1 引言

　　水和蒸汽是熱力系統(tǒng)中的鍋爐、汽輪機(jī),、過(guò)熱器等設(shè)備的重要工作介質(zhì),。當(dāng)火力發(fā)電廠正常運(yùn)行時(shí)，熱力設(shè)備中都有水或蒸汽在流動(dòng),。水,、汽的品質(zhì)都有規(guī)定的指標(biāo)，一旦水,、汽品質(zhì)的指標(biāo)超標(biāo),，就會(huì)加速熱力設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和積鹽,。當(dāng)水汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時(shí),，將會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)金屬材料的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞,，這些腐蝕通常會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失,。嚴(yán)重時(shí)甚至造成重大事故。鈉離子含量是發(fā)電廠水汽品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,。因此,，為防止結(jié)垢,、結(jié)鹽,，減緩系統(tǒng)中金屬部件的腐蝕。保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,，必須對(duì)電廠水汽系統(tǒng)中鈉離子含量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制,。

　　2 測(cè)量原理

　　鈉離子的測(cè)量是基于電化學(xué)中的電位分析法，由測(cè)量電極和參比電極及待測(cè)溶液構(gòu)成原電池,。測(cè)量電極是對(duì)鈉離子具有選擇性的玻璃電極,，參比電極的電位保持恒定。當(dāng)測(cè)量電極與參比電極同時(shí)浸入溶液后,，即組成測(cè)量電池對(duì),，圖1給出測(cè)量電池的示意圖。其中鈉測(cè)量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：

　　式中：E為鈉電極電位,；E0為鈉電極的理論等電位點(diǎn)電位,；R為氣體常數(shù)，R=8.317 J／(mol．K),，T為溶液的絕對(duì)溫度,，T=273+t，K；F為法拉第常數(shù),，F(xiàn)=9.649×104 C/mol,；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數(shù),，對(duì)于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1,。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測(cè)溶液構(gòu)成測(cè)量電池,，通過(guò)一個(gè)高阻抗的毫伏計(jì)對(duì)被測(cè)溶液進(jìn)行精確的電位測(cè)量,，從而可直接測(cè)定溶液中鈉離子的含量。

　　3 水路設(shè)計(jì)

　　對(duì)鈉有選擇性的玻璃電極對(duì)氫離子的響應(yīng)比對(duì)鈉離子響應(yīng)還敏感,，所以氫離子是鈉測(cè)量時(shí)主要的干擾源,，要用堿性試劑加以抑制。在對(duì)Na+的測(cè)量過(guò)程中需要合適的水路設(shè)計(jì),，對(duì)水樣進(jìn)行恒流,，堿化。水路設(shè)計(jì)及工作過(guò)程如圖2所示,。

　　在正常測(cè)量時(shí),，樣水從進(jìn)口經(jīng)三通電磁閥進(jìn)人恒流杯，過(guò)多的樣水從溢流口流出,，由于負(fù)壓原理,，樣水在T形塊帶動(dòng)堿化氣進(jìn)入測(cè)量杯，水氣混合后,，PH值達(dá)到要求,，流經(jīng)測(cè)量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。當(dāng)標(biāo)定時(shí),，電磁閥進(jìn)行切換,，校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)電磁閥進(jìn)入恒流杯，樣水經(jīng)卸壓閥流出,。該水路設(shè)計(jì)削弱了H+和流速造成的誤差,，提高了測(cè)量精度。

　　4 硬件電路設(shè)計(jì)

　　在線鈉離子分析儀的硬件電路設(shè)計(jì)是以8位的微控制器ATmega128為核心,，其總體的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示,。主要包括電源、信號(hào)調(diào)理電路,、A／D轉(zhuǎn)換,、微控制器、擴(kuò)展存儲(chǔ)器,、人機(jī)接口6個(gè)部分,。

　　電極輸出的是一個(gè)近似直流的電壓信號(hào),，經(jīng)放大處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，將數(shù)字信號(hào)輸入微控制器進(jìn)行分析處理,，然后存儲(chǔ)和顯示數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳輸給控制室,。

　　4．1 微控制器

　　這里選用高性能8位單片機(jī)ATmega128,。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，可廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備,、工業(yè)實(shí)時(shí)控制,、儀器儀表、通信設(shè)備,、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域,。

　　ATmega128特點(diǎn)：內(nèi)嵌128 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)方便,，便于產(chǎn)品的調(diào)試,、開(kāi)發(fā)、更新,；內(nèi)嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM,，具有64 KB的外部存儲(chǔ)器尋址空間；具有PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C),；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器：SPI串行端口,；與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口(同時(shí)還可用于片上調(diào)試)；低電壓供電,、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V,；抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)的工作量和硬件的使用量,；工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)要求,，達(dá)到-55℃～+125℃,?；贏Tmega128的諸多特點(diǎn)．因此這里選用ATmega128單片機(jī)作為在線鈉離子分析儀的核心控制器。

　　4．2 A／D轉(zhuǎn)換器

　　A／D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的AD7714,。AD7714是適用于低頻測(cè)量應(yīng)用的完整模擬前端,。器件直接從傳感器接受低電平信號(hào)并輸出串行數(shù)字。它使用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的無(wú)誤碼性能,。輸人信號(hào)加至專有的基于模擬調(diào)制器,，具有可編程增益的前端。調(diào)制器的輸出由片內(nèi)數(shù)字濾波器處理,。通過(guò)片內(nèi)控制寄存器可對(duì)此數(shù)字濾波器編程,，允許調(diào)整濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時(shí)間,。AD7714具有3個(gè)差分模擬輸入(它也可配置為5個(gè)準(zhǔn)差分模擬輸入)以及差分基準(zhǔn)輸入,，分別對(duì)溫度信號(hào)和鈉離子濃度信號(hào)采樣,。

　　4．3 存儲(chǔ)部分

　　由于系統(tǒng)移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，各個(gè)任務(wù)均需要分配獨(dú)立的堆?？臻g,，總線上擴(kuò)展32 K字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器KM62256。KM62256是8位數(shù)據(jù)寬度32 K字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器,，具有低功耗,、速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還擴(kuò)展了64 KB字節(jié)的E2pROM AT24C512,，用來(lái)存儲(chǔ)電路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù),，并可存儲(chǔ)一個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線,，詳細(xì)反映水質(zhì)變化過(guò)程和趨勢(shì),，有利于發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

　　4．4 人機(jī)接口

　　采用TFT3224真彩液晶顯示器,，支持256色顯示,，帶有觸摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示,、按鍵操作的風(fēng)格,。觸摸屏接口器件選用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器,。此外測(cè)量值經(jīng)串口遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

　　5 軟件設(shè)計(jì)

　　8位單片機(jī)為核心的測(cè)控系統(tǒng)程序一般采用前后臺(tái)方式編寫(xiě),，后臺(tái)運(yùn)行一個(gè)大的無(wú)限循環(huán)，前臺(tái)為多個(gè)中斷,，在這種方式中,，中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺(tái)程序運(yùn)行到處理該信息時(shí)才能得到處理，所以在處理信息的及時(shí)性上這種系統(tǒng)要比實(shí)際做到的差,，而且代碼編寫(xiě)復(fù)雜,，增加功能時(shí)任務(wù)量大，不便于維護(hù),。因此采用μC／OS-II操作系統(tǒng),。

　　5．1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ

　　μC／OS-II是一個(gè)完整的，開(kāi)源的,，可移植,、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,。程序量,，僅7～8K,，絕大部分代碼采用ANSI C編寫(xiě)．便于移植。其穩(wěn)定性與安全性方面已經(jīng)過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證,。

　　使用μC／OS設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)μC／OS在硬件應(yīng)用平臺(tái)上的移植,，主要就是完成對(duì)OS_CPU_C.C，OS_CPU_A．ASM等多個(gè)與處理器相關(guān)文件的改寫(xiě),，在μC／OS的官方網(wǎng)站有在數(shù)十種處理器上移植成功的范例,，可以免費(fèi)下載，這里不再詳細(xì)介紹,。

　　基于μC／OS-II編寫(xiě)應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單,，首先根據(jù)系統(tǒng)功能合理劃分任務(wù)，確定任務(wù)間的通信機(jī)制,。每個(gè)任務(wù)都是相對(duì)獨(dú)立的子模塊,，有唯一的優(yōu)先級(jí)和自己的堆棧空間,。每個(gè)任務(wù)處于以下5種狀態(tài)的一種：休眠態(tài),、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài),、掛起態(tài)及被中斷態(tài),。內(nèi)核在一個(gè)定時(shí)中斷函數(shù)中查詢進(jìn)入就緒態(tài)中的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，然后把當(dāng)前任務(wù)掛起,，保存現(xiàn)場(chǎng),，執(zhí)行該任務(wù)。各個(gè)任務(wù)間根據(jù)信號(hào)量,、消息郵箱,、隊(duì)列等通信方式傳遞信息。

　　5．2 任務(wù)劃分

　　基于μC／OS-II編寫(xiě)應(yīng)用程序主要的工作是劃分任務(wù)和分配優(yōu)先級(jí)及任務(wù)之間信息的傳遞,。設(shè)計(jì)中,，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為：①數(shù)據(jù)處理與顯示,；②菜單顯示任務(wù),；③串口通信任務(wù),。A／D中斷：AD7714的定時(shí)中斷；觸摸屏中斷：點(diǎn)擊觸摸屏觸發(fā)外部中斷,。軟件設(shè)計(jì)如圖4所示,。

　　在AD7714的A／D定時(shí)中斷服務(wù)中發(fā)送消息，數(shù)據(jù)處理及顯示任務(wù)接收到消息后,，把消息中的A／D數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的鈉含量并顯示,。

　　在觸摸屏中斷處理函數(shù)中發(fā)送消息給菜單任務(wù),，菜單任務(wù)接收到消息中的坐標(biāo)值后,，進(jìn)行判斷并顯示相應(yīng)的菜單界面。串口通信任務(wù)把測(cè)量值經(jīng)過(guò)串口遠(yuǎn)傳到控制室,。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　系統(tǒng)創(chuàng)新性在于將高性能微處理器MEGA128和新器件AD7714首次應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集,。同時(shí)移植μC／OS-II操作系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)潔可靠,，功耗低,、可靠性高。軟件實(shí)時(shí)性好,，便于擴(kuò)展功能,。將此分析儀與進(jìn)口儀表進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示,。

　　由表1數(shù)據(jù)可知,，該分析儀的測(cè)量精度接近進(jìn)口儀表。通過(guò)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比對(duì),，分析儀的各項(xiàng)指標(biāo)已符合國(guó)標(biāo),，可作為在線式儀表用于水質(zhì)鈉離子含量的連續(xù)檢測(cè)。