智能电导率仪设计（通用4篇）
智能电导率仪设计 篇1
1 电导率仪简介
高纯物质中金属元素的测定已有数十年的历史, 最通用的分析方法有原子吸收光谱法、发射光谱法、分光光谱法、极谱法等;中子活化法及质谱分析法亦有一定的应用, 但由于仪器昂贵以及分析条件较高的特点, 其应用范围受到限制。在高纯水分析中, 进年来离子选择性电极技术发展极为迅速。电解质电导率值是电解质溶液的一个基本物理化学量。在过程检测中电导率的测量与监控具有十分重要的地位, 它是利用溶液的成分和电导率之间具有一定关系的特性来分析介质溶液的导电现象及其规律性的测量方法。由于电导测试技术具有灵敏度高、可测范围宽、结构简单、便于实现连续测量等优点, 被广泛应用于环境监测、工业流程控制、医药卫生、科学研究和产品质量检验过程。电解质电导率国家计量基准的建立对于工、农业生产、科学研究和国防各部门都有重要价值。
2 影响电导率的因素分析
由于电解质的导电是靠离子的迁移来实现的, 电解质溶液在外加电场的作用下, 其电流的大小是外加电压的溶液导电能力决定的。而溶液的导电能力与电解质溶液的浓度及性质有关:a.在一定范内, 离子的浓度愈大, 电导率愈大。b.离子的价数愈高, 电导率愈大。c.离子的迁移率愈快, 电率就愈大。因此电导率与离子的种类有关, 还与影响离子迁移率的外部因素有关, 如温度、溶剂、黏等。
温度对测量的影响:其中影响溶液电导率变化最大的外在因素是温度, 主是因为温度升高直接响电解质的电离常数, 使电离常数增大。此外, 温度升高, 亦会使离子热运动加快, 导电能力增加从对电导率有直接的影响。在被测对象不变的情况下, 为统一和比较水质, 公认25℃为电导率的标准度。当水温不为25℃时, 就要进行温度补偿, 折换成25℃时的电导率。由于溶液的电导率是随着溶液的温度呈非线性变化, 而且电导率的温度系数又随电导率呈非线性变化, 不同纯度的水在不同温度下有不同的温度系数。
由于电导测量仪器的指示刻度的方法是把电导池系统看作一个纯电阻元件, 但在测量电源为交流时, 电导池不再是一个纯电阻, 而是包括容抗在内的阻抗了, 其总的电导值为两者的电导值的矢量和, 尽管在电导测量研究中, 采取了各种措施加以克服, 但对电导仪在实际测量中还是造成了一定的误差。交流激励源的采用不可避免的在电导测试系统后续电路中需要引入一系列的环节 (如相敏解调、滤波电路) 对交流信号进行处理, 使得测试系统结构复杂, 数据采集速度大为降低, 难以满足对生产过程进行在线检测, 实时控制的要求。虽然国内外的研究者采用了高阶滤波器、乘法解调等措施不断改善采集速度, 但由于激励原理的限制, 数据采集速度一直难以得到质的提高。
3 电导率测量仪的设计
3.1 测量原理
电导传感器可以将待测量的变化转化为电导的变化, 测量电路则是将反映电导变化的信号转换成电压或电流信号, 并进一步转换成数字量送入单片机进行处理, 最后加以显示。由于导电液体在直流激励模式下会产生极化现象, 常规的电导测量装置都是采用高频正弦波作为系统的激励源进行测量的, 不可避免地在电导测试系统引入复杂而耗时的后续信号处理电路。
根据这个特点:本系统采用高频率的双极性脉冲方波作为激励, 由于在激励信号的前半个周期和后半个周期, 激励电流同值反向, 被测系统中那种介质极化现象就得以削弱。并且通过系统软件的控制, 经放大器放大输出的电压信号Vo在被采样时己经稳定。由于A/D采样点位于电压波形稳定后的平坦部位, 在这一段时间内系统相当于受到一个恒定直流电压信号的激励, 被测电压信号不再需要复杂的处理, 相敏解调、滤波等环节就可以省略, 这样极大地简化了系统的结构且提高了数据的采集速度。
3.2 电导率仪总体设计
电导率测量系统硬件设计[25]主要由电导测量电路、温度采集电路、液晶显示电路组成。其中电导测量电路又包括电导池、方波发生电路、量程切换电路、A/D转换。
方波发生器产生占空比为50%的正负脉冲电压加到电导池电极的两端, 流经电导池的电流经过运放放大后变为电压信号, 送入单片机再经过A/D转换后, 完成电导率信号的采样。然后再进行溶液温度的采样, 最后单片机计算得到被测溶液在25℃基准温度下的电导率。并将计算后的结果与设定的状态比较, 产生相应的控制动作或声光报警。
软件系统采用模块化设计, 主要功能模块有:初始化程序, A/D采样子程序、换档子程序, 数据处理子程序, LCD显示子程序。
本系统控制的电磁阀使用220v交流电, 所以采用继电器驱动。为了保证系统的抗干扰能力, 采用光电耦合由晶体管来驱动继电器。为消除断开线圈时产生的反电动势干扰, 继电器线圈增加了续流二极管;另外继电器驱动的负载也是感性的, 应在继电器接点两端并接火花抑制电路, 防止产生电火花干扰。
摘要：电导率的测量广泛应用于环境监测、工业流程控制、医药卫生、科学研究和产品质量检验过程, 其中环境水质监测、电子工业用水水质评定是最为突出的应用例子。随着工业的不断发展, 越来越多的产品、技术开始对介质的导电性能、成份要求给出准确的分析和评价, 而且在实时性、准确度等方面提出了更高的要求。本文设计了一种智能电导率测量仪, 该测量仪可实现无线传输并可组成分布式测量网络, 满足多点同时测量, 远距离实时监控的要求。
关键词：计量技术,电导率仪,设计
参考文献
[1]赵学增, 赵立新.苏平等.DD-1型电导测量仪的研制[J].东北林业大学学报, 1997, 25 (1) :78-80.
[2]张敏.一种新型电导信号测量仪的研制:[D].杭州:浙江大学, 2005.
[3]颤宝贵.一种特殊类型的工业电导仪[J].化工自动化及仪表, 1998, 25 (4) :53-54.
[4]蒋焕文, 孙续.电子测量[M].北京:中国计量出版社, 1988.
[5]张国忠, 赵家贵.检测技术[M].北京:中国计量出版社, 1998.
[6]费业泰.误差理论与数据处理[M].北京.机械工业出版社, 2002.
[7]张迎新, 雷道振等.非电量测量技术基础[M].北京.北京航空航天大学出版社, 2002.
[8]陈志勇.自动换档水电导率仪的研制:[D].天津:河北工业大学, 2004.
嵌入式智能电导率仪的设计 篇2
1 测量原理
测量电导率的原理很简单,主要就是测量溶液的电阻值。电导和电阻互为倒数,通过测量溶液的电阻,取其倒数就能得到溶液的电导,再根据电导率的公式即可求得溶液的电导率[1]:
式中G——电导,S;
R——溶液电阻,Ω;
ρ——电阻率,Ω·cm;
r——电导率,S/cm;
L——导体长度,cm;
A——导体横截面积,cm2。
由于溶液的标准电导率是规定在标准温度25℃下的,因此测量出来的电导率还要配合温度补偿公式来转换为标准温度下的电导率[2]:
而在实际测量过程中,电导池是一个比较复杂的物理模型,如图1所示。
其中RL1、RL2为电极的引线电阻,大小可忽略;Z1、Z2为极化作用引起的极化电阻,在交流激励下被双层电容CDL1、CDL2短路;Cp为引线分布电容;Rx是溶液的电阻。
双层电容的大小为μF级,电缆引线电容为pF级[3],在激励信号频率合适的范围内,系统可以简化为如图2所示的模型。
一般情况下溶液的电阻比较大,电导池模型可以进一步简化成溶液电阻和引线分布电容并联的情况,如图3所示。
方法的重点就是用两个不同频率的方波信号作为激励,来获得两个信号值,建立两个方程,从而解出溶液电阻Rx。
2 系统的总体设计
系统的总体设计如图4所示。
系统采用S3C2440作为核心处理器,LCD显示屏作为显示接口,Flash和RAM作为存储模块。系统还带有串口通信模块、报警单元及复位电路等。系统可通过以太网接入网络。系统以MOD-BUS作为通信协议完成与测量节点间的通信。
3 硬件电路设计
S3C2440A处理器是基于ARM920T的内核,处理器集成了大量片上功能:外部存储控制器、LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)提供1通道LCD专用DMA、3个通道的UART、2通道SPI、多达130个通用I/O口和24通道外部中断源。S3C2440A主要负责对测量节点的数据进行存储、管理,对报警信号进行处理并对测量节点进行控制,还完成系统接入网络以实现远程在线监控功能。
测量节点选用MSP430单片机作为主控制器。MSP430单片机是集多种技术于一体的超低功耗十六位处理器,主要完成激励信号的产生、信号的采集、A/D转换及通过总线传输数据等功能。
4 系统软件部分
4.1 采集节点部分
采集节点的程序内容主要分为初始化、标定、测量、显示、串口通信和MODBUS通信协议这几个部分。系统的运行流程如图5所示。
其中系统初始化包括定时器的初始化、串口初始化、A/D初始化、LCD初始化及存储器初始化等。
4.2 MODBUS协议部分
MODBUS是工业自动控制领域较为广泛的通信语言,有纠错能力强、数据传输量大及实时性好等特点。协议可分为ASCII和RTU模式[4]。本系统采用的是RTU模式,RTU的数据帧格式如图6所示。
起始和结束是3.5个字符的时间停顿,设备地址为8位数据,功能码也是8位,CRC校验码是一个16位的二进制数。
在传输数据之前,需要把数据按照标准帧格式进行组帧,接收方接收到数据之后,首先会计算CRC值并与接收到的数据中的CRC值进行比较,完成校验过程。如果完全相同则继续取出设备地址码、功能码和数据,然后对相应的设备进行对应的操作。
4.3 Linux的移植和数据库的移植
系统采用Linux作为监控平台。Linux是开源的,不存在黑箱技术,这个是Linux的最大优势。同时Linux内核小、效率高且更新速度很快。而且Linux还适用于多种CPU及平台。
移植Linux主要包括搭建交叉编译环境,Bootloader引导程序的移植,内核的裁剪、配置与编译及根文件系统的制作等步骤[5]。
本系统采用arm-linux-gcc 3.4.1版本作为交叉编译器来开发应用程序。引导程序选用的是稳定可靠的U-boot,这款Bootloader的全称为Universal Bootloader,支持多款系统和处理器(包括ARM9)。
内核选用Linux 2.6.13,需要进行裁剪及配置等操作。配置方面主要注意以下几点:
a.“General setup”是普通设置,一般不需要修改,使用其默认值;
b.“Loadable module support”是对可加载模块的设置,需要勾选“Enable loadable module support”和“Automatic kernel module loading”完成内核对可加载模块的支持和对模块的自动加载;
c.“System type”需要勾选“S3C2440 Input Clock 12MHz”,再进入“S3C24XX Implementation”子选项,选中“UTU2440”完成内核对S3C2440处理器的支持。
还需要对Networking、Device drivers及File systems等进行配置。
根文件系统的制作是根据文件系统科学分类标准(FHS)来完成的。此标准完成了Linux文件系统的标准化。一个完整的Linux根目录包含dev、root、usr、var、home、proc、bin、sbin、etc、boot、lib、mnt、tmp及initrd等子目录。
为了对每个采样节点的数据及报警消息等信息进行统一管理,在系统中移植了嵌入式数据库MYSQL。该数据库提供了大量C语言的API函数。定义一个结构体MYSQL_RES,用来存放数据查询结果,具体代码如下:
MYSQL*mysql_real_connect(MYSQL*mysql,constchar*host,const char*user,const char*passwd,const char*name,unsigned int port,const char*unix_socket,unsigned int client_flag)//用来连接一个MYSQL服务器
int mysql_create_db (MYSQL*mysql,const char*name);//创建一个数据库,命名为name
MYSQL_RES mysql_query(MYSQL*mysql,const char*query);//操作函数,query为执行的SQL语句
int mysql_close(MYSQL*mysql)//关闭数据库
5 算法介绍
为了得到溶液的电阻,进而求得溶液电导率,最重要的就是要消除引线分布电容的影响,根据以下公式来求得溶液电阻[6]:
其中。n为高频和低频的比值,。RL、RH分别为低频和高频下测得的视在阻值。可根据不同的n值求出不同情况下的Pnw值。视在阻值的相对误差越小,最后得出的溶液电阻值越准确。
6 试验结果及结论
本课题已经完成了智能电导率仪的样机制作,并进行了大量的试验,验证了系统的准确性和稳定性。表1列出了样机的部分测量结果。
从表1中的数据可以看出,仪表的测量值和标准值的误差小于0.5%,精度高于国家标准,甚至超过了一些国内外的仪表厂。
7 结束语
笔者所研制的嵌入式电导率仪,结合了嵌入式技术、嵌入式数据库技术及现场总线等技术。仪表测量精度高、稳定性好、性能优越。实现了对现场数据的远程监控,符合工业要求,适应物联网的需求,具有很好的使用价值和推广意义。
参考文献
[1]任涛.基于MSP430单片机的智能在线电导率分析仪的研制[J].江苏电机工程,2007,26(2):27-29.
[2]张国城.电导率仪温度补偿两套公式的根源及其优劣[J].中国计量,2010,(8):86-88.
[3]赵学亮,史云,冯苍旭.双极性电压脉冲激励的智能电导率测量仪[J].自动化仪表,2011,32(1):76-79.
[4]郑宏彦,苗世洪,张军民.基于ARM9微处理器的Modbus通信协议的实现[J].电气应用,2007,26 (5):45-48,79.
[5]刘建圻,曾碧,郑秀章,等.基于S3C2440的嵌入式导航平台的设计与实现[J].自动化与信息工程, 2008,29(2):1-3,13.
基于单片机的电导率仪设计探讨 篇3
1电导率仪系统基本组成
电导率仪系统主要包括单片微型计算机、温度与电导测量模块、记录输出仪、RS232通讯系统、LED panel (即LED显示屏) 、键盘以及报警装置。该系统的核心装置就是单片机 (型号为:C8051F020) , 这是一种有十二位位100ksps的八通道移动ADC的混合信号系统级MCU芯片 (完全继承) , 有PGA接口以及能够对多路开关进行模拟, 两个十二位数/模拟转换器, 是可以单独工作的系统。其工作的基本原理是:电导与温度测量电路对于溶液的电导、温度的信号进行采集, 通过放大偏移、限幅以及隔离之后, 输入到单片微型计算机, 通过内部的模拟开关进行分时记录, 输入到内部移动ADC, 通过转换之后的数据再经过处理之后输入到LED屏上加以显示。
2硬件系统的设计
2.1电导测量电路的设计
电导测量电路包括激励源所产生的电路、偏移放大以及限幅电路等。常规的电导测量系统大部分选择的激励源为高频正弦波从而对电导数据进行采集使得传感器完成激励, 必须通过一定的程序比如相敏解调从而对交流信号实施处置, 造成测试的系统的结构变得更加复杂, 数据采集的过程比较长。本电导测量系统选择了一种新的激励方法, 系统所选择的激励源为方波电压源。利用软件进行控制, 使得模拟转换器采样跳过由于方波极性波动产生的脉冲波动区, 落在电压波形平稳之后的位置, 这等同于电极受到相同的直流电流信号的激励, 节省了后续的处理电路。为了有效运用C8051F在片系统的基本功能, 利用程序控制数/模转换器所输出的占空比为百分之五十的脉冲波, 利用偏移放大电路产生的比较平稳的方波电压当作系统的激励源。增加频率能够减弱介质的电极化效应, 但是受到电容效应造成的影响, 提高的频率不宜太高。通常在低导的时候选择低频, 高导的时候选择高频, 计算以及实验过程中发现, 选择1000赫兹的频率其精度与适应性都比较好。
2.2RS232通讯的设计
RS232C串行通信技术一般利用两条线能够在上位机和单片微型计算机之间实现全双工异步串行通信。C8051F单片卫星计算机输入输出为晶体管-晶体管逻辑电平, 上位机所采取的标准串行接口是RS232, 两者的电气规范并不相同, 需要实施电平转换。+5伏的供电电源就能满足MAX232E芯片的要求, 就能够完成晶体管-晶体管逻辑电平以及RS232C电平的相互转换。由于工业现场的干扰因素比较复杂, 因此选择TLP521双光耦以及2个三极管, 设计成一个简易的、成本比较低的隔离电路, 以提高仪表的抗干扰能力。
2.3记录仪输出的设计
C8051F的内集成为两个十二位数模转化器, 其精度能够确保经过转换之后所输出的电压信号非常平稳, 有足够高的分辨率, 能够达到测量精度的规定。通过该分辨率足够高的电压来对电流源电路进行控制, 从而达到由电压信号向4毫安至20毫安的标准工业电流信号进行有效转换。电路具备线性隔离的功能, 包括1个放大器以及1片双光耦。双光耦选择TLP521, 其中1个用以反馈, 另外1个用来输出, 从而对其非线性进行补偿。对于线性隔离电路前后级应当选择不一样的电源进行供电。试验证明, 该隔离电路的线性误差小于等于0.2%。
2.4温度测量及其补偿的设计
工业现场通常难以利用恒温法保持被测溶液在基准温度以下对其电导率进行测量, 必须运用单片机实施温度补偿。该系统采取热电阻四线法对温度进行测量, 并且设计了光电隔离装置, 选择的恒流源为恒流管 (3CR型) , 其温度系数比较低、起始的电压也比较低、电流非常稳定、可靠、电流恒定并且可以调节等特点。热电阻的2根引线和恒流管 (3CR型) 串联组成恒流电路, 另外2根引线对信号进行采集。四线法测量温度能够消除引线电阻所产生的影响, 然而配置软件线性化进行处理, 其测量精度非常高。
3系统的软件设计
软件程序主要包括:初始化、电导采样与温度采样、数据处理、显示子程序以及键盘处理等各种子程序组成。上电复位后首先必须执行的就是初始化程序, 其功能是给单片机赋于初值, 使之为正常工作做好准备, 并且对中断的初始化进行设置。电导与温度信号的采集选用中断程序进行。电导采样子程序所起到的作用是作为激励源的开关、将延缓、稳定放大信号的时间以及模数转换。而数据处理子程序起到的作用对正负半周期所采集到的电导信号实施作差处理。由于利用作差值还能够有效消除直流激励检测系统产生的低频噪声, 增强系统采集数据的精度。子程序还有对误差以及温度补偿进行计算。
摘要：介绍了单片机的电导率仪的研究与设计, 阐述了单片机电导率仪的基本工作原理、软、硬件以及各模块的设计。仪器所选用的激励源为方波电压源, 减少了介质电极化的问题, 使得电路设计进一步简化, 其测量的精度比较高、抗干扰的能力比较强、能够自动实施温度补偿等特点。该仪器不仅能够单独运行、实时记录, 还能够和PC机串行工作, 有利于对数据进行保存以及管理, 能够很好地应用于各种工业现场。
关键词：单片机,电导率仪,设计
参考文献
[1]王小利, 董晓舟.单片机自动检测系统的设计[J].实验室研究与探索, 2010, (4) .
基于单片机的电导率仪设计探讨 篇4
1电导率仪系统基本组成
电导率仪系统主要包括单片微型计算机、温度与电导测量模块、记录输出仪、RS232通讯系统、LED panel (即LED显示屏) 、键盘以及报警装置。该系统的核心装置就是单片机 (型号为:C8051F020) , 这是一种有十二位位100ksps的八通道移动ADC的混合信号系统级MCU芯片 (完全继承) , 有PGA接口以及能够对多路开关进行模拟, 两个十二位数/模拟转换器, 是可以单独工作的系统。其工作的基本原理是:电导与温度测量电路对于溶液的电导、温度的信号进行采集, 通过放大偏移、限幅以及隔离之后, 输入到单片微型计算机, 通过内部的模拟开关进行分时记录, 输入到内部移动ADC, 通过转换之后的数据再经过处理之后输入到LED屏上加以显示。
2硬件系统的设计
2.1电导测量电路的设计
电导测量电路包括激励源所产生的电路、偏移放大以及限幅电路等。常规的电导测量系统大部分选择的激励源为高频正弦波从而对电导数据进行采集使得传感器完成激励, 必须通过一定的程序比如相敏解调从而对交流信号实施处置, 造成测试的系统的结构变得更加复杂, 数据采集的过程比较长。本电导测量系统选择了一种新的激励方法, 系统所选择的激励源为方波电压源。利用软件进行控制, 使得模拟转换器采样跳过由于方波极性波动产生的脉冲波动区, 落在电压波形平稳之后的位置, 这等同于电极受到相同的直流电流信号的激励, 节省了后续的处理电路。为了有效运用C8051F在片系统的基本功能, 利用程序控制数/模转换器所输出的占空比为50%的脉冲波, 利用偏移放大电路产生的比较平稳的方波电压当作系统的激励源。增加频率能够减弱介质的电极化效应, 但是受到电容效应造成的影响, 提高的频率不宜太高。通常在低导的时候选择低频, 高导的时候选择高频, 计算以及实验过程中发现, 选择1000赫兹的频率其精度与适应性都比较好。
2.2RS232通讯的设计
RS232C串行通信技术一般利用两条线能够在上位机和单片微型计算机之间实现全双工异步串行通信。C8051F单片卫星计算机输入输出为晶体管-晶体管逻辑电平, 上位机所采取的标准串行接口是RS232, 两者的电气规范并不相同, 需要实施电平转换。+5伏的供电电源就能满足MAX232E芯片的要求, 就能够完成晶体管-晶体管逻辑电平以及RS232C电平的相互转换。由于工业现场的干扰因素比较复杂, 因此选择TLP521双光耦以及2个三极管, 设计成一个简易的、成本比较低的隔离电路, 以提高仪表的抗干扰能力。
2.3记录仪输出的设计
C8051F的内集成为两个十二位数模转化器, 其精度能够确保经过转换之后所输出的电压信号非常平稳, 有足够高的分辨率, 能够达到测量精度的规定。通过该分辨率足够高的电压来对电流源电路进行控制, 从而达到由电压信号向4毫安至20毫安的标准工业电流信号进行有效转换。电路具备线性隔离的功能, 包括1个放大器以及1片双光耦。双光耦选择TLP521, 其中1个用以反馈, 另外1个用来输出, 从而对其非线性进行补偿。对于线性隔离电路前后级应当选择不一样的电源进行供电。试验证明, 该隔离电路的线性误差小于等于0.2%。
2.4温度测量及其补偿的设计
工业现场通常难以利用恒温法保持被测溶液在基准温度以下对其电导率进行测量, 必须运用单片机实施温度补偿。该系统采取热电阻四线法对温度进行测量, 并且设计了光电隔离装置, 选择的恒流源为恒流管 (3CR型) , 其温度系数比较低、起始的电压也比较低、电流非常稳定、可靠、电流恒定并且可以调节等特点。热电阻的2根引线和恒流管 (3CR型) 串联组成恒流电路, 另外2根引线对信号进行采集。四线法测量温度能够消除引线电阻所产生的影响, 然而配置软件线性化进行处理, 其测量精度非常高。
3系统的软件设计
软件程序主要包括:初始化、电导采样与温度采样、数据处理、显示子程序以及键盘处理等各种子程序组成。上电复位后首先必须执行的就是初始化程序, 其功能是给单片机赋于初值, 使之为正常工作做好准备, 并且对中断的初始化进行设置。电导与温度信号的采集选用中断程序进行。电导采样子程序所起到的作用是作为激励源的开关、将延缓、稳定放大信号的时间以及模数转换。而数据处理子程序起到的作用对正负半周期所采集到的电导信号实施作差处理。由于利用作差值还能够有效消除直流激励检测系统产生的低频噪声, 增强系统采集数据的精度。子程序还有对误差以及温度补偿进行计算。
摘要：介绍了单片机的电导率仪的研究与设计, 阐述了单片机电导率仪的基本工作原理、软、硬件以及各模块的设计。仪器所选用的激励源为方波电压源, 减少了介质电极化的问题, 使得电路设计进一步简化, 其测量的精度比较高、抗干扰的能力比较强、能够自动实施温度补偿等特点。该仪器不仅能够单独运行、实时记录, 还能够和PC机串行工作, 有利于对数据进行保存以及管理, 能够很好地应用于各种工业现场。
关键词：单片机,电导率仪,设计
参考文献
[1]王小利, 董晓舟.单片机自动检测系统的设计[J].实验室研究与探索, 2010, (4) .