在线参数测量范文

在线参数测量范文（精选8篇）

在线参数测量 第1篇

在电力系统中,需要测量线路的零序集中参数和零序分布参数。线路的零序集中参数表征的是线路的零序参数整体集中的效应,零序分布参数表征的是均匀分布在线路上的零序电气参数。目前,在很多地方由于线路走廊受限,同杆架设的线路日益增加,若采用传统离线测量方法,停电的影响范围将越来越广。因此,为了尽可能地避免因测量造成线路断电,通过尽量少次数的测量获得线路零序参数,提出了在线测量方法。

国内外针对输电线路零序参数在线测量的研究已进行了十几年。文献[1]在“一字形”零序集中参数电路模型的基础上提出了增量法,文献[2-4]介绍了增量法相关的硬件组成及测量过程,文献[5-7]在增量法的基础上提出了微分法、积分法等。“一字形”电路模型只考虑线间电磁耦合,忽略线路对地及线间的导纳,随着线路长度的增加及电压等级的升高,若不考虑线路的电容电流,使用该模型来测量计算会造成偏差。文献[8]对线路模型进行了改进,考虑了线路的对地零序导纳,通过建立零序分布参数和零序集中参数间的转换关系,将测量线路零序集中参数和测量零序分布参数结合起来。但是由于文献[8]所使用的线路模型没有考虑线间零序导纳的影响,而且对于线路参数矩阵的转换不够准确,最终未得到线路参数的精确测量算法。

本文针对双回耦合输电线路,综合考虑其线间电磁耦合和线路对地及线间电容的影响,建立它的零序分布参数电路模型和零序集中参数电路模型,推导零序集中参数与分布参数间的转换矩阵,研究其线路零序集中参数和分布参数的在线测量算法。

1 双回耦合输电线路的零序电路模型

1.1 零序分布参数电路模型

平行架设的双回耦合输电线路1、2参数完全一样,导线采取逆相序布置,沿线路近似采取一个全循环换位方式,线路参数沿线均匀分布。

根据零序电气量具有“大小相等、相位相同”的特征,对两回线进行解耦,最终可以用2根线路来代替原线路,构成两线-地的零序分布参数电路模型,如图1所示。记i回线路j端零序电压、零序电流相量分别为Uij、Iij,j=1时表示线路的首端,j=2时表示线路末端。

图中,R0、L0为单位长度线路零序自电阻、自电感,ZM0为两回线间单位长度线路零序互阻抗,G0、C0为线与地之间单位长度线路的零序漏电导、零序电容,GM0、CM0为两回线间单位长度线路的零序漏电导、耦合电容,dx无限趋近于零,l为线路耦合段总长度。

记由R0、L0、RM0、LM0构成的矩阵Z0为线路的零序分布阻抗参数矩阵,由G0、C0、GM0、CM0构成的矩阵Y0为线路的零序分布导纳参数矩阵。Z0、Y0分别为:

I2=[I12,I22]T。经过推导,双回耦合输电线零序分布参数电路模型的网络传输方程如式(1)所示。

2U1I1 2=cosh(Z0Y0姨l)ZCsinh(姨Y0Z0 l)Z-1Csinh(Z0Y0姨l)cosh(姨Y0Z0 l)22U2I22(1)其中,ZC=Y0-1姨Y0Z0=Z0(姨Y0Z0)-1。

1.2“双Π形”零序集中参数电路模型

根据电力系统分析的一般原理,当只关心线路两端的电气量时,可以将双回耦合线路等值为一个四端口的网络,进一步将其等值为“双Π形”零序集中参数电路模型,如图2所示。

在此电路模型中,将线路总阻抗串联在线路上,将线路的总导纳等分为两部分,分别并联在线路的始、末端。图2中,R、L为线路零序集中自电阻、自电感,ZM为两回线间零序集中互阻抗,G、C为线与地之间的零序集中漏电导、零序电容,GM、CM为两回线间零序集中漏电导、耦合电容。

记由R、L、RM、LM构成的矩阵ZΠ为线路的零序集中阻抗参数矩阵,由G、C、GM、CM构成的矩阵YΠ为线路的零序集中导纳参数矩阵。ZΠ、YΠ分别为:

“双Π形”零序集中参数模型的网络传输方程如式(2)所示。

1.3 2种电路模型的转换

零序分布参数电路模型和“双Π形”零序集中参数电路模型是针对同一系统的不同表示形式,所以二者是等价的,因而2个电路模型的网络传输函数相等。根据式(1)和式(2),可以求出2种电路模型相应参数矩阵间的转换关系,如式(3)所示。

为讨论线路零序参数的分布特性与线路长度间的关系,进一步将式(3)变形为式(4)。式(4)中kZ、kY分别表示由Z0、Y0构成的转换矩阵。可以证得,当l趋于0时,kZ、kY趋近于单位阵I。

因此在线路长度较短时,双回耦合输电线零序参数的分布特性可以忽略,线路的零序集中参数可以近似等于零序分布参数与线路长度的乘积。当线路较长时,必须考虑分布特性。

2 双回耦合输电线路零序参数在线测量原理

输电线路零序参数在线测量是指在尽可能减少系统停电的前提下,测量线路两端的零序电压、电流,通过求解由线路参数、线路两端零序电气量构成的方程,获得输电线路的零序参数。

电力系统在正常运行时,线路两端的零序电压、电流很小,不能满足测量要求。因此,就需要通过改变运行状态,在线产生较大的零序增量,求解由线路参数、线路两端零序电气增量构成的方程,获得输电线路的零序参数。为保证准确地测量线路两端的零序增量,需要满足2个条件:一是在线产生足够大的零序增量;二是需同步测量线路两端的电气量。目前,多篇文献[9,10,11,12,13,14]描述了在线产生零序增量的方法,诸如将系统的运行方式从正常运行变为首端断相、末端接不平衡负荷、区外单相接地短路和区外双相接地短路等;线路两端电气量同步测量主要通过日渐成熟的基于GPS同步测量技术实现。

2.1 增量法原理

在改变系统运行方式后,会产生零序增量,记ΔU11、ΔU21、ΔU12、ΔU22、ΔI11、ΔI21、ΔI12、ΔI22为线路首末两端产生的零序电压、电流增量,ΔU1=[ΔU11,ΔU21]T,ΔU2=

根据图2所示的“双Π形”零序集中参数模型,由式(2)推导出系统的伏安特性方程如式(5)所示。

一般情况下,输电线路是一个线性系统,满足叠加原理。因此,式(5)可以认为是正常运行状态和零序增量的叠加。最终,基于线路首末端零序增量的增量方程如式(6)所示。

2.2 零序集中参数测量算法

线路的零序集中阻抗参数矩阵ZΠ的对角元素相等,非对角元素相等,同理于零序集中导纳参数矩阵YΠ。令2个矩阵的对角元素为Z、Y,非对角元素为ZM、YM。对式(6)所示的增量方程进行等价变形,得到用矩阵相乘形式表示的新增量方程,如式(7)、(8)所示。

根据式(7),零序集中导纳参数矩阵YΠ中的对角元素Y和非对角元素YM的测量算法如式(9)所示。

将Y和YM代入式(8)中,得到Z及ZM。Z和ZM的表达式比较复杂,由于篇幅限制就不再列出,其测算原理与导纳的测算原理一致。经过上述一系列的工作,最终得到矩阵ZΠ、YΠ。

零序集中参数的测量算法如式(10)所示。

2.3 零序分布参数测量算法

在分布参数电路模型中,由于电阻、电感、电容和电导这些参数是均匀分布在线上的,因此必须用单位长度的输电线所具有的参数表示[15]。统称单位长度的输电线上具有的零序参数为线路的零序分布参数,在电力系统中,单位长度通常取1 km。

2.3.1 短线路零序分布参数测量算法

在线路长度较短时,对式(4)分析可知,“双Π形”集中参数电路模型与零序分布参数模型的转换矩阵kZ、kY近似于单位阵I。因此在测算短距离线路的零序分布参数时,可以令kZ、kY等于I,忽略线路波过程的影响。

短线路零序分布参数的测量算法如式(11)所示。

2.3.2 长线路零序分布参数测量算法

对于长距离输电线路,转换矩阵kZ、kY受线路长度的影响,已不能近似于单位阵I,需要对零序集中参数矩阵进行准确修正。根据式(3),将分布参数矩阵Z0、Y0用ZΠ、YΠ表示,如式(12)所示。

在测得线路的零序集中参数矩阵ZΠ、YΠ后,代入式(12)测算分布参数矩阵Z0、Y0。最后,长距离输电线路零序分布参数的测量算法如式(13)所示。

3 仿真及分析

为讨论本文所提耦合输电线路零序参数在线测量算法的准确性,在MATLAB中建立双回500 k V线路系统,进行数字仿真。以三峡电站的出线为例[16],导线型号为LGJ-630/55×4,分裂导线的分裂间距为450 mm,避雷线型号为LHAGJ-150/25,杆塔为S1型,500 k V双回耦合输电线路元件模块分布参数如下:R0=0.045 44Ω/km;L0=1.551 9 m H/km;LM0=0.53105 m H/km;C0=5.658 n F/km;CM0=2.789 4 n F/km。

本文将仿真5种能产生零序电流增量的运行方式,即离线注入零序电流、首端断相、末端接不平衡负荷、区外单相接地短路和区外双相接地短路等,其中离线注入零序电流属于离线测量方法。

基于短线路零序分布参数测量算法在断开一回线路A相运行方式下的测量结果及误差如表1所示。基于长线路零序分布参数测量算法在断开一回线路A相运行方式下的测量结果及误差如表2所示。其他4种运行方式的仿真结果及误差的变化规律与表1及表2中的一致,限于篇幅,此处不再列出。

从表1可以看出,线路长度小于100 km时,仿真结果的误差较小,随着线路长度增加,误差增大。从表2可以看出,5条不同长度线路的仿真结果的误差都很小,除电阻外其他参数误差的数量级都为10-4。综合对比表1和表2,仅线路长度为60 km时,两表仿真结果的误差相近。

在实际中,当线路长度较短时,线路参数的分布特性可能没有仿真模型中的理想,应用中长线路零序分布参数测量算法测量短距离线路的零序参数可能会有较大的误差。因此,综合仿真结果,短线路零序分布参数测量算法适用于测量长度小于60 km的500 k V线路,长线路零序分布参数测量算法适用于测量长度大于60 km的500 k V线路。

此外,从表2中可以看出,线路长度小于150 km时,线路零序自电阻的测量误差相比其他参数略大,约为2%。这是由于线路零序自电阻要比电抗小一个数量级,在仿真中会有截断误差,因此不以电阻值的测量误差作为判断算法准确性的标准。随着线路长度逐渐增加,由数量级差异造成的截断误差会减小,如表2中当线路长度为500 km时,误差的绝对值已经减小到0.057%,可以证明这一点。

4 结论

本文建立了双回耦合输电线路的零序分布参数电路模型和“双Π形”零序集中参数电路模型,推导了零序集中参数与零序分布参数间的转换关系,提出了短线路零序分布参数在线测量算法和长线路零序分布参数在线测量算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,短线路零序分布参数测量算法适用于测量长度小于60 km的线路,长线路零序分布参数测量算法适用于测量长度大于60 km的中长距离线路,实验结果误差的数量级为10-4。本文提出的“双Π形”零序集中参数模型考虑了对地导纳和线间导纳影响,将输电线路零序集中参数在线测量与分布参数在线测量结合起来,可以为电力系统潮流计算和继电保护提供参考。

摘要：分析了双回耦合输电线路的结构,建立了其零序分布参数电路模型和“双Π形”零序集中参数电路模型;将增量法与“双Π形”电路相结合,提出了零序集中参数在线测量算法;推导了零序集中参数与分布参数间的转换关系,提出了零序分布参数在线测量算法;对不同长度的500 kV双回耦合输电线路进行仿真实验。仿真结果表明,所提出的电路模型及在线测量算法适用于电力系统的零序参数在线测量。

C空间中肢体参数的测量方法 第2篇

关键词： 光学运动捕捉仪； C空间； 肢体长度； 角位移； 最小二乘

中图分类号： TH 773文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.001

文章编号： 1005-5630（2016）05-0377-06

引 言

步态是指人体步行时的姿态和行为特征。步态分析旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节及影响因素，从而指导康复评估和治疗，有助于临床诊断、疗效评估及机理研究等。从步态信息中提取肢体关键参数时，其精度太低会使步态上的微小差异不明显或者造成较大的偏差，无法判别步态检测系统的准确性。

在人体运动学建模过程中，肢体长度是人体建模的关键参数。最直接的测量方法是用皮尺直接测量下肢关节。计算机断层成像（CT）、三维超声和核磁共振成像（MRI）常用来测量下肢长度，CT是利用精确准直的X射线对人体某部位一定厚度的层面进行扫描，具有扫描时间快、图像清晰等特点。

X射线测量有三种影像：

1） 全长片，即一次性拍摄下肢全长直立前后位片，从髋关节至踝关节。优点是只需一次摄片，但有视差错误引起的失真。Machen等[1]认为全长片较平扫片能提供更多的信息。甘伟等[2]运用螺旋CT扫描得到双下肢全长（髋关节至踝关节）的完整图像，可进行长度测量、角度测量、图像缩放等应用。Strecker 等[3]使用CT和乌尔姆法测量成年患者的下肢长度，99%的下肢长度差异为1.4 cm。

2） 平扫片，需要三次摄片，髋、膝、踝各一次，并拼接组合而成，可有效减小放大误差，但却增加了摄片时间、放射线暴露及拼接误差。孙亚明等[4]通过对南京地区青年人站立位髋关节X射线平片的测量分析股骨大转子尖连线与股骨头中心连线的位置关系及其在人工髋关节置换手术中对双下肢长度的评估作用。

3） 计算机数字影像，数字合成技术可减少放射线暴露及数学上的误差[5]，简便快捷，重复性好，能提高图像质量并进行数字处理，对下肢长度测量有很大优势。Diercks等[6]提出对平片放大并进行数字校正，术前拍摄双髋关节实际大小的前后位片，就能通过设置骨盆及股骨参照点来间接测量下肢长度，目前在临床上广泛应用[7]。李钧等[8]利用软件和原始CT 扫描图像重建关节周围骨骼三维图像，并测量下肢骨骼参数。童涵涵等[9]采用Slot技术一次完成双下肢成像，利用后处理软件进行双下肢测量。Slot 技术测量误差小，方便，可操作性强，为临床提供了一种准确测量双下肢长度的方法。Menegaldo等[10]提出了一套估计长度的回归方程。此方程找到所需的大肌肉骨骼模型数值模拟的肌腱几何参数，基于贯穿每个肌腱式传动器的广义节点坐标系的数目，生成复杂性级别不同的回归方程。田庆国等[11]提出了一种利用三维人体点云数据测量人体关键尺寸的方法，典型尺寸测量误差小于3%，可满足人类工效学等领域快速测量人体特征尺寸的要求。

超声在下肢长度测量方面一直被认为较CT稍逊一筹，但Konermann等[12]应用握持和移动超声传感器特殊设备，通过超声测量髋、膝、踝三点间距离来提示术前及术后下肢长度，可精确至1 mm。Affatato等[13]指出超声在活体测量时会有1.7%的相对误差，下肢测量时约为0.4 mm。S′witek-Najwer等[14]将开发的超声探头应用于临床中。超声的优点是可以避免放射线接触，无创、简单、快捷。

CT、三维超声的灵敏度可达 1 mm，MRI 准确性不如 CT、三维超声，且费用较高。以往对人体，特别是下肢长度的测量方法存在精度和安全性无法同时满足以及费用高等问题。精密运动捕捉仪采集数据精度高，系统功能强，受试者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，使用方便。在基于精密运动捕捉仪的步态检测系统中，利用可重复的标志点精确设置的方法，以快捷、对受试者无负重的方式获取步态分解中的关节参数变化时间序列数据。

本文着重介绍基于光学运动捕捉仪获取4个标志点时序数据，再利用最小二乘法拟合关节点，从而计算关节长度的新方法，以及标志点精度和长度误差对角位移的影响。

1 建立肢体模型

对于肢体多刚体运动，例如上肢运动、下肢运动等，多采用串联结构表示运动模式。为降低模型的复杂性，便于分析和研究，一般将足部的各环节简化为机械运动中的刚体，将人足的各关节简化为机械运动中的铰链，从而将足部简化为常见的机械运动中的刚体-铰链系统模型。然后，根据经典力学理论对简化的人足运动模型进行运动分析，同时也考虑人足的运动特性，最后得出能反映真实运动情况的特征规律。为了准确地确定足部运动与下肢运动的精确关系，本文建立三刚体运动学模型。

依据D-H（Denavit-Hartenberg）矩阵法的原理，将足部看作两个刚体，即脚面和脚趾两部分，如图1所示。足部关节示意图如图2所示，每个部分通过单一自由度（转动）链接，L1表示小腿胫骨，L2表示足背骨，L3表示趾骨，进行运动学建模，运动时D-H参数如表1所示。

4 结 论

基于运动捕捉仪的肢体长度测量方法不但适用于简单的二维运动，还适用于空间内的三维运动，具有高精度、稳定可靠、无伤害的特点。这种肢体长度测量方法的准确性为建立准确的肢体运动学模型提供了保障，特别是在医学步态分析方面，利用光学运动捕捉仪采集数据序列的同时，可以根据数据精确计算肢体长度，不需再用其他设备测量肢体长度。由于实验条件的局限性，肢体真实有效的运动长度很难进行高精度的估算，故而无法真正在人体上进行肢体长度准确性和精度的验证。

nlc202309082338

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钻井液综合参数在线测量方法的研究 第3篇

在地质勘探、石油钻采等工程中, 钻井液起着护壁堵漏和冲洗的作用。钻井液性能及其变化, 直接影响着钻速、钻头寿命、孔壁稳定、孔内净化和孔内安全等一系列钻进工艺问题,

所以施工过程中必须对其性能参数连续测量, 准确掌握泥浆的性能并加以调整。以往泥浆参数测量大都由人工进行, 工作量大、程序繁琐、测量精度低, 而且不能连续测量;随着检测技术、计算机技术的发展, 使得泥浆参数的在线自动化测量成为可能[1]。

煤矿、油田钻探用泥浆按分散状态及应用范围分为细分散、粗分散、非分散低固相泥浆, 其密度约为1.02~2.2g/cm3, 表观粘度约为2~3m Pa·s, p H值在7~10之间。在钻进过程中, 由于自然造浆和泥浆携带岩屑、絮凝效果不彻底, 使泥浆中含有粘土和岩屑 (含量小于4%) , 再加上泥浆含有随粘堵漏材料, 致使泥浆成为多相低腐蚀性、粘稠易结垢的非牛顿流体[2]。

2 国内同类技术目前现状

钻井液性能在钻探过程中起着至关重要的作用, 它影响钻井过程和钻井质量, 甚至还会影响到油井的生产性能和环境等, 所以钻井液性能参数线测量的自动化在石油工业领域一直是重要课题。20世纪80年代, 对钻井液的密度、粘度、流变性等单项钻井液性能的自动化测量技术就有过一些零散报道, 例如, 1989年西安石油学院学报发表了有关钻井液流变性遥测装置的文章, 但对于钻井液的全套常规性能的检测却一直未有专题文献报道。直到2008年, 才见到关于全套钻井液性能和钻屑性能的自动化测量文献。

目前我国采用了这个标准程序来测试钻井液的现场性能。在这些程序中主要采用手动测量方法测量钻井液的各项常规性能, 这样不但增加了钻井液工程师的劳动量, 而且特殊资料系统性不强、可比性差, 甚至有时客观性都无法保障, 所以这些测量的数据用于现场钻井液的维护处理准确度不高, 更无法用于各项工程资料。从而看出实现现场钻井液性能的自动化在线测量至关重要[3,4]。

3 系统结构原理及技术参数

3.1 系统结构

钻井液 (泥浆) 综合参数在线测量系统直接在线测量钻井液密度、钻井液粘度及钻井液p H值, 系统采用了新型测量装置系统: (1) 研制在线测量钻井液粘度变送器, 根据不同转速下的旋转粘度计的粘度值, 计算出表观粘度、塑性粘度及切力; (2) 研制在线测量钻井液p H值传感器, 满足现场使用条件; (3) 将多参数测量系统集成、参数无线传输。参数现场指示并无线传输至井场泥浆控制室显示、记录。

钻井液综合参数在线测量系统结构原理如下图1所示:

3.2 主要的技术参数

1) 密度:

测量范围:0~3g/cm3

测量精度:±0.5FS

2) 粘度:

测量范围:0~10000cp

分辨率:2%FS

响应时间:<2s

3) p H值:

测量范围:0~14.00p H

测量精度:±0.2p H

温度补偿方式:自动补偿

温度补范围:5~55℃;

4) 防爆等级:满足井场泥浆循环系统区域要求 (Ⅱ类防爆区)

正压防爆 (P) , 等级:Ex PdⅡ

5) 使用条件:

使用环境温度:-20~+60℃

使用环境湿度:0~95%RH

存储温度:-50~+125℃

存储湿度:0~90%RH

4 关键工艺、创新及技术难点

本系统的创新内容:

1) 研制在线测量钻井液六速粘度变送器, 根据六种不同转速下的旋转粘度计的粘度值, 计算出表观粘度、塑性粘度及切力。

2) 将多参数测量系统集成。测量系统包含工业计算机桌面系统、无线信号发射接收装置、现场触摸显示屏及各参数现场测量传感器等组成一套完整的测量系统。

3) 采用无线信号发射接收装置, 方便信号在现场及控制室之间的传输。

4.1 粘度测量

根据ISO10411-1:2001标准规定, 现场钻井液的流变性有关参数按主要使用直读式旋转粘度计和马氏漏斗粘度计测定, 计算公式如下所示:

测试的主要数据有:钻井液视粘度、塑性粘度、流性指数、粘度系数、动切力及静切力等六个参数。我们通过改变其检测装置的结构使在高剪切速率 (1000Sec-1) 下的钻井液提取循环运动在低剪切力速率 (10Sec-1) 下, 更好地运用六速旋转粘度计利用泥浆的粘滞性, 把力矩传给不转动的圆筒, 带动钢丝或扭力弹簧扭转, 通过测量扭转角的大小, 便可测出泥浆的粘度, 使其在线测量, 旋转式粘度计可在线监测液体的粘度, 操作使用方便, 费用较低。

4.2 密度测量

本系统采用电容式差压密度传感器。电容式差压密度传感器是采用差压传感器的原理来测量液体的密度, 可将液体的密度转换为4~20m A的模拟信号输出, 供计算机远距离监测。该密度传感器可在线测量粘稠、易结垢、含悬浮颗粒的液体, 操作使用、维护方便, 但价格较高。系统通过使用自动清洗系统, 因此该装置可以重复使用。当完成一个测量后, 容器被倒空, 并充满冲洗液。为了保证测量精度达到原始状态, 多次重复清洗过程。因此该装置可以重复使用。

4.3 p H值测量

试验采用工业上测量液体的p H值, 通常采用插在被测液体中两个电极间的电动势来测量液体的p H值, 其中一个是工作电极, 其电位随液体p H值的改变而改变, 另一个是参比电极, 它具有固定电位, 测量两个电极的电位差便可测出液体的p H值, 同时输出4~20m A的模拟信号。

系统设计的p H值的测量采用美国罗斯蒙特1056变送器和瑞士汉米尔顿INCHTRODEN100电极, 内阻低, 结构简单, 带有机械式自动清洗装置, 抗结垢, 可用于测量半固体、胶状物及水油混合物的PH值。

4.4 软件设计功能及实现方法

泥浆参数在线测控系统采用无线通讯方式远程发送控制命令并收发泥浆参数数据。

下位机采用研华触控屏挂接研华模拟量采集模块ADAM4017来实时采集各个传感器采集得到的泥浆参数, 同时通过触控屏挂接研华开关量控制模块ADAM4068收发开关量控制命令。挂接研华模块的方式利用触控屏RS485接口;两个RS232接口分别连接无线通讯端和在线粘度仪。触控屏人机界面采用Web OPDesigner V2.0组态软件。

上位机人机界面与下位机触控屏界面保持同步, 通过一对无线收发设备进行通讯, 实现系统的远程通信。上位机获得泥浆在线参数后, 可以对数据进行进一步的分析计算及保存归档处理。

5 实验及测试结果

该装置经使用, 各项指标均满足要求。经现场标定, 密度测量的误差为0.05~0.1g/cm3, 粘度误差为2~10cp, 密度计的安装选择在介质由下向上流动的垂直管道中, 并保证介质充满管道;粘度计的安装在垂直管道上, 并保证满管流动。特点该系统具有结构简单, 设计精巧, 安装操作方便, 维护量小, 精度高等特点, 是检测钻井液性能参数的理想装置。

测试数据记录如图2所示:

通过计算公式可得出表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力 (初) 、静切力 (终) , 在不同药品配比下最终得出泥浆的特征。

6 结论及问题思考

钻井液性能关系到井下安全、油层保护、环境保护等重要问题。因此, 快速、准确测量钻井液性能至关重要。国内外的钻井液自动化在线测量技术仍然不十分成熟, 还存在一些问题需要进一步改进, 特别是流变性测量问题和滤失量测定问题尚需进一步研究[5]。目前, 我国钻井液自动化测量技术与国外相比差距还很大, 应迅速开展钻井液自动化在线测量技术方面的研究工作。经试验结果验证, 本系统完全适应目前油田要求, 具有良好的推广前景。

摘要：钻井液综合参数的测量在地质勘探、油气钻采等工程中起着重要作用, 针对此需求, 介绍并解析了钻井液的粘度、密度、p H值等重要参数的在线测量方法, 并实现了在线测量的自动化, 着重介绍了新型六速粘度变送器、测量系统集成一体化及测量参数的无线传输, 用现场实验及试验室测试的对比结果说明了此装置的可靠性, 最后根据目前钻井液测量技术的发展情况, 提出了迅速开展钻井液自动化在线测量的必要性。

关键词：钻井液综合参数,在线测量,六速粘度变送器,无线传输

参考文献

[1]景天佑, 曹谢东.新型现场钻井液流变性遥测装置[J].西安石油学院学报, 1989, 4 (1)

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[4]张之悦, 王会珍.石油钻井[M].中国石化出版社, 2011, 5 (1) :62-8.

水质参数在线监测系统的研究 第4篇

当今世界的水环境面临两大问题:水资源短缺和水污染加重。严峻的水形势, 提高了人们对水污染控制的重视程度, 水利部门希望随时掌握水质变化趋势, 以便控制污染程度, 实现这一目标的技术装置称之为水质参数在线监测及远程传输系统[1]。

2 在线水质监测系统设计思路

在研究过程中, 选取AT89S51单片机作为现场参数在线监测子系统的核心器件, 配合相关的外围电路, 将水质参数传感器监测到的电信号转换成4～20mA/0～5V的标准信号, 经过数据运算处理, 变成代表实际化学或物理量的数据显示在液晶屏上, 以供现场人员的观测、记录和分析。

3 水质参数检测传感器的原理

对于在线式水质监测系统的设计, 首先必须选择合适的水质参数检测传感器[3]。下面将分别介绍所选择的pH值、溶解氧、电导率、浊度和温度等五种水质常规参数检测传感器的原理、特点及应用。

3.1 数字温度传感器

数字温度传感器, 是目前测量温度应用最为广泛的一种, 他支持“一线总线”接口, 测量温度范围为-55℃～+125℃, 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输, 大大提高了系统的抗干扰性, 适合于恶劣环境的现场温度测量。

3.2 无电极电导率传感器

这种传感器是用于测量污水, 不易被污染, 不易结垢, 其原理为:传感器上饶有两组线圈, 一组为发送线圈, 一组为接收线圈, 当传感器置于液体中时, 发送线圈通以交流电, 接收线圈感应到的信号与被测液体的电导率成正比, 因此测出这个信号就可知道液体的电导率。

3.3 pH传感器

测量pH值的传感器采用差分式五线制电极, 双电桥结构, 大幅度减少了污染的影响, 且易于置换, 其温度传感器和前置放大器均集成于传感器内, 避免了温度引起的误差。由于信号通过前置放大器输出, 己经是低阻抗的, 所以可以远距离传输且抗干扰能力强。

3.4 溶解氧传感器

溶解氧传感器采用的是三电极结构, 这种传感器具有测量精度高、可进行温度补偿, 能发现电解质恶化的自诊断功能, 选用抗污染能力强的膜作为测量元件, 适用于污水处理等恶劣环境, 可在含有重金属的悬浮液或含有硫化氢的液体中使用。

4 在线水质监测仪硬件的设计

该仪器作为水质参数在线监测及远程传输系统的子系统, 其设计方案是采用AT89S51单片机作为仪器的核心器件, 配合相关的外围电路, 完成信号的转换、数据处理以及水质五项常规参数的现场实时显示等功能。

水质监测仪的硬件部分主要由AT89S51单片机电路、电源电路、信号调理电路、LED显示电路、A/D转换电路、键盘电路等组成。如图:系统硬件结构框图 (如图1) 。

4.1 信号调理电路的设计

在本系统中选用的水质参数检测传感器的原理各不相同, 它们输出电信号的范围也各不相同, 这些电信号分别表示一定测量范围内的化学或物理量, 如表1所示。

水质参数监测传感器的量程与输出信号对照表 (如表1) 。

为了便于单片机进行数据运算处理, 设计了信号调理电路, 将这些非标准的电流信号转换成统一的4～20mA/0～5V标准信号。在信号调理电路的设计中, 采用LM358型集成运算放大器构成前后两级放大电路, 前级为同相放大电路, 后级为差分放大电路, 通过调节信号调理电路中的有关电位器, 实现了由各种传感器输出的非标准信号向标准信号的转变, 同时也达到了各项化学或物理参数量程调零与调满的目的, 这就是信号调理电路要实现的功能。

4.2 水质监测仪主程序的设计

本系统软件设计采用模块化结构, 设计成了子程序或中断服务子程序。主程序完成系统初始化及子程序的调用功能, 其中初始化包括:定时器初值计算、定时器清零、ADC中断初始化、8255芯片初始化等。

5 水质监测仪综合仿真

本节介绍给基于前四节的思想, 设计出测量参数的水质监测仿真设备。在Proteus软件平台下测试。

6 结语

本论文将单片机数据检测技术与数据传输技术的结合, 设计出一种适合在我国基层环境与水质监测单位应用的水质在线监测及远程传输系统。在系统仿真与调试过程中, 应用Proteus软件绘制硬件电路图, 仿真水质参数监测系统。

参考文献

[1]李怡庭.全国水质监测规划概述[J].中国水利, 2003, 7B.

[2]万众华.水资源评价建议书[J].水利水电市场, 2002, 7.

[3]陈杰, 黄鸿.传感器与检测技术[M].高等教育出版社, 2002, 8.

养殖水质参数在线采集系统设计 第5篇

水产养殖业作为我国渔业的重要组成部分, 是目前渔业发展的主要增长点。我国现有养殖, 大多还是粗放型, 这种生产方式会造成局部水体恶化、生态破坏、打破现有脆弱的生态平衡[1]。渔业养殖水质的监测和改善对加快水产养殖业的发展起到很大的作用。养殖水质参数在线采集系统的设计和应用也有很好的现实意义, 可减少人力支出, 降低劳动强度, 更加精准的进行渔业养殖, 实现对渔业养殖产业的科学管理[2]。

2 系统总体结构框图

本水质参数在线采集系统设计包括参数采集控制终端、网络通讯模块、监控平台设计三部分, 如图1所示。

3 参数采集控制终端

参数采集控制终端以单片机作为处理器核心, 有控制终端芯片单元、传感器参数采集单元、信号调理单元、LCD显示单元、声光报警电路、电源供电电路的设计等各个不同的电路组成。采集控制终端的主要由单片机协同各个传感器完成对养殖区域水质参数的采集获取, 初步处理后由LCD单元显示, 通过网络通信模块发送给监控平台, 经过组态软件对数据分析处理后, 在数据异常时根据指令能够做出预警响应, 以短信方式将水质数据发送到养殖人员的手机移动终端。

参数采集控制终端的结构组成如图2所示:

参数采集控制终端的数据传递方式如图3所示:

3.1 传感器参数采集单元

选择对渔业养殖过程有较大影响的五类水质参数 (溶氧量、PH值、水温、浊度、水位) 进行检测。采用的是溶氧量检测传感器、p H值检测传感器、水体温度检测传感器、浊度检测传感器和水位检测传感器。

3.2 信号调理单元

主要实现对传感器采集到的数据进行转换处理, 满足单片机的数据采集要求范围。包括XPT2046数据转换芯片、ADC0809模数转换芯片;多节点水质参数数据的采集电路设计。

3.3 LCD显示单元

LCD显示屏选用LCD12864, 在参数采集控制终端更加清晰直观的将所得来水质数据进行初步处理之后, 在LCD上显示出来, 方便养殖人员及时查看数据。

3.4 声光报警电路

电路受控制终端芯片控制, 控制芯片控制它的响应时间, 蜂鸣器电路主要由蜂鸣器、PNP三极管、限流电阻组成。

3.5 电源供电电路

供电电路主要采用5V直流电压为参数采集控制终端供电, 设计了蓄电池电能存储电路和太阳能能源转换电路, 避免了由于系统意外断电造成系统的水质参数在线采集无法正常进行的情况, 提高了本系统设计的可靠性。

3.6 通讯网络模块的设计

采用SIM900A作为通讯网络模块, 实现数据传输和各模块间通讯。主要分为两种方式: (1) 通过SIM900A模块连接GPRS网络接入INTERNET网络服务; (2) 通过该模块以短信方式将水质参数信息定时发送到养殖人员手机移动终端, 方便养殖人员及时准确的了解水质状况。

3.7 监控平台的设计

监控平台包括计算机、手机。计算机上基于组态软件进行设计, 能将接收到的水质参数信息实时显示, 并以图表的方式直观的展示水质状况, 设计建立水质数据库, 对水质参数信息进行分析和存储。水质异常时由监控平台发出预警指令, 并由参数采集控制终端和声光报警电路来实现。参数采集控制终端也将采集到的数据以短信方式发送到手机移动终端, 便于养殖人员及时了解水质数据信息。

4 系统软件的设计

养殖水质在线采集系统的软件功能设计主要包括以下几个方面:

4.1控制终端芯片程序的设计

采集控制终端依靠单片机的处理性能实现参数采集控制终端的功能, 选择C语言作为单片机控制终端的程序开发语言。在参数采集控制终端, 针对养殖水质环境中的多种参数采集设计了相关程序, 设计了多路传感器节点采集, 对采集得来的水质参数信息进行比较, 去除测量误差较大的数据, 保证参数数据精度。

4.2 监控平台和显示界面的设计

下位机的参数信息传到上位机组态王界面中, 进行实时显示。同时, 对数据进行分析处理, 数据异常时发出指令, 对下位机进行控制。借助组态王的WEB发布功能, 实现水质参数的远程监控, 扩大了监测范围, 提高本系统设计的覆盖面。在组态王的操作画面建立养殖水质参数的数据信息, 依照实际传感器数量和设备进行创建, 并建立实时数据曲线窗口, 可以设置创建实时趋势曲线控件, 在运行态时对数据曲线进行一定的操作。建立报警窗口设定水质参数的阈值, 来记录不同参数、不同时间的报警事件。

4.3 历史数据库

将通过网络所采集到的水质参数信息存储在历史数据库对应表格内, 实现对组态软件的操作界面上水质信息的记录, 保留养殖过程的水体参数情况, 为养殖管理提供了数据参考。

5 结论

设计的养殖水质参数在线采集系统, 可实现对养殖水质参数的实时在线采集、显示、存储、分析。实现了GPRS网络的远程数据传输, 为渔业养殖技术的进步和发展做出了探索。设计的创新之处在于:

5.1 采用多种高精度的水质参数采集传感器, 将水质数据信息准确、高效的采集, 相比以往靠经验法感知水质状况和实验室化验分析水体样本, 在水质参数的实时测量取得了较大的进步。

5.2 借助SIM900A模块连接GPRS网络, 从而实现在INTER-NET网络的数据传输, 这种方式无论网络的可靠程度, 还是使用成本来说, 都具有一定的优势。

参考文献

[1]李杰人.中国水产养殖业的现状及展望[J].中国水产科学院, 2012.

[2]黄建清, 王卫星.基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验[J].农业工程学报, 2013 (4) .

[3]董延昌.基于Modbus协议和模糊控制的智能渔业监控系统设计[D].合肥:中国科学技术大学, 2015.

[4]宋乐.基于GSM的多参数水质在线监测系统设计[D].太原:太原理工大学, 2011.

煤矿电机运行参数在线监测技术研究 第6篇

一、煤矿电机数学模型

分析时对理想的煤矿电机作如下假设:

(1) 因为三相绕组完全对称, 气隙磁场为方波, 定子电流、转子磁场分布皆对称。

(2) 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响。

(3) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。

电机电压平衡方程:

式中, U表示每相电压, r表示每相电阻, i表示运行时每相电流, L表示运行时每相电感, E表示每相反电动势。则煤矿电机的运行电压方程为:

其中, ua、ub、uc为外加的A相、B相、C相相电压, ia、ib、ic是A相、B相、C相相电流, L为相电感的自感, Mab、Mbc、Mca为每两相间的互感, ea、eb、ec为A相、B相、C为相反电势。ra、rb、rc为A相、B相、C相相电阻。

在忽略转动时的粘滞系数的情况下, 煤矿电机的方程可写为:

其中, Te为煤矿电机额定转矩, TL为煤矿电机负载转矩, J为煤矿电机转轴上的转动惯量的总和, ω为煤矿电机机械角速度。

二、监测系统硬件电路设计

煤矿电机运行参数在线监测系统工作原理:首先利用高精度传感器对电机运行过程中的转矩、温度、速度、电压和电流进行实时测量;然后传感器输出信号经过信号采集与放大电路、A/D转换电路进行处理后传递给DSP;最后DSP对电机运行参数进行运算和分析, 将电机运行参数信息在LED显示屏上显示出来, 同时将运算的结果发送给上位机进行分析处理, 下边分别对电流测试电路和温度测试电路进行详细介绍。

2.1温度测试

温升衡量煤矿电机运行状态的重要指标。实时监测电机本体、逆变单元等部分的温度时保证煤矿电机安全、可靠运行的重要措施。AD590是美国AD公司研制的一种电流式集成温度传感器, 这种器件在被测温度一定时, 相当于一个恒流源, 输出1μA/K正比于绝对温度的电流信号, 具有较强的线性度和抗干扰能力。将AD590温度传感器粘贴在煤矿电机测量部位, 随着电机温度的升高, AD590温度也随着增加, 输出电流也随着增大, 把电流信号转换成电压信号, 经信号采集与放大电路、A/D转换电路传送DSP, 温度检测电路如图1所示。

2.2电流测试

传统电路设计时, 通常采用串接分压电阻作为传感器来实现对电流信号检测, 这种检测方法简单实用, 但由于温漂影响难以保证电阻值稳定不变, 所以采集到的电流值精度不高, 且控制系统的反馈电路与主电路若没有经过隔离, 一旦功率电路的高电压通过反馈电路进入控制电路, 势必会危及控制系统的安全, 造成重大损失。所以采用高精度霍尔电流传感器对煤矿电机三相电流进行实时检测, 传感器采用±12V电源供电。

三、监测系统软件程序设计

软件程序是整个监测系统的灵魂。本文利用最新的DSP软件编译环境CCS3.3对控制系统软件程序进行编辑、调试和烧写。CCS3.3集成开发环境提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具, 该开发环境可以实现嵌入式信号处理程序的实时编制和测试, 能够加速软件程序的开发速度, 缩短了软件开发周期。它支持软件概念性规划、创建工程文件、编写源程序和配置文件、语法检查、探测点设置、日志保存、实时调试、统计和跟踪等整个软件开发周期, 软件流程如图2所示。

四、结束语

随之我国智能化电器和智能化矿井技术的发展, 煤矿电机运行参数在线监测技术。本文结合煤矿安全生产现状和煤矿电机数学模型, 利用DSP对煤矿电机运行参数在线监测系统进行设计, 包括温度测量电路、电流测量电路及相关软件程序等。监测系统能够完成对煤矿电机运行参数在线监测的任务, 对保障煤矿安全生产和保证工作人员安全具有重要的意义。

摘要：为了保证煤矿电机的可靠运行, 本文以数字信号处理器DSP为核心, 设计煤矿电机运行参数监测系统, 并分别设计监测系统硬件电路和软件程序, 重点设计了电流检测电路和温度检测电路。监测系统具有实时监测电机运行参数的功能, 对于提高煤矿电机的可靠性和保证井下安全生产具有重要的意义。

关键词：煤矿电机,电流,温度,监测

参考文献

[1]国家能源局.关于规范煤制油、煤制天然气产业科学有序发展的通知.[2014]339号.

[2]丁鑫, 朱凯, 高翔;等.矿用本安电源Buck变换器设计研究[J]煤炭技术2014 (3) 98-101.

温室群环境参数在线监测系统 第7篇

近年来, 随着大型连栋温室的迅速发展, 需要对温室内的温湿度、CO2浓度和土壤含水率等参数进行监测控制。当设施内环境参数变化异常或者产生越限时, 监测系统可以立即发出报警信号, 提醒工作人员采取相应措施。为此, 笔者设计了一套结构配置灵活、性能价格比高的温室环境参数检测系统, 以满足不同规模的农业设施群的需要, 并且具有精度高、性能稳定、运行可靠等特点。

1总体方案设计

该系统需要实现对各温室大棚内的温度、湿度、 二氧化碳浓度和土壤含水量等进行数据采集, 并将采集到的各温室环境参数传送到监测中心, 如果参数值出现异常则启动报警。温室群的实际规模可大可小, 所以系统应能实现远距离、多通道、多测点和多环境参数检测, 信号可以实现超过1000m的远距离传输。

农业设施群远距离检测技术中的通讯方式总体来说有有线通信方式和无线通信方式两种[3]。有线通讯技术比较成熟, 但布线复杂, 安装维护难, 长期使用导线产生老化会使系统可靠性降低; 无线通讯技术无需布线, 可在网络覆盖范围内灵活组网, 系统升级容易[2], 但通讯距离增加或通讯双方之间若有障碍物存在会影响通讯效果[6]。本系统设计采用有线通讯方式, 不管测控系统放到何种环境的农业设施园区, 都能获得较大的可靠系数。

在系统的结构设计上, 为实现对温室检测的多参数、多测点的灵活配置以及信号的远传, 整个系统采用主从模式。以RS - 485有线通讯实现对温室群多测点的远距离监测, 监测系统的总体结构如图1所示。每个从单片机模块都可作为一个测量仪表, 完成1个或2个参数的测量; 1个主单片机模块构成单元温室仪表, 该模块上可以通过RS485总线扩展更多的从单片机模块, 实现更多参数的测量; 主单片机模块通过485总线和上位机相连, 其它各温室单元仪表也挂接在485总线上, 构成温室群环境参数监测系统。 各单元仪表的主机和从机模块均可实时显示测量参数, 既方便了系统调试, 也可作为监测仪表单独使用。

RS - 485通信网络利用单片机本身的UART串行接口配以总线驱动器芯片SN75176组成, PC侧采用RS - 485串行通讯卡。

2单元温室仪表的设计

单元温室仪表的各从机通过传感器模块对温度、 湿度、CO2浓度和土壤含水率进行采集与显示, 并通过RS - 485上传给本单元主机。 主机通过与设定值比较, 执行显示与报警功能。各从机及传感器模块可以分散在温室内不同区域, 为保证传感器输出信号可靠传递, 传感器模块选择输出为数字信号或者标准电流信号。

2. 1仪表的从机模块

2. 1. 1温度、湿度及CO2测量模块 ( 从机1)

1) 由于需要同时检测温度和湿度两个参数, 本系统采用集温湿度检测于一体的集成式传感器—数字输出温湿度模块RHT03 - SPI, 来完成对温度和湿度的检测。RHT03是一款基于温度和相对湿度的传感器模块, 带有一个SPI接口, 可实现直接读出温度和湿度值。该模块采用日本的负温度系数型高精度温度传感器和电阻式相对湿度传感器, 通过内部温度调节补偿机制可以保证准确的相对湿度输出。

数据输出位数流先从MSB的温度 ( 2字节) 数据开始, 随后是1字节的湿度和一字节的CRC。温度值增加了1个40C0的抵消值, 以避免负温度符号, 再乘以10, 因此准确的温度可以通过减掉0190H ( 400) 得到。例如, 对于数据流00000010101100110101000100 000000, 则有T_offset = 0x02B3 = 691, T _real = 691 - 400 = 29. 1℃ , RH = 0x51 = 81% , CRC = 0x7f。

本设计选用美国Telaire公司生产的6004二氧化碳传感器, 其采用NDIR技术。传感器基于气体对红外光吸收的比尔朗伯定律, 由红外光源发射出1 ~ 2 0 μm的红外光, 被一定长度的气室吸收并经过4. 26μm波长的窄带滤光片, 由红外传感器监测波长为4. 26μm处的红外光的强度, 以此反映CO2气体的浓度。传感器6004的输出信号为UART协议气体浓度数字信号, 可直接送入单片机处理。

从机1选择兼具SPI接口和UART串口的单片机STC12C5A32S2。

2. 1. 2土壤含水率测量模块

本仪表选用FDS100水分传感器, 土壤湿度与传感器输出电流 ( m A) 之间的关系如下: 土壤湿度= 0. 0535 × m A - 0. 02332。其中, 土壤湿度为容积含水率, 单位为cm- 3, 其基于介电理论并应用频域测量技术, 能够精确测量土壤和其它多孔介质的体积含水量。该传感器性能稳定, 在土壤/基质饱和含水率范围内具有良好的线性特征。

传感器模块FDS100为4 ~ 20m A电流输出型, 需要设计I /V转换电路, 把传感器输出的4 ~ 20m A电流信号转换成为电压信号, 再进行A /D转换。单片机选择STC12C5A32S2, 其带有8路的10位高速A /D转换器。

2. 2仪表的主机模块

2. 2. 1仪表的主机

单元仪表的主机既要与上位机通讯, 也要与本单元的各从机通讯。主机采用宏晶STC12C系列的STC12C5A32S2双串口单片机, 其主要特点为: 用户的程序空间32k B, 片上集成1 280字节的RAM; 有EEP- ROM, ISP ( 在系统可编程) 和IAP ( 在应用可编程) 功能, 可通过串口 ( P3. 0 /P3. 1) 直接下载用户程序; 内部看门狗; 2个通用全双工异步串行口 ( UART) 。

2. 2. 2显示与键盘电路

由于测控仪表的主机部分要显示的项目及参数较多, 故选用LCD显示。仪表上电后在液晶屏上巡回显示温度、湿度、二氧化碳含量和土壤水分含量值, 如有某个参数超过允许值, 将会发出声光报警, 同时在液晶屏最下行显示越限参数项。液晶屏显示项如图2所示。

应用P1口扩展了4 × 4键盘, 包括0 ~ 9的数字键、参数名称键 ( 温度、湿度、CO2和土壤水分) 、下限键与上限键。通过键盘设定报警的上下限值, 并与EEP- ROM配合, 对各采集值进行动态标定与智能校准。

3系统软件设计

系统软件设计包括PC机软件设计和单元测控仪表的软件设计。单元仪表部分的软件由负责测量数据采集主任务的从机程序和主机程序构成, 单片机程序用C51开发。PC机软件采用北京亚控公司的组态王6. 51开发。

3. 1单元仪表的从机软件

从机软件采用模块化设计, 包括主程序、传感器参数采集子程序、数据处理子程序、LED显示子程序和通信子程序等。单元仪表的所有从机均采用串行中断方式与仪表主机通信, 在中断服务程序中完成向主机传送采集的数字量。

从机1负责温湿度、CO2采集及显示并向单元测控仪表主机传送检测数据。二氧化碳传感器输出UART协议气体浓度数字信号, STC12C5A32S2单片机的第1串口用于与单元仪表主机通讯, 第二串口采集CO2浓度数字信号, 两串口通讯均采用中断方式。 从机1的主程序流程图如图3所示。

CO2浓度及温湿度采集子程序分别如图4和图5所示。从机2和从机3负责采集土壤含水率值并显示, 而且通过串口向单元仪表主机传送数据信号。土壤含水率传感器输出为4 ~ 20m A模拟电流信号, 通过I / V转换并经过ADC转换成数字量后, CPU对采集的数字量进行计算处理得出相应的土壤含水率值。

3. 2单元仪表的主机软件设计

仪表单元中的主机既要与上位机 ( 工控机) 通讯, 向上位机传送各检测参数并接收上位机的参数设定, 又要与本单元的各从机通讯, 获取各项参数值, 并进行LCD显示与参数越限报警。本系统的仪表主机通过串口1与工控机通讯, 采用中断方式; 通过串口2与各从机测量模块通讯, 以主动的方式向从机索要数据。主机部分的程序包括主程序、LCD显示子程序、 串口1中断子程序、报警显示子程序、键盘中断子程序等。

3. 3上位机软件

本系统的上位机软件采用组态软件组态王6. 51开发, 其开发周期短, 具有完善的图形界面生成功能, 能形象直观地动态显示被测参数的变化, 并越限报警。组态王中有单片机串行通讯协议和驱动程序, 只需做简单的设置即可[1]。组态王6. 51的上述特点能满足系统对上位机的功能需求。

本系统用户界面由主监测界面、辅助界面和数据库等组成。用户监测界面主要完成对各环境参数的采集以及进行动态显示, 当监测到的参数值超过设定范围即报警。仪表主机与监控室距离为1 000m。上位机进入组态功能运行, 数据传输正常, 系统运行稳定, 功能可靠。

4性能测试

将温湿度传感器、CO2传感器和土壤含水率传感器的测头分别放在固定值条件中, 温度环境25℃ , 改变机箱所处环境, 在5℃ 和40℃ 条件下分别测试。结果表明: 系统性能稳定, 温度测量误差小于0. 5℃ , 土壤含水率测量误差< 3% , 湿度测量误差最大为1. 4% RH, 湿度测量误差≤3% RH。

5结论

1) 系统采用主从结构和模块化设计, 实现了温室内环境温度、湿度、CO2浓度和土壤含水率主要参数的测量, 系统组成灵活, 扩展方便。

2) 采用RS - 485通讯实现了上位机对温室群各单元仪表的远程监测。

3) 通过对农业设施群监测系统进行实际的测试及运行效果分析, 该系统运行可靠, 操作简单, 显示与报警直观, 能够满足农业设施群监测的需要。

摘要：设计了一种组成灵活、相对精度高和性价比高的温室群监测系统。整个监测系统采用主从结构, 通过RS-485有线通讯实现上位机对设施群多项环境参数的远距离监测, 系统配置灵活。系统以STC单片机为核心, 实现了温度、湿度、CO2浓度以及土壤含水率的检测与报警, 并能详细显示报警参数。另外, 基于组态软件实现了PC机对温室群的集中监测。

关键词：温室群,在线监测,主从结构,RS485总线,单片机

参考文献

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在线参数测量 第8篇

1系统介绍

1.1系统框图

该测量系统主要由数字高速摄影机、GPS时码发生器、像机校准系统(全站仪、校准架、校准标)、数据分析处理软件等部分组成。系统组成如图1所示。

1.2 高速摄像机布设方案

由于飞行试验课题需求,影像测量系统要测量范围达到200 m的整体测量带,同时又要兼顾不同阶段课题所需参数变化的要求,其中的镜头和角度都需要根据不断提出的新需求进行调整,从而为试飞定型提供最有价值的视频资料和数据保障。根据航空标准、相机技术参数、数据处理精度等要求在安全区域架设像机。像机布设整体方案如图2所示。其中5台高速像机为G1、G2、G3、G4、G5。

2 测量原理

2.1 像机参数解算

由于镜头中存在各种畸变和装配误差等缺陷,由共线方程式(1)所表示的相机成像模型不能表示真实的成像关系,而是一种近似的关系,特别是在普通数码相机和一些小焦距的成像系统中,这种近似所带来的误差更大。因此有必要对其进行误差校正。采用的像机模型可用式(2)来表示。

undefined

δu(u,v)和δv(u,v)表示各种畸变在u、v方向上引起的总的畸变误差,由于畸变是一个无限的多项式,不可能全部考虑进去,一般只考虑对结果影响较大的几项,如k1、k2、p1、p2。

给定若干个已知的高精度物方空间坐标系的控制点(Xi,Yi,Zi)(i = 1,2,…,n),以及这些控制点在像片上对应的的图像平面坐标(xi,yi)(i = 1,2,…,n),通过式(2)求解Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ等外方位x0、y0、f 等内方位元素,以及k1、k2、p1、p2等畸变参数。由于式(2)不是线性方程,按泰勒公式展开一次项后,并整理成便于计算的表达形式为:

AX=L (3)

式(3)中:

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X=[dXSdYSdZSdφ dω dκ dx0dy0df dk1dk2dp1dp2dp3]T。

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。

对于单张像片,共有13个未知参数,所以求解时至少需要7个控制点才能完成解算。而对于多张像片(N张),若是一个像机同一镜头拍的话,则其内方位元素相同,则共有N×6+7个未知参数,因此需要N×3+3个控制点方能完成解算。若控制点足够,用未知参数初值(除f外均可以0作初值,f可为1)求出系数A及常数项L,显然矩阵A的行数大于等于列数,且为列满秩。因此可根据间接平差法求解未知参数改正数X=(ATA)-1ATL。未知参数经改正后重复上述步骤,进行迭代运算,直至改正数X小于某一限值,迭代结束,最终求得各未知参数(包括相机参数)的精确值。

在跑道上架设一定数量的校准架和校准标志,利用全站仪等高精度测量仪器对摄影机相对跑道坐标系的位置及姿态进行校准,然后根据上面所讲像机参数解算原理进行像机标定。

2.2 像点位置解算

2.2.1 偏移量计算

首先采用前方交会原理式(4)分别对G1-G2,G1-G3,G4-G5进行交会计算,求出飞机着陆时在G2、G3、G4视场内偏离跑道中心线的距离d。

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式(4)中,A(S),B(XB,YB,ZB)为物方空间坐标系D-XYZ的坐标。

点(XP,YP)的点位中误差[6]:

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式(5)中,mA,mB为测站点A和B的中误差。

2.2.2 像点在空间实际位置的计算

由于G2、G3、G4采用竖直摄影方式进行布设,在竖直摄影方式下外方位角元素都为小角时,近似取φ=ω=κ=0,及Z-Zs=-H。由2.2.1得到飞机偏离跑道中线线的距离d,对摄影平均摄影距离进行修正Z-Zs=-H+d,将修正后的值带入共线方程(1)中,求解机身和机轮所喷涂标志点在空间的实际坐标(X,Y,Z)。其中,(x,y)是加入像机参数改正后的像点坐标。

2.3 目标运动速度求解

根据由以上原理所求解的标志点的轨迹数据,采用速度二阶中心平滑原理进行水平和垂直方向速度的求解。

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式(6)中:undefined为时间序列,2m+1为平滑系数,M为速度平滑权系数,h为高速相机采样间隔。

3 测量结果与分析

3.1 图像判读

由于高速像机拍摄飞机着陆瞬间要求很高的帧频,导致记录的图像数据量庞大;采用人工判读工作量大、效率低;一般情况下工人图像判读只能精确到一个像素,其判读远远无法达到所要求的亚像素定位精度。使用基于HALCON图像开发包开发的判读程序,能够自动对每帧画面上的标志点进行自动跟踪,极大提高了定位精度和判读速度。

3.2 实验结果

以下为飞行试验中,利用本文所述测量方法,使用MATLAB编写数据处理系统程序得到的飞机着陆道面段实验数据曲线图,如图4所示。

3.3 精度解算

按式(2)列出整体平差方程如下:

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按间接平差原理[7],未知参数X的方差为:

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式(8)中n、t分别为矩阵A的行数和列数,X为迭代最后一次的参数改正值。

对摄影机的标校主要是利用全站仪完成的,其定位精度小于 2 mm,图像判读过程中采用基于亚像素方法可以获得小于0.5个像素的判读精度,用式(5)求得飞机偏离跑道中心线距离d的精度为1.48 mm,摄影机距离跑道约100 m,根据式(8)计算可以得到X和Y方向的定位误差δX=δY≤27.12 mm,满足测试需求。

4 结论

通过实际飞行试验中多个架次的实验测量结果表明,采用高速像机获取飞行试验过程中的相关参数具有精度高、直观、解算速度快等优点,测量结果经过实测检查精度可以满足实验要求。由于此类实验风险性较大,该测量方法能够及时有效地提供给飞行员,准确判断出是否已达到要求的飞行状态,为下一次飞行提供决策依据。在飞行试验外部参数测试中,摄影测量的高精度无接触的测量优点具有其他测量方法无法替代的作用,通过在现场架设多部高速摄影测量站,构成完整测量网络,再配合光电经纬仪、雷达、机载GPS等测量设备构成测量网络,并进行多传感器的信息融合,将会在飞行试验外部参数测量中取得更好的效果。

摘要：介绍了利用数字高速像机对飞机着瞬间运动参数测量的方法。通过合理选取测量区域,布设测量站点,利用多台摄影机联合组网等措施扩展测量范围,解决了由于飞行员难以把握着陆点位置而失去对关键点的测量问题。同时,应用摄影测量原理,对高速像机进行标校,解算出其畸变参数,并获得正摄影像,进而对起落架机轮及机身测量标志进行基于亚像素的跟踪判读。对判读数据进行处理,得到了飞机着陆道面段的运动轨迹、速度等数据。结合真实飞行试验对测量结果进行了分析,数据结论准确。

关键词：摄影测量,飞行试验,高速像机,运动参数测量

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