智能电导率仪的设计

《智能电导率仪的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能电导率仪的设计（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1智能电导率仪的设计Design of Intelligent onductivity Meter 曹栓住（山东科技大学电气与自动化工程学院 山东 青岛 266510）Cao Shuan-zhu(Shandong University of Science and Technology Electic and AutomationEngineering College Shandong Qingdao 266510)摘要：智能电导率仪采用交流测量法来测量电导率。正弦激励的产生是通过阻抗测试芯片 AD5933 来实现的。AD5933 输出的正弦激加在电导池的电极上，AD5933 可以计算出溶液阻

2、抗经过傅里叶变换后阻抗的实部 R 和虚部 I（结果保存在 AD5933 的寄存器中） ，然后再计算出校准系数 A，就可以通过单片机计算出溶液的真实阻抗，进而计算出溶液电导率。温度补偿电路测量溶液温度，用于修正温度对测量带来的影响。关键字：溶液电导率；电极极化；正弦激励；滤波、放大；AD 转换 Abstract: Intelligence conductivity meter used AC measurement method measure the conductivity. Using a sine wave as a power incentives. Sinusoidal excita

3、tion is generated by impedance test chip AD5933. AD5933 output sinusoidal excitation applied to the electrode conductivity cell, AD5933 impedance solution can be calculated impedance real part R and an imaginary part I after Fourier transform (results stored in the AD5933 registers), and then calcul

4、ate the calibration coefficients A which can be calculated by the microcontroller, then calculate the solution conductivity. The temperature compensation circuit measures temperature in order to refine resultsKeywords: solution conductivity; electrode polarization; sinusoidal excitation; filtered an

5、d amplified; AD conversion1 设计背景电导率是一个衡量水溶液导电能力的电学物理量， 电阻率的倒数为电导率，用希腊字母 表示（或者 1） ， =1/。一般意义上电导率的 测量温度是标准温度（ 25 C ） 。在液体水的电导率是衡量水质的一个重要指标。电导率的测量在日常的生产和生活中有着比较广泛的应用，如测量饮用水的电导率用来检测水中所含电解质的浓度，用来测量沿海地下水的电导率来查看其地下水收海水的入侵程度，还可以用测量电导率的方式来辨别地沟油等。本文就是鉴于测量电导率的广泛应用而设计出了一种测量溶液电导率的智能测量仪。2 测量原理本文所设计的电导率传感器是通过插入溶液的

6、两个电极在外加正弦激励的情况下，再经过信号的处理和单片机的运算而得到的 。】 【】 【 431测量中所使用的正弦激励是通过阻抗测试芯片 AD5933 来实现的，正弦波的频率 f 和幅值 E 可以通过单片机来控制。AD5933 可以计算出经过溶液阻抗经过傅里叶变换后的实部 R 和虚部 I（结果保存在 AD5933 的寄存器中） ，然后再计算出校准系数 A，就可以通过单片机计算出溶液的真实阻抗，进而_作者简介：曹栓住 男（1987-） ，山东科技大学在读研究生，检测技术与自动化装置专业，计算出溶液电导率。另外由于溶液电导率还受到温度的影响，为了提高测量准确度还加入了温度电路，2当单片机计算得到电导

7、率再通过由 pt100 采集到的温度的数值来修正。3 传感器的结构组成电导率测量仪采用单片机作为主控芯片，主要包括正弦信号发生电路，低通隔离直流滤波电路，传感器的测量电路，信号放大电路，多路模拟开关，温度测量电路，AD 转换电路， M-bus 通信电路。其中单片机是整个传感器的控制中枢，通过控制 AD5933 来调节正弦信号的幅值和频率，读取 AD 转换器的数据，计算电导率的数值，控制 M-bus 总线通信。3.1 主控芯片单片机电导率测量仪采用的微控制器是LPC932单片机，LPC932具有集成度高和成本低的特点。该单片机的封装体积比较小，有利于减小PCB 板的面积。比较高的集成度也可以减少

8、单片机外围器件的数量。LPC932只需要二到四个时钟周期的指令执行时间，与普通的 80C51器件相比速度要快很多。3.2 AD5933 阻抗测量和正弦信号发生电路电导率测量仪测量所需要的正弦激励是由芯片 AD5933 来实现的。正弦信号的幅值和频率可以通过该芯片进行调节。当 AD5933 外部接入负载时，负载阻抗经过傅里叶变换后的实部 R 和虚部 I 可以由 AD5933 计算出来并保存在内部寄存器中。由此可以计算出傅里叶变换后的幅值M= 2IR为了得到真正的阻抗值还要计算出校准系数 A，计算 A 的时候先在 AD5933 外部接入一个阻值已知的校正电阻 R，则A= M*1当该频率固定不变时，

9、校准系数 A 的值也不变。就可以通过经过 DFT 变换后的阻抗的实部 R 和虚部 I 以及校准系数 A 求出引脚 Vin 和 Vout 之间的负载的真实阻抗，计算公式为Z= 当测量电极不变时，溶液的电导池常数 Q 也不变，则溶液电导率=Q =Q =Q =Q =Z1 M* 1 IR*12 I*A2AD5933 的硬件连接图如图 1 所示：3图 1 AD5933 的硬件连接图为了提高 AD5933 输出信号的精度，采用有源晶振芯片为其提供外部时钟，芯片频率为16.384MHz。AD5933 内部 ADC 的采样频率是外部时钟 MCLK 的 1/16，这样最终进入内部 ADC 的频率就是 16.38

10、4/16=1.204MHz，由此得到芯片的分辨率为 1.024MHz/1024=1KHz,，确保了扫描频率是1000 的整数倍，这样就可以防止 DFT 计算时发生频谱泄露，保障其变换后结果的正确性。最后经过DFT 变换后阻抗的实部和虚部保存到 AD5933 的寄存器中，单片机可以通过 AD5933 的 SCL 引脚和SDA 引脚用 C 总线的方式读取寄存器中的结果。AD5933 输出的正弦波经过两个大小为 100uF 和2I100nF 的电容并联进行直流分量的隔离，对运算放大器 AD8605 的输出端也采取了同样的措施来隔离输出信号中的直流分量。由于 AD5933 内部运放的同相输入端有一个

11、1/2VDD 的正向偏置电压，所以在 AD8605 的同相输入端也加入了一个 1/2VDD 的正向偏置电压，以保证正弦信号在达到峰值 3V 时不失真。3.3 温度测量电路由于水溶液的温度对测量结果有比较大的影响，所以需要测量出水溶液的温度用来对结果进行校正。电导率测量仪测量温度时采用了 PT100 铂电阻，其阻值随着温度的升高而变大，是正温度系数热敏电阻。将铂电阻和其他三个高精度电阻连接起来组成电桥电路，当电桥平衡时输出电压为 0，当温度变化时电桥输出的电压也会发生变化。电桥的输出电压输入到由集成运放构成的差分放大器输入端，经过放大后送入 AD 转换器。该部分电路如图 4 所示4图 2 温度测

12、量电路PT100 的阻值和温度的关系式为： )1(320CtBAtRt A、B、C 为系数， 为 0 摄氏度时铂电阻的阻值，大小为 1000，电桥中其他三个电阻也采用1000，当温度为 0 摄氏度时电桥平衡，输出电压为零。当温度发生变化时， ，输出电压为：iiab URRU189即 )0(i其中 为电桥的输入电压为 5V，R0、R8、R10 、R11 的阻值都为 1000，将数值带入上式得：i )5.019(5RUab其中 R9 为铂电阻，其表达式为 ，将其表达式带入上式得：)1(9320CtBAtR)5.)1(0532CtBAtab带入 R0（阻值 1000）值得 ).01)(32ttUab

13、5由于电桥的输出电压 信号比较小，所以将其送入由运放组成的差分放大器的输入端进行放大，Uab经过差分放大器放大后的输出电压为： abR）（ 1246Uo将电阻阻值和 表达式带入得：ab )5.01)1(5*2032o CtBAt即 ).)(U32ott运放的输出电压 送入 ADC 进行 AD 转换，然后单片机根据以上关系式计算出温度的大小 。o 】 【 323.4 AD 转换电路系统所用的AD装换芯片为AD7705。AD7705可以提供两个转换通道，同时对两路模拟信号进行转换。其输入信号的范围比较大，精度也比较高，而且还能够转换差分输入信号，应用比较广泛。其硬件电路如图5所示：图3 AD770

14、5的硬件连接图AD7705是差分输入，将通道1的AIN-引脚接地，AIN+引脚接经过运放放大后的电桥的输出电压，这样就可以转化成对电桥输出电压的模数转换。转换后的数据由引脚DOUT以串行的方式传输到单片机，单片机也可以由引脚DIN对AD7705进行配置。AD7705 的基准电压由稳压二极管LM336稳压后得到，其稳压值为2.5V，外部时钟由频率为 2.4567MHz的晶振电路提供 。】 【 523.5 供电电路6电导率仪所需电压主要有5V 和3V ，通过稳压芯片HT7150和HT7130来实现。他们分别可以输出5V和3V的电压。HT7150的输入电压由24V的电池提供，其输出的5V电压用作HT

15、7130 的输入电压，这样就可以为系统提供所需电压。供电电路的硬件连接图如图6：图4 供电电路另外为了保护芯片，分别在HT7150 和7130的输入端加上了熔断功率为2W和熔断电流为20mA的熔断电阻。3.6 M-bus 通信电路为了方便多个电导率仪组成测量网络，在硬件设计时加入 M-bus 通信电路，这样多个电导率仪就可以以 M-bus 总线的方式组网，达到检测多个测点的目的。电导率测量仪的 M-bus 总线采用的供电的方式为远程供电，电导率测量仪通过一条四芯电缆和其他 M-bus 主设备相连。其中红白两条线用来供电，蓝绿两条线用来传输信号。主设备向电导率测量仪发送信号时用电压的变化来表示数

16、字 1 和数字0.而电导率测量仪向主设备发送信号时则采用电流的变化来表示数字 0 和数字 1.这样有利于减少干扰，提高通信的稳定性。4 结束语传感器在设计时本着节能、高效、低成本的原则进行设计，经过调试改进后能对大多数水溶液进行电导率的测量，使用方便，稳定可靠，基本实现了设计时的要求。5 参考文献1 张子栋,吴雪冰,吴慎山. 智能传感器原理及应用. 河南科技学院学报 (自然科学版), 2008。2 赵继文.传感器与应用电路设计M. 北京: 科学出版社,2002。3 郁有文.传感器原理及工程应用M. 西安: 西安电子科技大学出版社,2001。4 严钟豪,谭祖根.非电量电测技术M. 北京: 机械工业出版社,2001。5 蔡川.单片机应用系统的可靠性设计J; 科技信息;2008 年 31 期。