压的击穿机理不同。大多数绝缘材料和系统都包含了一系列不同的介质。当对之施加交流试验电压时,电压将按材料的介电常数和尺寸等参数的比例来分配电压。而直流电压只按材料的电阻的比例来分配电压。而且实际上,绝缘结构发生击穿,往往是电击穿,热击穿,放电等多种形式同时存在,很难截然分开。而交流电压比直流电压增加了热击穿的可能性。所以,我们认为交流耐压测试比直流耐压测试更加严格。实际操作中,在进行耐压测试时,如果要使用直流做耐压测试时,试验电压要求比交流工频的试验电压高。一般直流耐压测试的试验电压是通过把交流试验电压的有效值乘以一个常数K。通过对比测试,我们有如下的结果:电线电缆产品,常数K选用3; 航空工业,常数K选用1.6 至1.7;CSA对民用产品一般使用1.414。   Q:怎样确定耐压测试使用的测试电压呢?   A:决定耐压测试的测试电压取决于您产品所要投入的市场,你必须遵守该国进口管制条例组成部分的安全标准或规定。安全标准中规定了耐压测试的测试电压和测试时间。最理想的状况是请你的客户给您相关测试要求。一般耐压测试的测试电压如下:工作电压在42V到1000V之间的,测试电压是工作电压的两倍加上1000V。这种测试电压要施加1分钟。例如,对于工作于230V的一种产品,测试电压是1460V。如果减短施加电压的时间,就必须增大测试电压。例如,在UL 935中的生产线测试条件:   条件   施加时间(秒)   施加电压   A   60   1000V + (2 x V)   B   1   1200V + (2.4 x V)   V=最大额定电压   Q: 什么是耐压测试的容量,要如何计算?   A:耐压测试器的容量是指其功率输出。而耐压测试器容量决定于最大的输出电流x最大输出电压。例如:5000Vx100mA=500VA   Q:为什么使用AC耐压测试与DC耐压测试所量测之漏电流值会不同?   A:被测物的杂散电容是导致AC与DC耐压测试所量测值不同的主要原因。用AC测试时可能无法充饱这些杂散电容,会有一个持续电流流过这些杂散电容。而用DC测试,一旦被测物上的杂散电容被充饱,剩下的就是被测物实际的漏电电流,故使用AC耐压测试与DC耐压测试所量测之漏电流值会有不同 。   Q:什么是耐压测试之漏电流   A:绝缘体是不导电的,但实际上几乎没有什么一种绝缘材料是绝对不导电的。任何一种绝缘材料,在其两端施加电压,总会有一定电流通过,这种电流的有功分量叫做泄漏电流,而这种现象也叫做绝缘体的泄漏。   对于电器的测试,泄漏电流是指在没有故障施加电压的情况下,电气中带相互绝缘的金属零件之间,或带电零件与接地零件之间,通过其周围介质或绝缘表面所形成的电流称为泄漏电流。按照美国UL标准,泄漏电流是包括电容耦合电流在内的,能从家用电器可触及部分传导的电流。泄漏电流包括两部分,一部分是通过绝缘电阻的传导电流I1;另一部分是通过分布电容的位移电流I2,后者容抗为XC=1/2pfc与电源频率成反比,分布电容电流随频率升高而增加,所以泄漏电流随电源频率升高而增加。例如:用可控硅供电,其谐波分量使泄漏电流增大。   Q:耐压测试之漏电流与电源泄漏电流(接触电流)有何不同?   A:耐压测试是侦测流过被测物绝缘系统之漏电流,以一高于工作电压之电压施加于绝缘系统;而电源泄漏电流(接触电流)则是在被测物正常操作下,以一最不利的条件(电压、频率)对被测物量测漏电流。简单地说,耐压测试之漏电流为无工作电源下所量测之漏电流,电源泄漏电流(接触电流)为正常操作下所量测之漏电流 。   Q:接触电流的分类   A:对于不同结构的电子产品,接触电流的量测也是有不同的要求,但总括来说接触电流可分为对地接触电流Ground Leakage Current、表面对地接触电流Surface to Line Leakage Current以及表面间接触电流Surface to Surface Leakage Current测试三种。   Q:为什么要做接触电流测试?   A:对于 I 类设备的电子产品可触及的金属部件或是外壳还应具备良好的接地线路,以作为基本绝缘以外的一种防电击保护措施。但是[size=+0]我们也经常遇到一些使用者随意将 I 类设备当成 II 类设备使用,或是说其 I 类设备电源输入端直接将接地端 (GND) 拔除,这样就存在一定的安全隐患。即便如此,作为生产厂商有义务去避免这种情况对使用者造成的危险。这就是为什么要做接触电流测试的目的所在。   Q:为什么耐压测试之漏电电流设定无一标准?   A:在AC耐压测试时因被测物种类不同,且被测物内都会有杂散电容存在以及测试电压不同就会有不同的漏电电流故无一标准。   Q:如何决定测试电压?   A:决定测试电压最好的方法就是依据测试所需之规格设定。一般而言,我们会依2倍的工作电压加上1000V作为测试电压设定。例如一产品的工作电压是115VAC的话,我们就以2 x 115 + 1000 = 1230 Volt作为测试电压。当然,测试电压也会因绝缘层的等级之不同而有不同的设定。   Q:Dielectric Voltage Withstand Testing、High Potential Testing、Hipot Testing有什么不同?   A:这三个名词都是相同的意思,只是在测试产业中常交替使用。   Q:绝缘阻抗(IR)测试是什么?   A:绝缘电阻测试和耐压测试非常相似。把最高达1000V的DC电压施加到需要测试的两点。IR测试给出的通常是以兆欧为单位的电阻值,而不是耐压测试得出的Pass / Fail表示。一般典型的是,测试电压为500V 直流,绝缘电阻(IR)的值不得低于几兆欧。绝缘阻抗测试为非破坏试验,且能侦测绝缘是否良好,在某些规范中,是先做绝缘阻抗测试再进行耐压测试,而绝缘阻抗测试无法通过时,往往耐压测试也无法通过。   Q:接地阻抗(Ground Bond)测试是什么?   A:接地连接测试,有人称之为接地连续性(Ground Continuity)测试,测量在DUT的机架与接地柱之间的阻抗。接地连接测试确定,该产品要是坏了的话DUT的保护电路是否能够胜任地处理故障电流。接地连接测试器将产生通过接地电路的,最大达到30A的DC电流或AC 均方根值电流(CSA要求量测40A),从而确定接地电路的阻抗,其一般在0.1奥姆以下。   Q:耐压测试与绝缘电阻测试之间有什么不同呢?   A:IR测试是一种定性测试,它给出绝缘系统的相对质量的一个表示。通常用500V或1000V的DC 电压进行测试,结果用兆欧电阻来量测。耐压测试也给被测物(DUT)施加高压,但所加电压比IR 测试的高。其可以在AC或DC电压下进行。结果用毫安培或微安来量测。在有些规格中,先进行IR测试,接着再进行耐压测试。如果一个被测物(DUT)无法通过IR测试,则此被测物(DUT)也无法通过在更高的电压下进行的耐压测试。   Q:为何接地阻抗测试要有开路电压限制? 为何建议使用交流(AC)电流?   A:接地阻抗测试的目的是要确保当设备产品发生异常状况时,保护接地线可允许承受故障电流流过以确保使用者的安全。安规标准测试电压要求开路电压最大值不可以超过 12V 的限制,即是基于使用者的安全考虑,一旦被测物发生测试故障时,可以减低操作人员遭受电击的危险。而一般标准要求接地电阻要小于 0.1ohm,建议采以频率可以选择 50Hz或 60Hz 的交流电流测试 ,以符合产品实际的工作环境。   Q:耐压测试与电源泄漏测试测出的泄漏电流两者有什么不同呢?   A:耐压测试与电源泄漏测试之间是有一些差异,但一般而言, 这些差别可被概括如下。耐压测试是利用高电压对产品的绝缘加压以确定是否产品的绝缘强度足够防止过量的泄漏电流。 泄漏电流测试是量测产品在使用下,在正常和电源单一故障状态下所流经产品的泄漏电流量。   Q:在直流耐压测试时,如何断定电容性负载的放电时间?   A:放电时间之不同是视被测试物之电容量以及耐压测试机之放电电路而定。电容量越大所需的放电时间越长。 二、电子护照安全机制及测试   本文结合电子护照的多种安全机制,分析其优缺点,给出了系统安全测试验证解决方案,为电子护照产品的测试验收、逐代推出和升级改造提供参考依据。   电子护照安全机制 在ICAO制订的标准DOC9303中,定义了两类安全机制,即数据认证机制和访问控制机制。数据认证机制包括被动认证(Passive Authentication,PA)和主动认证(Active Authentication,AA);访问控制机制包括基本访问控制(Basic Access Control,BAC)和扩展访问控制(Extended Access Control,EAC),最近又基于PACE(Password Authenticated Connection Establishment)协议,作为BAC的补充制定了SAC(Supplemental Access Control)规范。在ICAO标准中,对PA/AA/BAC/SAC有明确定义并制定了详细的测试标准,在欧洲BSI标准中则制订了EAC相关标准,分别为EAC v1.11和EAC v2.0,另外制定了针对v1.11的测试标准EAC v1.12,EAC作为可选安全选项在荷兰、比利时、芬兰等国已使用,美英日尚未使用,默认接受克隆欺诈。   基于以上安全机制,可将电子护照划分为四代,第一代为明文,仅支持PA;第二代支持BAC/AA;第三代支持SAC;第四代支持EAC。其中第一代实现了电子化,但安全准确性由检查系统(IS)来保证,明文通信易被偷听和克隆;第二代加入了BAC或AA,BAC基于DES和Hash实现线路保护,AA则实现芯片真伪验证,能防偷听克隆;第三代引入SAC增强了BAC线路保护低熵特性,基于DH/ECDH算法建立了更强的线路保护;第四代为EAC,实现芯片身份真伪验证并基于非对称算法对检查系统身份真伪进行验证。目前实际发行国家多采用第二代BAC,而第四代EAC多在欧洲国家使用,第三代SAC刚出现不久,预计将会逐步取代第二代BAC。 电子护照安全机制的局限性 在安全防伪技术中,有三个要求:身份认证、数据保密性、数据完整性(见表1)。   BAC通过挑战应答协议实现,即以MRZ的哈希值为种子进行密钥分散得到基本访问密钥对(KENC,KMAC), 然后通过GetChallenge和Mutual Authentication两条指令实现挑战应答协议,建立会话密钥并结合包含随机数的消息序列计数器进行基于对称密钥算法的线路保护。BAC的缺点是通过MRZ中的证件号、出生日期和有效期来生成共享密钥,具有有限的随机性且基于对称密钥算法,改进方法包括:MRZ要OCR读二维条形码而非目视;增加私钥计算长度。   SAC基于PACE协议 SAC基于PACE协议技术并通过引入非对称算法建立跟密码无关的更强的会话密钥。当卡片既支持PACE又支持BAC时,必须使用PACE,通关检查系统必须具有PACE功能。PACE协议中使用了DH或ECDH算法,这种算法也在EAC的CA(Chip Authentication)中使用,可以认为SAC正是ICAO将CA通过PACE协议形式引入的,这种技术仍是基于芯片运算的(需支持AES),故该功能在电子护照推广中对芯片运算功能有要求。SAC的特点是采用密钥交换算法,其有效性依赖于计算离散对数的难度,需要防重演攻击和中间人攻击,SAC采取的措施是通过随机数来协商一个临时全局参数用来防重演攻击,认证令牌用来防中间人攻击。 EAC的特点是加入了证书期限并进行了管理,包括芯片认证(CA)和终端认证(TA)两个步骤,其中CA是类似AA的技术,用于验证电子护照中芯片的真实性,支持算法有:DH算法和ECDH算法,需要读取DG14中公钥信息通过密钥交换算法产生新的加密通道用的密钥对(KENC,KMAC);      TA则用于认证外部终端并检查权限是否可访问敏感数据,在认证外部终端时通过CVCA->DV->IS的证书链形式来认证(其中CVCA=国家检查CA->发布DV证书, DV=证件检查机构->发布IS证书,IS=自动化边防检查系统->读取护照芯片资料并做通关),认证过程中可能会更新芯片中某些信息如最新日期、EF.CVCA中的信任点甚至切换使用算法类型等,支持的算法有:RSA、RSA-PSS和ECDSA等。TA需要外部证书PKI系统甚至ICAO PKD的支持,该功能用于认证通关检查系统或读卡设备的合法性,实现了完整的双向信任评价机制。 电子护照安全机制测试 目前电子护照认证测试仍依赖于国外第三方机构,且随着CPU技术发展,破解密钥所需时间越来越短而护照有效期长达5或10年,安全机制及测试仍需进一步研究和升级。此外,各国部署后支持的特征不太一样,有的仅支持第一代PA,有的则支持到第二代BAC甚至第四代EAC,这种差异性也造成了安全漏洞。 本文给出的测试系统由RFID电子护照识读系统、测试平台软件、测试套件组成,具体见图4。其中测试套件分为安全抗攻击测试、一致性测试、兼容性测试。      安全抗攻击测试包括:RFID技术导致的近场隐蔽扫描;RFID技术导致的隐蔽跟踪;14443协议层面的抗攻击测试;防克隆防略读测试;防窃听测试;持有人生物特征数据泄漏导致的安全漏洞;安全算法本身脆弱性测试。 该部分测试在一致性测试套件中并不涉及,与芯片攻击测试不同,该部分是基于安全机制和经验分享后的安全漏洞,是针对应用而言的,而芯片攻击测试是基于硬件的,采用如SPA/DPA、SEMA/DEMA、DFA、时间分析攻击/差分耗时攻击等技术。 一致性测试即协议符合度测试,不同安全机制采用不同的安全测试标准。BAC一致性测试在ICAO测试规范中有详细定义,主要包括:(1)Select和Read Binary两条最小命令集指令(2)BAC保护模式和BAC未保护模式下使用这两条指令分别读16个LDS文件测试。在建立BAC会话密钥中使用的另外两条基本指令是Get Challenge和External Authentication。SAC尚未定义测试规范,可参照EAC中CA测试部分,下面重点介绍EAC测试。 如图5所示,实现EAC由几个部分组成:PKD、国家电子护照签发机构、国家电子护照验证机构、支持EAC功能的电子护照。EAC测试分为EAC一致性测试、EAC护照和IS兼容性测试、PKD互用性测试。EAC本身不能阻止精确拷贝和芯片替换,有非对称算法运算功能的芯片提供认证运算,而之外的所有设施均只为提供证书管理和使用,最高层证书是由国家签发验证机构签发的自签名证书且在接收国为信任起点或证书链最高端。   在PKD架构下实现的EAC一致性测试架构见图5,实现了发证领证->国内海关(出关)->国外海关(入关)->国外海关(出关)->国内海关(入关)等操作的测试。国家B发行电子护照,该护照在本国的海关出关通过相应的IS检查系统包含的证书链(CVCA(国家B)->国内DV->IS)验证EAC,完成人脸指纹或虹膜的安全检查,到国家A,则基于国家A的IS检查系统的证书链(CVCA(国家B)->国外DV->IS)验证EAC,完成人脸指纹或虹膜的安全检查,返回国内则类似操作。ICAO PKD起到存储共享作用。 BSI给出的EAC一致性测试结合EAC子过程CA/TA、证书链、访问权限、日期信任点更新等测试点对安全机制进行符合度测试,依据是测试标准EAC v1.12,主要包括了如下几个部分(表2)。   测试系统从不同角度给出了安全机制的测试,兼容性测试关注的是卡机兼容问题,安全抗攻击测试关注的是安全漏洞,而一致性测试则致力于协议符合度。测试系统需要随着技术的不断更新而不断改进,一个持续改进的系统对产品的稳定性、安全性有积极意义。 本文小结 电子护照作为二代身 份证后的另一个重量级身份识别产品,必然要经历不同阶段的演化,尤其是安全机制,基于第二代BAC已是成熟技术,新引进的SAC作为第三代在实现上也已比较成熟,假以时日必能得到推广,而欧洲标准EAC作为第四代和一种更为复杂的安全机制,必将引起重视并影响电子护照的发展和升级换代。 三、电子组合仪表的故障检查 汽车电子组合仪表的检测与故障诊断,除由车载微机自诊断系统进行自诊断外,还可使用专门的检测设备对其进行检测和诊断。在检测时应首先将传感器电路断开或拆下,用检测设备对它们逐个进行检查。   汽车电子仪表显示系统的故障一般都出在传感器、针状连接器和导线、个别仪表及显示器上。其检测方法是如下。   (1)传感器的检测   对各种电阻式传感器的检测,通常是采用测量其电阻的方法来判断其好坏,即把所测得的电阻值与其规定的标准电阻值相比较,判断传感器有无故障。若所测得的电阻值小于规定值时,此时传感器内部短路;若测得电阻值很大,则说明传感器内部断路或接触不良,应该更换传感器。   (2)针状连接器的检测   采用电子仪表的汽车,往往要用很多连接器把线束连接到仪表板上去。这些连接器一般都采用不同颜色,以便辨认它属于哪一部分的连接。为保证其连接牢固、可靠,连接器上设有闭锁装置。在进行检测时,要注意防止连接器的闭锁装置、针状插头以及插座等受损、毁坏。特别是将测试设备与其导线连接时,最好使用备用的连接器插头,以防连接器针状插头腐损、松动等而造成接触不良。   (3)个别仪表的故障检查   个别仪表发生故障,首先应检查各导线的连接情况,包括各连接器接触情况,线束是否破损、搭铁、短路和断路等。然后再用检测设备分别对该仪表及传感器进行测试,以判明故障。   (4)显示屏上部分笔画、线段故障   电子组合仪表上的显示屏部分笔画、线段出现故障,应将仪表板上的显示器调整到静态显示状态,仔细观察是否还有别的故障。如果仅有1~2个笔画或线段不发亮或不显示,则说明逻辑电路板通过多路传输的脉冲信号正确,可能只是显示装置的部分线段工作不正常。遇此情况应进一步检查,属于接触不良的应加以紧固,确保其电路畅通;若是电子显示器件本身问题,通常只有更换显示器件或显示电路板了。 四、从哥伦比亚飞机失事事件谈飞机防雷措施 民航飞机在雷雨天气中如何防雷?雷电对飞机又有怎样的伤害?目前飞机防雷已经成为保护人民群众安全的一个重要领域。 8月16日,一架客机在哥伦比亚圣安德烈斯岛降落时遭雷击坠毁,造成有1人死亡,120人受伤,其中5人重伤,飞机机身被断成3段,飞机损毁严重。飞机防雷再次成为大家议论的焦点,乘坐飞机是否安全,飞机对雷电又有怎么样的防护措施了?   我们知道通常雷击有三种主要形式:其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象,叫做“直击雷”。其二是带电云层由于静电感应作用,使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后,云层带电迅速消失,而地面某些范围由于散流电阻大,以致出现局部高电压,或者由于直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象,叫做“二次雷”或称“感应雷”。其三是“球形雷”。可以通过对事件的描述,这次的雷击应该属于第二种“二次雷”,对于飞机的影响相对较大。   而且强雷暴天气常伴有闪电、雷鸣、暴雨、大风,有时还会出现冰雹、龙卷风和下击暴流等灾害性天气。当飞机进入强雷暴活动区内,轻者造成飞机损伤,重者机毁人亡。目前世界上一半的飞机失事都由雷暴天气引起。如2000年6月22日的武航空难便是雷暴引起。面对如此猛烈的雷电,飞机又有做怎样的防雷措施了?   据了解,在空中飞行的飞机是不安装避雷针的,但飞机还是有避雷装置的。实际上避雷针是一个引雷针,安装在地面的建筑物或构筑物上,它的作用是将空中的雷击所产生的电流,通过接闪器、引下线和接地体引到大地,从而保护了财产和人身安全。而飞机飞行和地面是不产生接触的,所以飞机都没有避雷针。飞机上的防雷装置是安装在飞机主翼或尾翼尖端处的“静电释放器”,它是像刷子一样的金属放电刷,约3根手指粗,由几十根很细的针组成,总的电阻相对机身来说是非常小的。根据尖端放电的原理,放电刷能够将飞机外壳累积的大量电荷放至大气中,有的飞机上安装的静电释放器多达十几个。   另外,飞机外壳中非金属材料制成的结构一般都装有避雷条,比如,机头雷达天线罩的表面贴有避雷条,尾翼也埋了避雷条,它们的作用是为了使雷电电流顺利通过机壳表面。因此,当飞机受到雷击时,上述的防雷装置会帮助电流经过机壳传输到机身或机翼伸出的金属放电刷而迅速放电。飞机每飞行数万小时就可能会遭雷击一次,但由于机壳大部分皆是导体,因此当飞机遭雷击时,电流会经由机壳流过,不会形成“电压差”,并由机身或机翼伸出的避雷针放电,并不会进入导体内部伤害到里头的乘客,有时强大的电流在流过机身或机翼表皮时会留下小小的烧蚀洞或缺口,对飞行并无大碍,因为现代新型的飞机都具有密封性佳、防止火花引爆的结构油箱。   飞机上都会装有雷达,天线朝向地面,这样在平面位置显示器上就显示出了一幅"雷达地图",领航员通过观看雷达地图,就能随时知道雷暴发生的情况,保证飞机按航线飞行。可以说,飞机在应对雷电已经是做好了准备。   飞机本身已经做好了相当的防雷措施,但要真正避免被雷击的事件发生,还需要严格执行绕飞雷雨等的有关规定。毕竟雷电的威力相当之大,再好的防护措施都有可能出现问题,采用雷达预先了解雷电区域,提前绕行才是保证飞机安全的基本保障。从本次哥伦比亚事件看出,飞行员在距离跑道相当近的距离里发现了雷电,却并没有避开,依旧照常降落,导致了事故的发生。所幸的是,并未出现大的人员伤亡,可算是不幸之中的大幸。

    时间:2018-06-20 关键词: 安全设计 测量仪表

  • 污水处理系统液位测量的特点及测量仪表的选型

    随着环保意识的增强以及政府和社会对于环保的关注度和要求的提高,在工业生产中污水处理系统已成为必不可少的生产工艺之一,在污水处理的工艺中,如何提高运行的效率及增强系统运行的稳定和精准,是企业必须重视的问题。本文就是以液位计的原理且结合污水处理厂的工艺的实际情况,对于在污水处理上液位计的选型作一个简要的说明。  本文所举的案例是以一个造纸污水处理厂作为说明模板,用户可以以此案例举一反三,根据本企业的自身的实际情况加以灵活运用。该案例中的污水处理厂基本情况如下:主要处理造纸脱墨污水(高浓度DIP废水)造纸废水及其他生产废水。其中高浓度DIP废水先经过厌氧处理后,与造纸废水及其他生产废水一起进入SBR好氧生物处理系统,再经过三级化学处理后排放。处理过程中产生的剩余污泥经过浓缩池浓缩后,送至污泥脱水单元进行脱水外运。  液位计在污水处理应用中占的很大的比例,在整个污水处理的各个环节中几乎都有应用。污水处理中,需要测量液位有废水,污泥,化学品溶液等。在利用自动控制的污水处理系统中,液位计除了用来测量液位计,很多还涉及到自动控制中连锁泵的启停及控制阀门的打开和闭合。因此说液位计的恰当选型对于合理地达到生产工艺的要求具有非常重要的作用。 污水处理液位计要做到合理的选型,就需要我们对于生产的工艺的每一个环节都了然于胸,工艺与设备的选择是一下相互的关系,以下我们按照结合工艺分析一下正确选型的方法。  一、磁翻板液位计  原理:液位计根据浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。当被测容器中的液位升降时,液位计主导管中的浮子也随之升降,浮子内的永久磁钢通过磁耦合传递到现场指示器,驱动红、白翻柱翻转180°,当液位上升时,翻柱由白色转为红色,当液位下降时,翻柱由红色转为白色,指示器的红、白界位处为容器内介质液位的实际高度,从而实现液位的指示。  特点:(1)结构简单,显示清晰,读数直观,特别适用现场显示。  (2)设备开孔少,一般选用带远程输出的磁翻板液位计,使现场和远程都能监控。  (3)根据介质的情况,如易污易堵的介质,则需要定期的清洗主导管,清除管道内的沉积物,以保证测量的准确性。  在污水处理工艺上,磁翻板液位计常用于化学溶药槽罐,酸罐,碱罐等液位的测量。  二、超声波液位计  超声波式液位计是利用超声波在液面处反射原理进行液位离度检测时,即应用回声测量距离原理工作的。当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时,经过时间t后,探头接收到从液面反射回来的回声脉冲,因此探头到液面的距离可按下式求出:设超声波探头到容器底部的距离为h,则实际液位。式中,v为超声波在被测介质的传播的速度(也就是声速m/s),由此看出,只要知道声速v,就可以通过精确测量时间t,求出液位的高度H。[1]  2.1超声波液位计的特点  (1)超声波液位计可以做到非接触式测量,运行稳定可靠:超声波物位计安装于料仓、液罐上方,不直接接触物料,克服了其它型号液(物)位计直接接触物料和由此而带来的弊端。  (2)可以测量的范围大,液体,块状,粉末物位都可以测量。  (3)可以定点连续的测量,且能方便提供遥测和遥控的测量信号。  (4)安装简单方便,且不需要安全防护。  2.2超声波液位计的缺点  (1)超声波液位计测量会有盲区,安装的时候需要避开盲区,当液位进入盲区后,超声波变送器就无法测量液位了,所以在确定超声波液位计的量程时,必须留出盲区的余量,安装时,变送器探头必须高出最高液位盲区左右。这样才能保证对液位的准确监测及保证超声波液位计的安全。  (2)超声波液位计在有泡沫的情况下,因为声波不能穿透泡沫,声波就会在泡沫上反射回来,这样测量就与实际的液位有较大的偏差。可在有泡沫的槽罐容器加入消泡剂,减少泡沫的产生,保证测量准确。  (3)超声波液位计在有搅拌器的容器中会受到搅拌器的影响,造成反射假反射回波,造成测量的不准确。通过降低搅拌器的转速,安装液位计的时候离开搅拌器的中心,可以减少搅拌器对超声波液位计测量的影响。  (4)测量介质的温度对超声波液位计也有影响,尤其是在密闭的容器里,介质的温度与周围的温度有温差时,会探头的周围凝结水珠,这样会影响测量的准确。可以通过在安装超声波液位计的时候,接压缩空气管对着探头吹,减少因为介质与容器及探头的温度差凝结的水珠对测量的影响。三、静压式液位计  静压式液位测量方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的,通过测得液柱高度产生的静压实现液位测量的,差压式液位计,是利用当容器内的液位改变时,由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作。  静压式液位计是通过测量液体的液位高度而产生的静压力来测定液体液位。根据P=ρgh,而液体的密度ρ,重力加速度g是已知的,只要测出压力P,就可以求出液体的液位h。[2]  —种用于液位测量的压力仪表是投入式液位计,即把液位测量仪表投入到待测液位的介质屮,随着液位的变化,压力变送器中的扩散硅等压力检测元件将静压力转换为电阻信号进行液位检测,投人式液位计可以直接投人被测介质中。  投入式压力液位计的特点。  (1)结构简单,采用固态结构,无可动部件。  (2)安装使用相当方便,使用寿命长。  (3)测量范围比较广,可以测里从水、油到黏度较大的相状物等。  (4)它不受被测介质起泡、沉积、电气持性的影响,无材料疲劳磨损,对振动、冲击不敏感。  (5)价格便宜,可靠性比较高。  (6)安装时,注意要选择流体相对平稳,波动小的地方安装,如果避免不了水流冲击,摩擦振动时,需要加装隔离管,减少水流冲击,保证测量的准确性和稳定性。  (7)安装投入式液位计时,最好离池底或者罐底100mm到200mm,以减少因为池底或者罐底有淤泥及介质的沉淀物,影响测量的准确度。  (8)在水质过差的环境下,尤其是介质有很多悬浮物,杂质时,容易堵塞取压孔,影响测量准确度。需要定期对液位计进行清洗、疏通取压孔,以保证测量准确和稳定。  压力式液位计适合用于水质较好的工艺流程中,比如上清集水池,滤池,清水池,外排水池以及SBR池。通过加装隔离管避开池底污泥杂质也可以用于带搅拌的浓缩池调节池。 四、雷达液位计  雷达传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号,发射波在被测物料表面产生反射,反射回来的回波信号仍由天线接收。发射及反射波束中的每一点都采用超声采样的方法进行采集。信号经智能处理器处理后得出介质与探头之间的距离,送终端显示器进行显示、报警、操作等。[3]距离物料表面的距离D与脉冲的时间行程T成正比:  D=C×T/2  其中C为光速 因空罐的距离E已知,则物位L为:L=E-D  雷达液位计的特点:  (1)雷达液位计采用一体化设计,无可动部件,不存在机械磨损,使用寿命长。  (2)由于电磁波的特点,不受环境的影响。故其测量的应用场合比较广。雷达液位计的探头与介质表面无接触,属非接触测量,能够准确、快速地测量不同的介质。探头几乎不受温度、压力、气体等的影响。可以在工况恶劣,变化大,有水气、蒸汽、泡沫等超声波液位计不能胜任的场合下使用。  (3)雷达液位计也适合用于在有搅拌器,液面变化无常,多变的场合下。  (4)雷达液位计价格相对昂贵,但是几乎可以适用污水处理的各个工艺液位控制流程。  综上所述,由于污水处理的工艺流程中涉及很多需要测量液位的场合,也由于污水处理本身工艺的特点,在选型过程中,需要针对各个工艺流程及介质的特点,选择合适的液位计,对工艺测量的精度和可靠性稳定性以及经济性使用寿命都会有很大的影响。建议在经费允许的情况,尽量选择精度高,维护少,寿命长的液位计。使整个污水处理的液位测量和控制在可靠,稳定,安全下运行。

    时间:2018-09-27 关键词: 测量仪表 液位测量 污水处理系统

  • 石油化工工业中的腐蚀类型及测量仪表相关的防腐措施

    在石化行业的工业生产中,各种酸性碱性生产原料等物质对于生产设备的腐蚀是一个普遍存在的现象。腐蚀现象的存在对于设备的工作寿命及对于生产稳定性无疑会造成不良的影响。如可通过对生产工艺的改进、设备的自动化水平的提高来提高生产效率,在提高设备稳定运行的同时又能够有效地增强对于潜在危险的规避。本文就是针对于石化行来普遍存在的防腐问题的分析和探讨,向各位介绍常用仪表的腐蚀类型,并根据不同的腐蚀类型提出各异的防腐蚀的措施。通过一系列的防腐措施的应用,可以极大程度地减小腐蚀对于设备的损害,并且同时减少操作和维修人员的工作量,降低企业投入的维修资金,提高企业生产效率,给企业带来可观的经济效益。 化工仪表的防腐问题是一个无法绕过的问题,经过各类的科研院所专业研究人员和企业工程师的努力,目前已经研制投入实际应的的有许多耐腐蚀材料,有金属材料、非金属材料及合金材料。这些材料在生产活动中起到了防腐保护测量仪表的重要作用。一、化工仪表腐蚀类型在介绍各种防腐方法之前,我们首先各位介绍一下存在于化工生产中的各种腐蚀的概念及不同的类型。    腐蚀是因为指金属与外界环境中的水分和气体之间产生物理、化学反应,导致金属表面和内部性能发生改变,致使金属材料或其他成分组成的部分体的功能结构受损。石油化工行业中,化工仪表及其组成零部件易与外部接触环境产生物理反应、化学反应和电化学反应,造成化工仪表及其零部件的损坏。工业现场常用变送器作为前端采集检测装置,变送器石油传感器变松片和连接导线组成,这些组成部件都采用贵重金属制得,来提高设备的检测精度和灵敏度。这些设备暴露在工业现场的恶劣环境中,造成腐蚀,常见腐蚀类型包括:  1.物理腐蚀  外在机械作用力对金属材料的破坏,以及金属材料物理溶解等原因,都会造成化工仪表的物理腐蚀。  2.化学腐蚀  仪表金属材料与外界接触环境中的气体易发生氧化还原反应,非电解质溶液与金属材料接触产生氧化腐蚀,这些都属于化工仪表的化学腐蚀。化工厂产生的有毒气体氯气和仪表部件中的铁元素发生氧化还原反应生成氯化亚铁,造成了仪表腐蚀。  3.电化学腐蚀  化工仪表中最常发生的腐蚀就是电化学腐蚀。化工环境中,存在强酸、强碱等常见易腐蚀物质。当化工仪表的金属材料与电解质溶液接触时,发生原电池反应原理,还原性强的活泼金属材料失去电子被氧化。钢铁材料在潮湿空气中更易被腐蚀,原因是钢铁表面在潮湿的空气中反应生成电解质,电解质溶液与钢铁里的铁和碳组成原电池装置,铁元素失去电子被氧化。许多金属物质的损坏都是由电化学腐蚀造成的。电化学腐蚀在短时间内对仪表表面及内部零件产生腐蚀,腐蚀造成的沉淀物会影响仪表的精度和准确性。  二、仪表防腐方法 有了腐蚀问题的存在,就产生的防腐问题,在生产中,腐蚀和防腐就象一对予和盾相存制约,在石油化工行业,企业生产过程中产生出大量腐蚀物质。工艺过程使用的检测仪表腐蚀现象严重,进而大大降低了仪表使用寿命。在实际生产过程中,腐蚀原因的存在,造成仪表故障率频繁发生。企业通过经常更换仪表,来保证生产设备的正常运行,从而增加了企业运营及维护成本。化工行业应用广泛使用的防腐方法有:隔离法、防腐材料法、研制防腐传感器、安装耐腐阀门等,其中隔离方法是最常用的,比如在用防腐型电磁流量计测量酸碱性介质时就采用的隔离材料有聚四氟乙烯,以及PP等。  1.气体隔离  气体隔离的原理是在检测点与仪表检测元件之间的导压管内充满空气,避免检测的压力介质直接与仪表接触,保护仪表不会被高压力的被测介质损坏。气体隔离法也叫注气保护法,在采用压力变送器对低压力或绝对压力测量时采用。检测点的压力变化由导压管内的空气传感到仪表变送器内,经仪表敏感元件检测得到结果。  2.液体隔离  测量氯化氢气、氧化氮气、氯气等介质时,用全氟三丁胺或者其它的隔离液充灌在隔离罐内,将腐蚀介质与检测仪表的金属零部件隔离起来。液体隔离法存在着一些弊端,比如增加液封就会出现液封介质,被测介质可能与液封介质之间发生化学反应,从而出现新的腐蚀问题降低隔离效果。同时市场上隔离液价格普遍较贵、充灌方法麻烦、防腐效果并不好,在实际应用中液体隔离法并没有大量应用。  3.膜片隔离  由于聚四氟乙烯有高润滑、耐高低温、耐气候老化、耐腐蚀、不粘附、张力小、摩擦系数低的特点,对多数化学溶剂和药品有抵抗能力。因此,化工仪表的防腐隔离膜片由聚四氟乙烯构成。具体应用方法是,用聚全氟乙丙烯、聚四氟乙烯膜片粘附或喷涂在压力变送器的波纹管上或压力表弹簧管上,使得腐蚀介质、传感元件相隔离达到防腐目的。应用表明,聚全氟乙丙烯膜片能防止常见腐蚀介质的腐蚀,在测量过程中能保证仪表测量的准确性,大大延长了检测仪表的使用寿命。另外,聚全氟乙丙烯膜片价格较为低廉,采用膜片隔离进行防腐的方法一方面可以解决腐蚀问题,另一方面也可以降低生产成本。  三、本文结语  化工仪表的腐蚀问题是化工企业亟需解决的难题之一,要解决这一问题需要科技人员的不断研究和开发,提高化工仪表的防腐蚀能力,加强隔离防腐能力,研究出更多的防腐蚀的方法,同时也少不了资金的投入和长期的生产实践。本文提出的建议希望能帮助化工企业更好的解决北工仪表的腐蚀问题

    时间:2018-11-28 关键词: 测量仪表 石油化工 腐蚀类型 防腐措施

  • 你知道变频器测量仪表该如何选择么?

    交流变频技术已经被世界范围内公认为当今最为理想的电气传动方案,它优异的调速性能、显著的节能效果、广泛的应用范围是传统调速方式无法比拟的。然而由于常用的变频器主电路一般为交-直-交电路组成,输入电路的波形为不规则的矩形波,而经过PWM调制的输出信号含有正弦波的基波和大量的各次谐波。因此,在变频器的测量在仪器的选择上与传统手段有别。那么变频器测量时,应当对变频器进行哪些方面的测量呢?而变频器测量时到底选择什么设备才能够使得测量试验更加高效而准确呢?一、变频器测量试验的测量内容  变频器的电气试验主要是测量变频器的输入、输出值,其中:  输入值包括额定输入电压、额定输入电流、输入功率、额定容量、有功功率、功率因数、相数、输入各次谐波、输入总失真度。  输出值包括最大额定输出电压、额定连续电流、额定功率、频率范围、过载能力(过载能力适用于额定的转速范围内)、输出各次谐波、输出总失真度、相数、输出相序。  以及在设计的频率范围内,各个频率下的效率。二、变频器测量试验仪表的选择  基于对变频器工作原理的认识,我们可以得知:一些传统的仪表一般不适合变频器的测量,用于变频器测量的仪表要求有较高的采样频率和较宽的带宽,并且要有较强的抗干扰能力,在瞬态测量中要具有较高的测量精度。  WP4000变频功率分析仪是一款适用于变压器、整流器、逆变器、变频器等各类变流器及电机、电器产品的检试验、能效评测及谐波分析的宽频带、高精度功率分析仪,具有250KHz的采样频率和100KHz的带宽,完全满足变频器测量的需要。  WP4000变频功率分析仪可以直接测量额定电压10kV、额定电流3500A以下的各容量、型号的变频器性能试验。一台变频功率分析仪可连接6个传感器/变送器(变频功率传感器),可同步测量“单相输入/三相输出”或“三相输入/三相输出”,能够非常方便的完成变频器性能试验的测试需求。  与传统仪器相比,WP4000变频功率分析仪基于前端数字化技术,采用光纤作为传输介质,在变频器试验时的复杂的电磁环境中有良好的抗干扰能力,可以完全避免传输环节中的强电磁干扰。整个测量系统的精度可达到0.2级。  变频器测量仪器目前可以选择的不多,合适的更少,消费者在选择时一定要根据自己需要选择合适仪器,这样才能得到准确的测量数据。

    时间:2018-11-05 关键词: 变频器 测量仪表

  • 如何正确的选购温湿度测量仪表?

    正确选购温湿度测量仪表:由于采用不同的温湿度测量原理,温湿度仪表多种多样,在选用时要考虑用户的实际应用环境和要求,如量程、输出和显示、安装方式、采样方式、气体种类、材料和结构、控制监测要求、环境危险性等。 此外,还要重视性价比和维护工作量等因素: 1.性价比:选用温湿度仪表时,不能仅考虑价格低就好,应该综合价格和性能来选择。这包括价格、寿命、维护、校验成本。 2.校验:校验的方法和是否容易作要考虑,即使你并不需要高精度的结果。对于在现场和原地校验方便的仪器会节省您工作量。3.坚固耐用:湿度计的传感器和外壳要考虑到能否经受冷凝、干燥、极限温度、灰尘、化学、或其它污染。 4.质量可靠性、平均寿命:质量不好判断时,可以从总体印象出发,考察质量鉴定和出厂标准,考察生产厂家的历史、信誉、市场占有和应用情况,名牌产品比一般产品要好,专业厂家的产品比一边厂家的要好,咨询其它用户也是一个很好的方法。 5.适应性:使用情况不是单一一种时,要考虑仪表的适应性。 6.更换性:一般希望湿度计能互换使用或其它的探头来配合你的主机。 7.维护:考察湿度计的定期清洗、更新、更换的时间要求。 8.备用性:备品备件对于大多数的用户都是不可缺少的,考察供应商是否可以方便准时的提供所需的备品备件。 9. 售后服务:有否保证书,维修和服务协议。 选择了恰当合适的温湿度测量仪表,会提供您的工作效率,减轻工作量,给您和您的生产都带来益处。

    时间:2018-11-15 关键词: 温湿度 测量仪表

  • 数字式万用表怎么用

    现在,数字式测量仪表已成为主流,有取代模拟式仪表的趋势。与模拟式仪表相比,数字式仪表灵敏度高,准确度高,显示清晰,过载能力强,便于携带,使用更简单。下面以VC9802型数字万用表为例,简单介绍其使用方法和注意事项。(1)使用方法a使用前,应认真阅读有关的使用说明书,熟悉电源开关、量程开关、插孔、特殊插口的作用.b将电源开关置于ON位置。c交直流电压的测量:根据需要将量程开关拨至DCV(直流)或ACV(交流)的合适量程,红表笔插入V/Ω孔,黑表笔插入COM孔,并将表笔与被测线路并联,读数即显示。d交直流电流的测量:将量程开关拨至DCA(直流)或ACA(交流)的合适量程,红表笔插入mA孔(<200mA时)或10A孔(>200mA时),黑表笔插入COM孔,并将万用表串联在被测电路中即可。测量直流量时,数字万用表能自动显示极性。e电阻的测量:将量程开关拨至Ω的合适量程,红表笔插入V/Ω孔,黑表笔插入COM孔。如果被测电阻值超出所选择量程的最大值,万用表将显示“1”,这时应选择更高的量程。测量电阻时,红表笔为正极,黑表笔为负极,这与指针式万用表正好相反。因此,测量晶体管、电解电容器等有极性的元器件时,必须注意表笔的极性。(2).使用注意事项a如果无法预先估计被测电压或电流的大小,则应先拨至最高量程挡测量一次,再视情况逐渐把量程减小到合适位置。测量完毕,应将量程开关拨到最高电压挡,并关闭电源。b满量程时,仪表仅在最高位显示数字“1”,其它位均消失,这时应选择更高的量程。c测量电压时,应将数字万用表与被测电路并联。测电流时应与被测电路串联,测直流量时不必考虑正、负极性。d当误用交流电压挡去测量直流电压,或者误用直流电压挡去测量交流电压时,显示屏将显示“000”,或低位上的数字出现跳动。e禁止在测量高电压(220V以上)或大电流(0.5A以上)时换量程,以防止产生电弧,烧毁开关触点。f当显示“ ”、“BATT”或“LOW BAT” 时,表示电池电压低于工作电压

    时间:2018-09-12 关键词: 数字式 万用表 测量仪表

  • 选择合适的温湿度测量仪表

    由于采用不同的温湿度测量原理,温湿度仪表多种多样,在选用时要考虑用户的实际应用环境和要求,如量程、输出和显示、安装方式、采样方式、气体种类、材料和结构、控制监测要求、环境危险性等。除此之外,还要重视性价比和维护工作量等因素:1.性价比:选用温湿度仪表时,不能仅考虑价格低就好,应该综合价格和性能来选择。这包括价格、寿命、维护、校验成本。2.校验:校验的方法和是否容易作要考虑,即使你并不需要高精度的结果。对于在现场和原地校验方便的仪器会节省您工作量。3.坚固耐用:湿度计的传感器和外壳要考虑到能否经受冷凝、干燥、极限温度、灰尘、化学、或其它污染。4.质量可靠性、平均寿命:质量不好判断时,可以从总体印象出发,考察质量鉴定和出厂标准,考察生产厂家的历史、信誉、市场占有和应用情况,名牌产品比一般产品要好,专业厂家的产品比一边厂家的要好,咨询其它用户也是一个很好的方法。5.适应性:使用情况不是单一一种时,要考虑仪表的适应性。6.更换性:一般希望湿度计能互换使用或其它的探头来配合你的主机。7.维护:考察湿度计的定期清洗、更新、更换的时间要求。8.备用性:备品备件对于大多数的用户都是不可缺少的,考察供应商是否可以方便准时的提供所需的备品备件。9.售后服务:有否保证书,维修和服务协议。 选择了恰当合适的温湿度测量仪表,会提供您的工作效率,减轻工作量,给您和您的生产都带来益处。

    时间:2018-10-23 关键词: 温湿度 测量仪表

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