智能污水液位仪的研制

132微电子学与计算机2004年第21卷第6期智能污水液位仪的研制李云飞1颜友钧2(1苏州大学计算机科学与技术学院，苏州215006) (2苏州市职业大学,苏州215004)摘要:本文介绍了智能污水液位仪的设计原理和基于在线校正技术解决电极结垢问题的方法。对类似的仪器研制和解决实时信号测量转换中的动态非线性误差有一定的参考价值。关键词:液位仪,在线校正,污水监测中图法分类号: TP31文献标识码: A文章编号: 1000-7180(2004)06-132-03The Development of Intelligent Sewage Level InstrumentLI Yun-Fei, Yan You-Jun2(1 Suzhou University, Suzhou 215006 China) (2 Suzhou Vocational University, Suzhou, 215009 China)Abstract:This paper introduces the design principle of the intelligent sewage level instrument and the implementationtechnology of solving the problem of electrode scaling formation based on online calibration technique ，This paper is ofdefinite value to solving the problem of dynamic nonlinear error real-time sign measurement conversion. .Key words: level instrument, Online calibration, Sewage monitoring1引言当两个电极-部分浸在污水中,另一部分暴露近几年,生活和工业污水已严重影响城市的水在空气中时，电极浸入污水的深度随液位的变化而质。如何有效地监测、监控、处理生活和工业污水已变化。这时,电极间的电阻由两部分共同作用形成,成为环境保护的重要课题。为了诊断排污管道通畅但是空气的电介质系数远远大于污水的电介质系状况、准确统计每天的排污量、监控各重点污染单数,所以，可以认为电极间的电阻只由浸入污水的部位。必须对每条管道中的污水液位、流量进行实时分产生。从而可根据该电阻值计算出污水的液位。监测。由此,研制了智能污水液位仪。但是,污水成分的是不断变化的,使得污水的电介质系数p不是定值,解决方法是:增加一组标准2智能污水液位仪的测量原理校验电极对,使其浸入污水的深度固定,通过测量智能污水液位仪利用污水的导电特性采用基电极电阻值R,与标准校验电极电阻值R。的比值避于电介质测量的原理设计"。基本原理如下:免对ρ的计算。将两个电极完全浸入污水中,设电极间的电阻为R,则:3智能污水液位仪的电路原理介绍按照上述原理，我们设计了基于单片机技术的R,=ρ号智能污水液位仪(如图1所示),主要功能说明如下:式中:L为电极间的距离;p为污水的电介质系数;S为电极间液体的面积。Ro=>L放人电器]= >[ 采样电路]- t多路由于S与电极浸入污水的深度h,成正比,设其.转换Rx->[放大电器]-=>采样电路]={开关比例系数为k,由此可得:-[ 全波整流电路R,=ρτ_,即: R,∞jCPUCYGNAL C8051F120 + C AD基准因此只需要测量出电极间的电阻R,的值,即可单片机得到电极浸入污水的深度h。中国煤化工5接口收稿日期: 2003-07-28 .MHCN MH G作面极基金项目:江苏省科技厅项目资金资助(02KJB520001)图1智能污水液位仪原理图江苏省高校自然科学基金资助(BK2002040)2004年第21卷第6期微电子学与计算机1333.1单片机进行线性校正，使用后不能满足要求。为进一步提智能污水液位仪中的处理器采用美国CYG-高测量精度,我们使用了三次曲线校正124,介绍如NAL的C8051F120,MIPS 达到100,Flash 存储器下:128K,RAM8448Bytes , ADC的精度为12 位转换速度三次曲线参数方程:为100Ksps,内置4个16位定时器,自带外部存储(x(u)=aqu2+b,u2+c ,u+d,(1)器监控。该单片机配置了通讯接口,而通讯协议由ly(u)=a,u'+b,1u'+c,u+d,用户定义。u为参数,a,b,c,d,,,d,为待定系数。3.2 信号采集(1)式可表示为向量方程:求和放大后，由多路转换开关控制采用电路采E(u)=au'+bu+cu+d .(2)集,经全波整流滤波,ADC电路完成模/数转换。式中a,b,c ,d为待定常向量,其中:3.3 通讯接口[ x(u)「b._[dE(u)=, a=, b=, c=d=|"采用RS485串行总线,使用Modbus协议。上位ly(u)a,」b, 'lc,~ld,监控计算机可对多台(最多256台)智能污水液位或以下式表示:仪进行遥测和遥控。3.4 显示操作面板.E(u)=[u3 u2 u 1](3)插拔式显示操作面板,方便用户对智能污水液位仪的设置和调试。E(u)的导数为:，b4测量误差的校正算法E'(u)=[3u? 2u 1 0]g4.1 测量误差电极在污水中会不断结垢,结垢后的电极间的对n个样本点p(i=1, ..)必须用n-1段三次样条曲电阻变化值取决于电极的插入深度和在污水中的线来表示。如图2所示，对每-段三次样条曲线E(u)浸泡(使用)时间。表1、表2、表3是一个智能污水定义边界条件如下:液位仪在三个不同时间的测量电极电阻值与标准E(4)校验电极电阻值及污水液位值的对照表。表1产品出厂时R,IR。与h,的对照表+P.R,/IR。0.9970.4120.2560.125E,(u)h, (em)0150250350P.| E(u)表2产品使用三个月后R,/R。与h,的对照表R,IRo0.6350.1300.073 .0.052Ph, (cm)工程量x .表3产品使用六个月R,/Ro与hx的对照表图2三次样条曲线R,/Ro0.3420.0530.041E(0)=P: , E(1)=PH, E' (0)=DP; , E'(1)=DPuD是常向量,DP;和DP是在样本点P和P:处从表1,表2,表3中可以看出电极结垢对液位相应的导数值。以0,1代替式(3)和式(4)中的u得:测量的影响,如不定期清洗电极或对R,/R。和h,转.「0001换曲线进行校正,就会造成较大的测量误差。由于(5)污水(主要是生活污水)成分很复杂和智能污水液位. DP4仪特殊的安装环境,目前还找不到合适有效的清洗b1 1 1[P:电极的方法。中国煤化工城(6)4.2 软件校正cMYHCNMHGP在污水测量中,流量通过液位间接计算,流量根据式(6)可求出a,b,c,d。测量n个样本点的误差是液位误差103倍。在第-代产品中,对误差P(x, y)(i=l, ... m川), 建立初步的转换曲线E(x)后,根134微电子学与计算机2004年第21卷第6期据测:量误差不断对E()进行校正，算法如下:5结束语①输入校验信号或标准信号(x, y)基于电极原理的污水液位仪的成本低廉、电极②(x, y)与(x, E()比较安装简单、可实现对污水液位和流量的遥测,但电若|y-E(x)ke则转⑤,(ε为误差控制常数)极的结垢及定期清洗一直是该仪器的使用障碍,本③用(x, y;)取代离它最近的样本点(x, yn)文介绍的智能污水液位仪,有效地解决了电极的结④如果(x, y)是第-点则重新拟合E(x)垢引起的误差,也使电极连续使用时间的增加。如果(xm, y)是第n点则重新拟合E_-(x)本文采用三次曲线校正方法,利用曲线可局部否则重新拟合Ex(x)和E(x)调整的特性,只在局部超差时,才对曲线进行在线⑤继续校正转①,否则返回。校正，将计算时间分散到各个采样周期中。该方法将算法嵌入在单片机程序中，不断建立R,/R。对解决实时信号测量转换中存在动态非线性误差与h,转换曲线(如图3所示),实现在线校正。校正问题有-定的参考价值。-次计算时间为0.48秒。R/R。 s参考文献出厂时[1] 王洪业编著传感器工程[M].长沙:国防科技大学出版社, 1997.[2] 蒋平、陈于萍.园度误差测量数据的自动采集与处理机使用6个月后械设计与制造工程.2002,2:76-77.0.5-[3] 姜晓峰、李云飞.计算机数控加工仿真中误差检测技术的研究与实现，小型微型计算机系统.2002,7:886--889.使用3个月后[4] Donald Hearm & M.Pauline Baker著,蔡士杰等译,计算机0.25图形学[M],北京:电子工业出版社, 1998:240-245.0.125 t0.052525050 h,李云飞男,(1958-),硕士 ,副教授。 研究方向为计算机软件图3局部控制二三次样条曲线生成的RvRo与x转换曲线与工业自动化。(上接第131页)从以上的数据可以看出:我们的网络入侵检测系统在高速大流量的真实网络环境中能够高效地[1]唐正军.网络入侵检测系统的设计与实现.北京:电子工业运行,检测出针对各种平台、各种服务类型的服务出版社.2002.4.器的攻击行为。我们下-步需要做的工作是通过和[2] 张惠敏,何军、黄厚宽.一个基于免疫系统的网络入侵检其它IDS产品进行比较并分析这些上报的攻击事测模型.计算机工程与应用, 2002,6.件中的误报事件和漏报事件，降低误报率和漏报[3] 林曼筠,钱华林.入侵检测系统:原理、入侵隐藏与对策.微电子学与计算机,2002, 1.54-59.率,进一步的完善整个系统。[4] 吴新民基于网络的入侵检测系统与基于主机的入侵检测系统的比较分析,微型电脑应用,2002,18,6.[5] 吕士健,韩崇昭.基于BRO的网络入侵检测系统研究与入侵检测系统已成为保护网络安全的重要手实现.硕士研究生论文,西安交通大学,2001.段。目前已经有很多人工智能技术(如人工神经网[6] Robert Graham. NIDS- -Pattern Search vs. Protocol Decode,络和数据挖掘技术)在入侵检测系统中得以应用,Computers & Security, 2001,20(1)近来还出现了免疫模型在入侵检测的应用。同时,7] Eugene H. Spa●ord, Diego Zamboni. Intrusion detectionusing autonomous agents. Computer Networks,2000, Vol34.基于网络的入侵检测应该和基于主机的入侵检测结合起来,提供集成化的攻击签名检测、报告和事空生。本两四究方向为网络安全。件关联功能。通常还可以将IDS与防火墙等安全机李卫中国煤化工制结合使用,形成入侵检测、网络管理、网络监控多管晓宏教MYHCNMHG方位-体的完备的安全体系。祝春华硕士研究生 。