（检测技术与自动化装置专业论文）一种新型工业电导信号测量仪的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 电导测试技术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 介质溶液的特性及其规律性的测量方法， 其中由于电极电导率测量法采用的电极 结构简单， 造价低廉， 测量范围广， 在工业生产过程中得到了广泛的应用。 本文 对电极电导率法进行了研究。 作者在参阅国内外大量相关参考文献的基础上，从电导测试技术的原理性 研究出发，详细分析了采用交流激励的传统电导测试系统所面临的种种问题， 提出并研制了一种基于双极性脉冲电压激励的新型电导信号测量仪。经测试， 系统采样间隔时间为1 . 2 0 2 m s ， 利用标准电阻标定后的系统相对误差小于0 .5 %, 满足了工业生产过程中测量信息的在线获取和处理的要求。 本文主要工作总结如下: ( 1 )基于双极性脉冲电 压激励的原理， 本文研制了一种新型的电导信号测量 仪。 该装置采用了双向脉冲电压源作为系统的激励源， 通过快速的正负极性电压 切换来削弱系统采用直流激励时带来的极化效应， 并能够在测量的瞬间有效克服 电容效应的影响， 较传统的采用交流法作为系统激励源的电导测量系统而言， 后 续的信号处理电路结构简单，系统的数据采集速度有了实质性的提高。 ( 2 )通过对标准电阻多次测量， 采用直线拟合法对新研制的电导信号测量仪 在不同增益值的测量范围内进行系统标定， 并获得5 个标定模型， 为进一步进行 电导测量实验莫定了基础。 在解决准确测量某温度下溶液电导率的基础上， 本系 统采用在线查表法实现测量仪的自 动温度补偿。 ( 3 )本电导测量仪同时还考虑了由于几何结构和选材等原因， 一般的电极电 导传感器难以适用于污染严重和对卫生要求很高的工业生产的问题， 专门设计了 具有防腐、 避免电化学反应及带有温度补偿的电导测量探头， 从而实现了工业流 程中溶液电导特性的实时测量( 此装置已申报实用新型专利一项) 。 关键词:溶 液 ，双 极 性 ， 脉 冲 ， 电 导 率 ， 测 量 ， 传 感 器 浙江大学硕士学位论文 abs tract e l e c t r i c a l c o n d u c t iv i ty m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e i s o n e o f i m p o r t a n t p a r a m e t e r m e a s u re m e n t t e c h n i q u e s , w h i c h h a s b e e n w i d e l y u s e d in s c i e n t i fi c r e s e a r c h w o r k a n d i n d u s t r y . i n t h i s p a p e r , t h e e l e c t r o d e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty m e a s u r e m e n t m e t h o d i s d e e p l y s t u d i e d . b a s e d o n t h e e x c i t a t i o n o f b i - d i r e c t i o n a l v o lt a g e p u l s e t e c h n i q u e , a n e w e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty i n s t r u m e n t i s p r e s e n t e d . t e s t i n g r e s u lt s h o w s th a t t h e s a m p l i n g i n t e r v a l t i me o f t h e i n s t r u m e n t i s 1 . 2 0 2 m s , t h a t m e a s u r e m e n t e r r o r i s l e s s t h a n 0 . 5 % a n d t h a t t h e i n s t r u m e n t c a n b e u s e d in i n d u s t r y f o r r e a l - t i m e m e a s u r e m e n t . t h e ma i n wo r k s a r e l i s t e d as f o l l o ws : ( 1 ) c o m p a re d w i t h t r a d i ti o n a l a c e x c i t e d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty s y s t e m , t h e d e v e l o p e d s y s t e m i s e x c i t e d b y b i - d i r e c t i o n a l p u l s e v o lt a g e s o u r c e . t h r o u g h f as t b i - d i r e c t i o n a l v o l t a g e s w i t c h in g , t h e p o l a ri z a t i o n e ff e c t i s a b a t e d . d u r i n g t h e d a t a a c q u i s it i o n ,t h e s y s t e m i s r e g a r d e d as b e i n g e x c i t e d 场a c o n s t a n t d i re c t v o l t a g e p o i n t , w h i c h c a n i m p r o v e t h e r a t e o f d a t a a c q u i s i t i o n a n d s i m p l i 勿t h e c i r c u i t o f e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty in s t r u m e n t s y s t e m . ( 2 ) t h r o u g h m u l t i p l e m e as u r e m e n t s o f s t a n d a r d r e s i s t a n c e , t h e p r o p o s e d i n s t r u m e n t w as c a l ib r a t e d b y a d o p t i n g l i n e a r i ty f i t t i n g m e t h o d a n d f i v e c a l i b r a ti o n m o d e l s w e re o b t a i n e d i n d i ff e r e n t m e as u r e m e n t r a n g e . a ft e r a c q u i r in g a m e as u re d v a l u e , a m e t h o d , w h i c h c a n i m p le m e n t a u t o m a t i c t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n t h r o u g h m i c r o c o m p u t e r s o n - l i n e l o o k - u p t a b l e , i s a d o p t e d . r e s u l t s s h o w t h a t t h e me asu r e m e n t e r r o r i s l e s s t h a n 0 . 5 % a ft e r t h e c a l i b r a t i o n . ( 3 ) a n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty s e n s o r i s d e s i g n e d t o b e u s e d i n h e a v i l y p o l l u t e d i n d u s t r i a l fi e l d o r e n v i r o n m e n t w i t h s t r i c t h y g i e n i c r e q u i r e m e n t . t h e s e n s o r a v o i d e d t h e e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n a n d h a d t h e fu n c t i o n o f t e m p e r a t u r e c o m p e n s a ti o n . k e y w o r d s : s o l u ti o n , b i - d i re c t i o n a l p u l s e , e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty , m e as u r e m e n t , s e n s o r 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪 论 摘要 本章主要介绍了电导率参数检测的重要意义以及电导测试技术 存在的测量特殊性和不足; 简述了电 极电导测量方法的国内外研究和 应用概况;最后概要说明了 新型电导信号侧量仪的研制工作和意义。 本章主要内容 电导测量方法的重要意义 电导测试技术存在的测量特殊性和不足 电极电导测试技术的国内外研究和应用概况 本文的主要工作和意义 浙 s 大学硕士学位论文 1 . 1课题的背景 生产水平与自 动化程度的 提高， 需要先进的检测仪器和仪表作基础川 。 过程 检测仪器的应用， 提高和保证了 产品的质量， 降低了原材料的消耗， 提高了生产 率， 这就大大地促进了工业生产的发展， 可以说过程检测仪器是现代化工厂必备 的 仪 器 设 备 冈 。 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 法团 。 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， 被广泛应用于自 动/ 连续监测如水质的监测和水/ 土壤中a 分的测定: 工业流程控制如化肥生产中c o / c 氏的 测定; 钢铁中c / s 的测定以 及 色 谱 仪中 监 测 器 的 应 用 等 间 。 电导率的测量通常采用电极电导 率测量法、 电磁电导率测量法和超声波电导 率测量法， 尤其以 前两种 应用更为 普遍。电 磁电导 率的 测量1 5 ,6 1 实质上是通过电 磁感应方法测量溶液回路导电能力， 通过一个线圈( 发射极) 在液体回路中感应 出电压， 通过另一个线圈 接收极) 接收由 于感应电压而在液体回路中产生的电 流。 只要保持每一个线圈的圈数恒定， 则液体回路中的电流与电导率成正比。 这 种测量法由 于不使用电极， 不存在电 极极化问题， 也不存在电极表面涂镀耐腐蚀 材料和堵塞问题， 可在强酸强碱、 高 温高压等恶劣的条件下使用。 但该方法的测 量机理决定了它只能测量高电导率的溶液， 测量范围 窄， 而且使用该方法研制的 电导率仪造价较高， 体积大。 相对而言， 电极电导率测量法采用的电极结构简单、 造价低廉， 测量范围广， 尤其适于低电导率的测量， 本课题主要研究电极电导率 的a q 量法。 电 极电 导率 测量法根 据电 解导电 原理， 采用电 阻 测量法间 接测量电导率门 ， 电导测量电极在测量过程中表现为一个复杂的电化学系统， 存在着一些测量的特 殊性，表现为: ( i ) 极 化 现 象 18 )测量 电 解 质 溶 液电 导( 率) 与 测 量金 属电 阻 不同 ， 一 般不 使用直流电 源， 因为若用直流电源进行测量， 电 极就会产生极化现象， 严重影响 a量精度。极化现象可分为化学极化和浓差极化两种，分别介绍如下: 化学极化的产生是由于电解产生物在电极和溶液之间造成一个电势， 其方向 与外加电势相反， 使得电极间的电流减小， 等效的溶液电阻增加， 结果产生了误 差。 浓差极化的产生是由于主体溶液在没有搅拌或搅拌不匀的情况下， 由于电化 学反应， 使得电极表面离子浓度降低， 而主体溶液的离子又来不及迁移至电极上， 造成极差电位。浓差极化的存在也影响测量精度。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 寄 生电 容9 ,1 1 。 当 交 流电 流 通过电 极 和 溶 液时， 除 呈 现电 阻 外， 还呈 现 电容。 其中， 电极和溶液接触处的两层电荷之间的电容与溶液电阻相串联， 形成 静电容; 此外， 因电荷的互相迁移及电荷对于电极的迁移所形成的电容， 与溶液 电阻相并联， 形成电解质电容。 电极引线分布电容可以并入电解质电容一起考虑。 电容的存在不仅改变了两个极片间的电阻值，还会造成相移，引起误差。 ( 3 ) 温度对测量的影响。 温度直接影响溶液中电 解质的电 离度、 溶解度、离 子迁移速度、溶液的粘度和溶液的膨胀等，从而影响了溶液电导率的准确测量。 长期以来， 为了避免极化现象的产生， 传统的电导测试仪基本上不采用直流 供电， 而采用交流供电， 这样除了会引起上述的测量误差外， 还不可避免地需要 引入一系列的环节( 如相敏解调) 对交流信号进行处理， 使得测试系统结构复杂， 数据采集时间较长， 其实时性也不尽人意。由此， 寻求既可克服上述各种因素的 影响， 提高系统的实时重现性， 又可在电导仪中简便、 可靠实现的电导测量方法 已成为技术研究人员和电导率仪生产厂家关注和研究的重要课题。 1 . 2国内外研究和应用概况 1 . 2 . 1电导测量的研究概况 目前， 国内外电极电导测量方法有很多种， 按电极在测量电路中的位置可以 分为四 种1 0 ,1 1 , 1 3 1 : 1 ) 电 桥法 ( 包括平衡电 桥和不平衡电 桥) 。 这时电 极作为电 桥 的一臂。这种方法常用于高要求的实验室分析。2 )电流法。电极一般在运放的 输入端， 激励源在电极中产生一正比于被测电导率的电流， 该电流经标准采样电 阻产生正比于电导率的交流电压， 再经放大、 整流、 滤波将交变电压转换成正比 于电导率的直流电压。3 )分压法。电极与分压电阻相串联，从电极两侧或电阻 两侧取电压。 分压电阻分档可调， 后接放大、 检波 ( 整流) 和滤波电路， 这是一 种相当成熟且应用广泛的测量方法。 4 ) 频率法。 用电阻一 频率变换电路， 或用时 基电 路与电 导电极传感器构成多谐振荡电路将电导率转化为频率信号， 电 极作为 振荡电路的一部分。 这种方法提供了高精度远距离的传输方式， 且结构简单， 成 本低，易做成便携式电导仪。 由于温度影响电导率的准确测量， 因此电导检测仪应采取合理的温度补偿措 施， 这方面也是国内外学者研究的重点之一， 己商品化的仪器温度补偿方法主要 有 以 下 三 种 14 ,151 , i ) 恒温法。将被测溶液的温度预先恒温到基准温度条件下再进行测量。 但 恒温法需要价格昂贵的精密恒温装置， 条件也很难控制， 所以在现场很少被采用。 2 )手动温度补偿法。在电导率仪上设置手动温度补偿装置。如日本的 c m 浙江大学硕士学位论文 -5 b型电导仪、上海雷磁仪器厂的d d s -3 0 4 型电导率仪。这种方法以检测纯 水电导率为例，需先测出水温，并只考虑电解质溶液电导率的温度系数是2 %, 误差较大。 3 )自动温度补偿法。包括热敏电阻温度补偿法、参比法和逐点逼近温度补 偿法。 目 前最先进的方法是精确测量电导率和温度， 拟和出经验公式， 利用单片机 进行温补，或者将测出的温度和电导率值存入单片机，使用查表方法进行温补。 1 . 2 . 2电导测量方法的应用概况 随着传感器的更新和微处理机的应用，电 导率仪的发展十分迅速 1 6 1国 外 生产电导率仪的著名厂家有日 本横河公司， 英国肯特公司等。 横河公司 ( y e w) 曾推出e y a s c智能化二线式电导率变送系统， 不但具有高性能和多功能， 而且 使用方便， 测量范围、 温度补偿的基准温度和温度系数、 电极常数都可以任意设 定，所采用的四电极式探头做到线性化。英国肯特公司 ( k e n t )曾推出两种新 的电导率变送器 ( 4 5 1 1 型和4 5 2 1 型) 。4 5 1 1 型是墙挂式仪表，显示器为5 位数 字显示测量值。 4 5 2 1 型是盘装式仪表， 显示器为2 0 个字符点阵显示单元。 两种 变送器均能提供设置和操作时的信息 ( 电极常数、 参比温度、 温度系数、 报警状 态等) ，最多能提供 4个可编程设定点。里兹一诺斯莱仪器公司 l e e d s简述了电极电导测量方法的国内外研究和应用概况; 最后概要说明了新型电导信号测量仪的研制工作和意义。 第二章 文献综述。 主要介绍了 关于电导的一些基本概念以及影响溶液电导 率大小的因素。 通过对电 解质溶液导电 机理的阐述， 进一步对传统溶液电导测量 系统采用交流激励电源时， 所面临的问题作了详尽的分析。 对当前几种常见的电 导测量方法， 作者分别从技术原理、 特点和适用范围等方面进行综述， 并通过对 比，讨论它们各自的优势和不足。 第三章基于双极性脉冲电压激励的电导测量系统的研制。 基于双极性脉冲 电 压激励的原理设计了一种工业用电导信号测量仪， 它包括电极电导传感器的构 造， 电导检测电路的设计和下位机数据采集程序的实现。 本章依次进行详细介绍。 第四章基于双极性脉冲电压激励的电导测量系统的数据处理。 本章通过对 标准电阻多次测量，采用直线拟合法对新研制的电导信号测量仪进行系统标定， 并建立标定模型。 在上位机的数据处理程序的导引下， 对采集到的电压信号依次 采用数字滤波、 调用标定模型， 完成系统的非线性自 校正， 从而实现电导参数的 准确测量; 通过对传统温度补偿方法概括性的总结， 针对存在的缺陷及课题的研 究方向，提出了一种利用软件实现温度自 动补偿的方法。 第五章结论。 总结了 本论文的工作， 为新研制的电导测量仪进一步研究提 出了几点想法。 浙江大学硕士学位论文 第二章 文献综述 摘要 本章主要介绍了关于电导的一些基本概念以及影响溶液电导率 大小的因 素。 通过时电 解质溶液导电 机理的阐述， 进一步对溶液电导 测量系统通常采用交流激励电源时所面临的问 题作了 详尽的分析; 最 后列举了当 前几种常见于文献报道的电导测量方法，分别从技术原 理、 特点和适用范围等方面进行综述， 并通过对比， 讨论它们各自 的 优势和不足。 本章主要内容 电导的基本概念 影响溶液电导率大小的因素 电解质溶液的导电机理 采用交流激励电源的电导测量系统所面临的问题 分析、比较几种常用的电导测量方法 浙江大学硕士学位论文 2 . 1电导概述! 。 物质按其在电场作用下导电与否分为导体、 半导体和绝缘体。 导体又可按导 电方式分为两大类。 第一类导体称为电子型导体， 是依靠自由电子在电场作用下 作定向运动而导电的导体; 第二类导体依靠离子的定向移动而导电， 称为离子型 导体。 在工程技术上， 通常用电阻来衡量第一类导体的导电能力， 用电导来衡量 第二类导体的导电能力 2 . 1 . 1电导与电导率1 0 ,1 71 当电流通过导体时， 都会受到阻力的作用， 称为电阻， 用符号表示为r，由 下式确定: r = ( 2 . 1 . 1 ) 式 中 : 1 为 导 体的 有 效 长 度( c m ) ; a 为 导 体 的 有 效 横 截 面 积(c m z ) ; p( c m 2 ) ; 为 电 阻 率( 0 c m ) ， 它 是导 体的 一 个电 特性 参 数， 当i 为l c m , a 为1 c m 2 时， 则 有 r=p c p ( p f 级) 。 在高溶液电阻或者采用高频情况下，双电 层电容 c x 容抗相对很小时， 则双电层电容也可 以省略掉，得到进一步简化的等效电路如图 2 . 4。电导池等效为溶液电阻和引线分布电容 r x c c p 一 图2 . 3简化的等效电路图 r x 亡三 一 i -c a 必 一 一一 一 号卜 - 一 一 书 卜 - 一 丫 相 并 联 ， 这 种 等 效 电 路 也 很 常 用 。图 2 .4 进 一 步 简 化 的 等 效 电 路 图 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。 ( 3 )实时性差。 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。 虽然囚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。 2 . 4几种常见的电 导率测量方法 传统的电 导 率测量方法中， 电 桥法叫是比 较基 本的 一 种方法。 按照使用电 源 的不同可分为直流和交流两种。 根据读取测量结果时电桥状态不同， 又可分为平 衡电桥和不平衡电桥。 以 交流平衡式电 桥为例， 电极作为电桥的一臂， 为了 消除 电容效应引起的电导池电 压和电流的相移， 通常可在可变臂上并联一个可变电 容， 进行电容补偿。 显然这种方法补偿效果很不理想， 且不能随着电容变化实现 自 动测量。现在己应用不多。 目 前， 存在几种比较成熟的电导率测量方法， 相敏检波法、双脉冲法、 动态 脉冲法和频率法。 这些方法对于解决电导率测量中的极化效应、 电容效应效果较 好， 各有优势。 本节将介绍这些方法的工作原理， 并对它们的特点作一总结， 进 浙江大学硕士学位论文 行比较。 2 . 4 . 1相敏检波法，“ ， 2 . 4 . 1 . 1工作原理 由 原理框图2 . 5 所示， 振荡器产生正弦波电压加到电导池电极两端， 溶液电 阻r x 和双电层电容c x 构成一个通道，引线分布电容c p 也构成一个通道。如果 在高溶液电阻下或者激励源频率很高，以至c x 容抗足够小，可以将其忽略，则 可以视为正弦信号通过一个电阻和一个电容，正弦信号通过电容产生 9 0 “的相 移。 根据这一特点， 利用相敏检波器， 用与输入激励源信号同相的开关信号控制 整流电 路， 将通过电容的一路信号转化为纯交流信号， 而通过电阻的一路信号由 于相对于激励源无相移， 正常整流， 再经过低通滤波， 交流信号被滤除，即引线 电容的影响被消除， 而滤波得到的直流分量只与溶液电阻 ( 即电导率)有关，故 由输出直流量可以求出电导率。 r xc x -r . - 一j一 #1 导通， 电阻r : 的左端接地， r ; 左端接信号， 于是电 路成了 反相放大器， 输入 信号经 a 。 反相放大。 浙江大学硕士学位论文 图2 . 6一种相敏检波电 路 r 。 和c 2 组成低通滤波器，输出直流量。 输入信号经 r 6 和 c , 合电路进入模拟开关，输入信号为两个正弦信号的叠 加。一个信号与激励信号同相，另一个信号与激励信号相差9 0 0 o 从上述分析可知， 与激励信号同相的正弦信号输入后相当于全波整流， 滤波 得直流分量， 而与激励信号相位差9 0 ， 的正弦信号输入后， 得到的仍是交流信号， 无直流分量，滤波为零。 2 . 4 . 1 . 2相敏检波法的特点 相敏检波法滤除通过引线分布电容的电压信号， 使引线分布电容对输入直流 量没有贡献， 输出直流量只和溶液电阻有关， 即和溶液电导率有关， 从而消除了 引线分布电容的影响。相敏检波电路简单，思路明确，应用较广。 但相敏检波存在固有的缺点， 要求通过溶液电阻的信号与通过引线分布电容 的信号相位差9 0 0 。实际上，由 于极化效应不可能被根除，双电层电容的存在使 溶液不可能保持纯阻特性， 这时通过溶液电阻的信号与通过引线分布电容的信号 相位差小于9 0 0 ，相敏检波后的引 线分布电容引 起的电 压信号不能被完全滤除， 而且相敏检波对双电层电容的影响无能为力。 2 . 4 . 2 动 态 脉 冲 法 19, 20, 2 1 2 . 4 . 2 . 1 工作原理 如图2 . 7 所示，r x 和c p 的并联电 路是电导池的 简化等效模型。信号源为脉冲激励源，在脉冲下降沿 时刻测量。假若系统初始态为0 , e 为脉冲幅值， r : 为 测量电阻。 设脉冲时间为t ， 则由拉氏变换及其反变换 可以写出在整个脉冲时间内输出电压的表达式如下 : _ 写 厂 一 c o 份 图 2 . 7动态脉冲法原理图 浙江大学硕士学位论文 v ( t ) = r , + 凡 ( r i 十 r r e - * ) ( 2 . 4 . 1 ) 其中，时iw常数为 : = r , / 凡 几( 2 . 4 . 2 ) 如图2 . 8 所示，当所施加的脉冲宽度t 足够长，则输出电压v 达到某一稳定值。 这时输出电压不受电容的影响， 只反映溶液电阻r x , 可 以 计 算 女 。 下 :v ) v ( t ) 二 e- 灵 r , + r x ( 2 . 4 . 3 ) 卜斗 r x =一 r t ( 2 . 4 . 4 ) 一 - 一 一 一. t t v ( t )的函数曲线 脉冲持续时间足够长，可消除分布电 容c f 的影响，但由于极化作用的存在，使 得到的电阻r x 包含了极化阻抗，因此要设法消除极化效应。 极化阻抗与加在两极的电压大小， 时间长短和溶液成分有关。 因 此要直接求 出极化阻抗是很困难的， 甚至是不可能的。 经研究发现， 对于一定的溶液，当两 极间施加的电压小于一定值时， 溶液将不会发生极化效应， 当电压作用时间很短 时，极化现象可以忽略不计。 由上述分析我们得出结论， 施加的脉冲激励源持续时间在满足消除分布电容 影响前提下， 要尽可能短，而且脉冲幅度要尽可能小， 这样才能消除极化效应。 也就是说我们需要一个脉冲宽度和脉冲幅度均可调的激励源，即动态脉冲。 皿一 _ _ 厂 动态脉冲的产生，要确定宽度和幅 度。 首先确定宽度: 从0 时刻加入脉冲激 励源e , 在输出端对电压v进行连续观测， 每次测量间隔相同的时间段， 如果连续的 两次测量值之差足够小， 则认为输出电压 已稳定， 分布电容己消除， 脉冲宽度确定。 然后确定幅度，脉冲宽度确定后，用所测 得的稳态电压通过式 ( 1 4 .4 )计算被测电 阻， 如果脉冲幅度不够小， 极化现象存在， 该电阻包含极化阻抗。减小脉冲幅度，电 阻值也会减小，当脉冲幅值减小到一定程 度，所测电阻停止减小，则认为极化阻抗 己 被消除， 得到溶液电阻。图2 .9 为确定 图 2 . 9激励源输出脉冲幅 一曰卜 t 。丁 止 激励源输出脉冲 丁.川 片血一日1图 浙江大学硕士学位论文 激励源脉冲幅度示意图， 为进一步消除极化效应， 可以采用对称脉冲激励源， 如 图 2 . 1 0所示。在这两种脉冲激励源下， 采样都是在正脉冲下降沿，即响应进入 稳态后采样。 对于工业中流动的溶液， 可以采用图2 .9 所示激励源， 对于流动缓 慢或静止的流体，则采用图2 . 1 0 为宜。 由于动态脉冲的幅度和宽度都是变化的， 用普通的交直流电源实现技术是很 困难的，这时可以采用数模转换器作为动态脉冲的硬件载体 ( 如图2 . 1 1 所示) ， 幅度和宽度用微处理器软件实现。 测量电路得到电导池输出电压， 先确定脉冲宽 度， 再确定幅度。 被测溶液电阻是未知的， 数模转换的输出只能通过试探的方法 确定。为提高测量速度， 可以通过实验确定一组激励源脉冲幅度， 存储在e p r o m 中， 每次测量时， 根据被测量溶液电阻的大小对d / a 转换值进行简单选择即可得 到结果。 电导池 一 测 量电 路 l 0 x件 卫 曰 微处理器 1日d / a 图 2 . 1 1动态脉冲的产生 2 . 4 . 2 . 2动态脉冲法的特点 电导率测量的动态脉冲法， 通过调整脉冲幅度和对响应的稳态监视消除了电 导池的极化效应。 由于是在稳态时测量， 因此不必进行电容补偿。 动态脉冲法运 用微处理器软件根据测量结果动态产生脉冲， 直到最后得到正确结果， 提高了测 量精度，拓宽了测量范围。但也可以 看出，该方法速度慢，不适于快速测量。 2 . 4 . 3频率法5 , 2 2 1 r v c c 2 . 4 . 3 . 1工作原理 频率法指的是将电导率转化为频率输出 的方法。图 2 . 1 2就是一种电导率一 频率转换 器。 该电路由具有低功耗、 高输入阻抗、 宽电 压范围特点的m o s 型时基电路7 5 5 5 与电极c e 及定时电 容c , 一起构成多谐振荡电 路，并在 7 5 5 5时基电路的输出端引脚 3 接入开关晶体 图 2 . 1 2 频率法测量电原理 浙江大学硕士学位论文 管t 1 ， 用来 扩 展时 基电 路的 带 载能 力， 保 证电 导 率 高限 测 量时， 输出 频 率.f o 具 有很好的线性度。 当电 路开始工作时电 容c上的电 压为 0 ，实际电 路处在置位状态，引脚 3 输出 高电 平， t , 导 通。 v c c 通过t ， 经电 极c e 向c , 充电 ，当v c -1 2 / 3 v c c 时， 6 脚 内部高限比较器反转，时基电路复位， 3 脚输出低电平，t , 截止，同时7 脚内集 电 极 开 路 放电 管导 通， c通 过c e 经7 脚 放电 至v c - 断开时间少于1 0 0 n s 。 同时导通电阻一般小于2 2 欧姆， 实际 使 用中 完全 满 足系 统的 要 求 3 1 1 3 . 3 . 3电 导信号检测系统设计 3 . 3 . 3 . 1等效电阻测量电路原理 浙江大学硕士学位论文 图3 . 4测量工作原理图 图3 .4 是基于双极性脉冲电压激励的电阻测量电路的原理图， 需要指出的是， 该模型是建立在以正负脉冲电压作为电导信号测量系统激励源的纂础上的， 在消 除了 极化因素与寄生电容的影响下，可以 将被测电导视为一纯电阻。 恒压源 e 1 和e 2 分别与模拟开关s 相连， 通过对模拟开关的正、负切换来实现本系统的双 向脉冲电压激励源。 r s , r f 和运算放大器u构成反向放大器电路， r s 是插入被 测介质中一对电极间的等效电阻， 它的一端同激励电路的输出端相连， 另一端则 与u的反向输入端相连。激励电 压源通过对该电极对的输入端施加激励而在被 测介质内建立电流场， 在测量的某一时间间隔内， 等效电阻视为受到一直流信号 的激励， 与电压、 电 流间遵循欧姆定律， 被测介质的电导与反向放大器的输出电 压成线性关系: u o = 一 珑 r f / r s ( 3 . 3 . 1 ) 式中:v i 是双向电压源的输出电 压。因 此在给定的激励下，只要测量其输出电 压的变化就可以测得等效电阻的变化，进而反映被测介质内部电导率的变化。 本系统在一个测量周期内， 对反相放大电路的输出电压采样两次， 一次a i d 采样在激励信号的正半周期内，另一次 a / d采样在激励信号的负半周期内，两 次a / d采样结果的差值作为一个测量数据值。由 于两次a / d采样的间隔非常短 ( 小于l o p s ) ，可以认为在 此期间 被测介质的电导率分布未发生变化。由 此，我 们最终测得的电压: v = v , - v o z ( 3 . 3 . 2 ) 式中 : v o i , v , 2 为反相放大电 路分别在正、 反两次激励下的输出电压。 从式( 3 . 3 . 2 ) 中可以看出，最终电压 v可以看作是单向 脉冲电压激励的两倍，输出 信号的增 强有利于提高精度。再者通过取 a / d采样的差值还可以消除采用直流激励的检 测系统存在的低频噪声。 因此， 激励源的改进不仅直接导致了电导测量电路的结 构简化、 成本降低， 还提高了系统的数据采集精度。 经测试，标定后的系统准确 度为0 .5 %，采样间隔时间 t = 1 . 2 o 2 m s ，如图3 . 5 所示: 浙江大学硕士学位论文 一日门日豹 !l 尸一气 厂 l l _ _ l _ _!一今 1梢 一l广 甲!) 月( 丁丁 傲 尸 口 u 出二 1加 zm弓1 记 t巴 31g d ，h足 图3 . 5 采样间隔周期示意图 3 . 3 . 3 . 2检测电路设计 根据前文所述的工作原理， 基于双极性脉冲电压激励的电导测试系统检测电 路的结构如图3 . 6 所示。主要由反相运放器、 程控放大器、 a /d转换器和单片机 等电路组成。 下 一 一 电早 电 压 转 换 电 路 一 川 双向中 压种 一 二 氛 冀 圣 碧 霆 程 于 全 放大器 上 _ _ _ _ _ 通 讯电 路 图3 . 6 电导测量电路框图 电导测量探头含有一对电极薄片， 该电极对通过屏蔽线分别与激励源电路的 输出端和反相放大电路的输入端相连。 当单片机发出启动双向电压源的控制信号 后，被测介质受到激励，被测信号通过电导/ 电压转换电路，传递到可编程增益 放大器的输入端，经程控放大后通过a /d转换器进行模/ 数转换存入单片机。双 向电压源正、反切换、 模/ 数转换器采样控制、增益可编程放大器增益设置等均 由单片机完成。 在正、 反电压源激励下， 先后经过测量、 存入单片机的两个电压 值由单片机进行差值运算后通过通讯电路送至上位pc机进行数据处理。 a/d 转换器把模拟信号转换成数字信号， 这里采用b urr 一 b rown 公司的12位 高速逐次逼近式a /d转换器a d s 7 7 4 。 a d s 7 74是具有基准源、内部时钟、三态输 出缓冲和微处理器接口的完全采样模/ 数转换器，一次转换时间最责为 闷 _ s u 、 浙江大学硕十学位论文 模拟输入范围可以是0 -1 0 v , 0 -2 0 v , - 5 v - + 5 v 或一 i o v + l o v ， 可以输入单极性 信号也可输入双极性信号， 由用户通过改变芯片的外部接线进行选择。本系统输 入的模拟信号是一 i o v - - - + l o v 之间的双极性信号。a d s 7 7 4 可以很容易地和大多数 微处理器系统或其它数字系统接口。 本系统由 微处理器a t 8 9 s 8 2 5 2 对每次转换实 施完全控制， 完成启动转换、 选定输出数据格式和读输出数据等操作。 输出数据 以左对齐数据格式先读8 个高位， 后读4 个低位。 a / d转换器最主要的指标之一是分辨率， 输入模拟信号的最大幅度要与所选 的a d c的量程相匹配才能充分发挥 a d c 分辨能力。例如a d c 满量程输入为 5 v , 而实际模拟电压最大幅度小于2 . 5 v ， 则a d c 的二进制输出码最高位( m s b ) 永远为 零。 反之， 输 入模拟电 压 太大， 超 过5 v 则 不能 得到正 确转换3 6 。由 于被 测介质 的不同， 电导率会相差很大， 被检测的信号幅值也会有很大的变化。 为了得到高 精度的模数转换结果，本系统通过使用程控放大器a d 5 2 6 与a d s 7 7 4 相连，首先 由单片机根据被测信号的强弱及测试量程要求自 动调整放大器的增益倍数， 将输 入模拟信号自 动调整到适合a / d 转换的最佳输入范围， 然后再进行模数转换， 这 样所采集到的信号就会更加接近真实值， 减少了量化误差， 提高了采样数据的可 靠性和准确性，特别是对微弱信号的采样能大大扩展测量仪器的动态测量范围， 从而使系统获得较高的精度。 由于程控放大器的放大倍数要根据实际的采样值大小而定，当刚开始采样 时， a d 5 2 6 无法确定需要放大多少倍。 如果放大倍数过小容易产生较大误差， 从 而失去意义; 放大倍数过大， 容易超量程而产生错误结果，因此， 可以先进行一 次粗测，即在最大量程下，进行一次a / d 转换，然后根据粗测的结果直接判断 应设置的放大倍数。 程序设计采用由 单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 控制，进行两次a / d 转 换的方法，并以第二次a / d 转换的结果为准，从而得到满足相对量化误差要求 的精确测量结果。 由于a d s 7 7 4 的范围在0 -f f f o h 之间， 而采集的数据在一 l o v - + i o v之间， 其对应的数字量为0 -f f f o h , 要确定放大倍数，必须根据具体信号 的大小来决定。 图3 . 7 为不同信号幅度增益设置程序流程图， 程序中所用的基准 值是以a d 5 2 6 在每一增益倍数时系统所测量程的下限，即最大满量程的 1 /( 增 益倍数x2 )对应的数字量，并通过实验反复调试最终确定下来的。增益设置程 序流程解释如下: 首先对被测电导进行粗测， 增益设置为1 ， 然后把存入累加器a 中第一次采 样的结果与b c h 比较， 大于b c h , 放大倍数为2 0 ， 否则再与9 d h 相比 较， 如果大 于9 d h ， 放大倍数为2 ， 小于9 d h 则再与8 e h 比 较， 然后依此类推， 一直到可以 确定其放大倍数为止，接着才进行第二次a / d 转换。故该程序的功能就是确定 放大增益值，并把它们送到 卜 位机以仲讲行 下一 步的豹据朴理。 浙江大学硕士学位论文 fm1 . 启 动 第 - u c a / d # # # a$ v r s 4 2 2 接口标准的通讯距离远， 速度快， 可以提供可靠的远距 离快速通讯，适合工业现场。 3 . 3 . 3 . 3软件程序设计 检测系统的设计内容包括硬件设计和软件设计两方面。 由于微处理器的功能开发不断完善，许多原来由 硬件电路完成的工作可以 通过软件编程来实现。 通常， 硬件结构实时性强， 分辨率高， 但会增加仪器的投 资， 电路较为复杂。 而使硬件和软件合理配合既可增强仪器的功能， 提高仪器的 测量 精度， 又可使系 统的 结 构更简单 和紧 凑， 节省 投资 m 。 在微机检 测系 统中， 软件的设计与硬件关系更是密切， 其所要执行的任务一般都要和硬件设计结合进 行。哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件实现，在硬件电路设计基本定型后， 也就基本上决定f 来了。本测量系统的软件设计由三部分组成: 下位机数据采集程序。如图3 . 8 所示，它主要负责整个数据采集功能顺 序的管理， 实现被测信号的检测、 转换、 采集和基本分析处理， 并将数据结果发 送与p c 机。任务包括双向电压源的切换、程控放大器的增益设置、稳定放大信 号的延迟时间和a / d 转换等。 上位机滤波、转换数据处理程序。主要完成对采样数据数字滤波、 计算 和分析，具体将在第四章详细叙述。 温度补偿程序。 如前所述， 温度是影响电导率准确测量的一个重要参数， 完整的电导测量仪应具备温度补偿功能。 随着微机技术的发展， 温度补偿方法有 了很大的改进，趋于智能化 ( 即硬件电路的调节可由软件实现) 、自 动化，补偿 精度越来越高。本系统对温度补偿的软件方法将在第四单详细叙述。 浙江大学硕士学位论文 系统 初 始 勿 设置增益 判断标志为d ? 正向激励开始一 反向激励开始 程控放大，a i d 转换 转 换 结 果 存 入 数 据 区 标志位取 反 一 一 了 一二 j 3 a 7k 一 一迷 r m 卿 , 关闭澎园 两次采样值作差 1 y4于 jpcgii 清除p g a , a / d 数据 是否结束? )， 图3 . 8数据采集程序流程图 3 . 4小结 本文提出了一种基于新的激励模式的电导信号测量仪。 该装置采用双极性脉 冲电压源作为激励源， 通过快速的正负极性电压切换来削弱系统采用直流激励时 带来的电极极化效应，与交流激励的电导测试系统相比， 具有结构简单、实时性 好等优点; 为了获得准确的测量结果， 该装置在原理上考虑了极化双电层电容和 引线分布电容的影响， 利用单片微机对数据采集时间的严格控制， 使电容效应能 够在测量的瞬间得到有效的克服， 从而提高了数据的采集精度。 另外， 具有防腐、 避免电化学反应及带有温度补偿的电导传感器的优良 设计， 也为整个测量系统性 能的提高奠定了基础。 本系统在硬件上还有不少提速潜力，例如通过对a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机的设置， 使其工作在较高的波特率下以获得更快的通讯速度。 浙江大学硕士学位论文 第四章 基于双极性脉冲电压激励的电导测 量系统的数据处理 摘要 本章通过对标准电阻多次测量， 采用直线拟合法对新研制的基于 双极性脉冲电压激励的电导信号测量仪进行系 统标定， 并建立标定模 型。 在上位机的数据处理程序中， 对采集到的电压信号依次采用数字 滤波、电导一 电压转