基于無線傳輸?shù)碾妼?dǎo)率變送器設(shè)計

彭 超 ，張 鵬 ，肖本賢

(1.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

目前，在工業(yè)、環(huán)保、勘探等自動控制領(lǐng)域中，都需要對液體成分、性質(zhì)等因素進行測定分析，特別是在勘探中，其工作環(huán)境惡劣，對液體分析要求較高。而電導(dǎo)率是液體的基本屬性，通過測量電導(dǎo)率對分析液體純凈度、電介質(zhì)含量及帶電離子濃度有著重要作用，故高精度的電導(dǎo)率測量非常重要?，F(xiàn)實中電導(dǎo)率的應(yīng)用范圍較廣，但對其模型進行系統(tǒng)分析的文章不多，本文在利用非接觸式電磁感應(yīng)線圈探頭檢測液體電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上[1-3]，討論了電導(dǎo)率傳感器激勵信號頻率變化及分布參數(shù)對測量精度的影響，并給出解決方案。考慮到勘探現(xiàn)場有線傳輸數(shù)據(jù)及調(diào)試不方便等缺點，給出了特別適合于低功耗、短距離(100m～200m)、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。

1 測量原理

圖1 電導(dǎo)率傳感器及其測量等效電路

電導(dǎo)率傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩個線圈L1和L2組成，L1和L2是繞有相同匝數(shù)銅絲的鐵氧體磁環(huán)。L1作為輸入激勵線圈，與交流電壓源相連，L2作為輸出信號線圈。測量時將其全部浸入待測液體中，被測液體則必然穿過兩線圈的聯(lián)通孔，形成公共圈。將被測液體看作是具有一定電阻的單匝線圈，此時如果在線圈L1兩端加幅值不變的交流信號，因為液體單匝線圈穿過L1線圈，則在單匝線圈內(nèi)必然有感應(yīng)電流，同時也穿過L2線圈，于是在L2線圈內(nèi)必然感應(yīng)出輸出信號。所以，通過測量線圈L2兩端的電壓即可通過相應(yīng)計算得出待測液體的電導(dǎo)率。

1.1 電路模型

考慮到盛放被測液體的容器很大，測量容器中探頭磁環(huán)外液體阻值與磁環(huán)內(nèi)圓柱形液體阻值相比，阻值很小可以忽略不計。取圓柱形液體長度為L,截面積為S，等效電阻為R，電導(dǎo)率為σ，則有關(guān)系式：。

利用等效電阻R表示液體電阻，可得到傳感器的電路模型，如圖1所示。

圖1中，R為液體等效電阻，R1為取值電阻；T1的一次繞組、二次繞組分別為 M、N（N=1）；T2的一次繞組、二次繞組分別為 N、M（N=1）。

在T1的一次繞組兩端加幅值為 Ui、頻率為 f的等幅交流電壓信號，則必在其二次繞組感應(yīng)出電壓U2：

流過電阻R的電流為：i2=

R1兩端電壓為：U0=R1×i3

綜上各式，得關(guān)系式：

由上述分析可知，運用電磁感應(yīng)原理，測量液體電導(dǎo)率可以轉(zhuǎn)化為測量液體電阻，進而轉(zhuǎn)化為測量輸出端電壓，由于輸出電壓與電導(dǎo)率存在線性關(guān)系，通過一定線性轉(zhuǎn)換，即可求出被測液體電導(dǎo)率。

1.2 仿真分析

為了驗證理論分析的有效性，在MATLAB中對建立的電路模型進行仿真分析。

1.2.1 理想情況下的仿真分析

理想情況下的電路仿真模型如圖2所示，取輸入交流信號幅值為 10 V，頻率為 20 kHz，M=100，N=1，R1=5 Ω，R 分別取值為 1Ω、2Ω、2.5Ω、5Ω、10Ω。

圖2 理想情況下的仿真電路模型

圖3中，曲線a對應(yīng)等效電阻R=1Ω時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線b對應(yīng)R=2Ω時的輸出信號，幅值為2.5 mV；曲線c對應(yīng)R=2.5Ω時的輸出信號，幅值為2 mV；曲線d對應(yīng)R=5Ω時的輸出信號，幅值為1 mV；曲線e對應(yīng)R=10Ω時的輸出信號，幅值為0.5 mV。

由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸出電壓幅值與液體等效電阻R之間存在較高的線性度。但是，這是在理想情況下的結(jié)果。實際中液體、傳輸導(dǎo)線都存在一定的分布參數(shù)，激勵信號頻率的變化對輸出結(jié)果是否存在影響，分布參數(shù)的存在是否會影響到測量精度還需做進一步分析。

圖3 不同電導(dǎo)率下的輸出電壓波形

1.2.2 非理想情況下的仿真分析

非理想情況下，考慮輸入信號幅值為10 V，頻率可變，R取1Ω，現(xiàn)在R的兩端并聯(lián)一個 1 pF的電容C，電路模型如圖4所示。記錄不同頻率下的輸出波形和輸出信號幅值。

圖4 非理想情況下的仿真電路模型

(1)激勵信號頻率為200 kHz、400 kHz、600 kHz、800 kHz、1 MHz時，輸出波形如圖5所示。

圖5 不同頻率激勵信號下的輸出電壓波形

圖5中，曲線a對應(yīng)激勵信號頻率為200 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線b對應(yīng)頻率為400 kHz時的輸出信號，幅值為5 mV；曲線 c對應(yīng)頻率為 600 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線d對應(yīng)頻率為800 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線e對應(yīng)頻率為1 MHz時的輸出信號，幅值為5 mV。由仿真結(jié)果可見，各輸出波形峰值相同，在此頻率段，輸出峰值不受頻率變化影響。

(2)激勵信號頻率為 1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz時，輸出波形如圖6所示。

圖6中，曲線a對應(yīng)激勵信號頻率為1 MHz時的輸出信號，其幅值為5mV；曲線b對應(yīng)頻率為2 MHz時的輸出信號，幅值為4.95mV；曲線c對應(yīng)頻率為3 MHz時的輸出信號，其幅值為4.89 mV；曲線d對應(yīng)頻率為4 MHz時的輸出信號，其幅值為4.82 mV；曲線e對應(yīng)頻率為5 MHz時的輸出信號，幅值為4.72 mV。由仿真結(jié)果可見，各輸出波形峰值不同，頻率越高，影響愈大。實際中分布參數(shù)影響更嚴重，所以激勵信號的頻率會受到限制。

圖6 不同高頻激勵信號下的輸出信號波形

1.3 仿真結(jié)論

理想情況下，輸出電壓幅值與等效電阻呈線性關(guān)系；非理想情況下，輸出電壓幅值受到輸入信號頻率影響，其中低頻時影響較小，頻率越高，分布參數(shù)對輸出電壓幅值影響越大。因此，在實際應(yīng)用中選取的正弦波頻率不宜太高。

當輸入頻率高于1 MHz時，由于被測系統(tǒng)中分布電容存在，輸出幅值將會受到分布電容的影響而削弱，如果用高頻的雙極性脈沖作為激勵信號，在激勵信號的前半個周期和后半個周期，激勵電壓同值反向，被測系統(tǒng)中的削弱現(xiàn)象就得到抑制[4-6]。經(jīng)仿真可發(fā)現(xiàn)，用高頻的雙極性脈沖作為激勵信號時，即使頻率高達1 MHz、2MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz，輸出值為 5mV 不變。 取輸入信號為5 MHz正弦波和5 MHz方波時輸出波形如圖7所示。因此，采用方波信號代替正弦波信號，可有效提高測量精度，減小分布參數(shù)的影響。

圖7 不同激勵信號源下的輸出信號仿真比較

2 變送器設(shè)計

變送器硬件主要由3個模塊組成，即傳感器測量單元、數(shù)據(jù)處理控制單元和無線通信單元。

（1）傳感器測量單元：傳感元件為電導(dǎo)率傳感器探頭和溫度傳感器。由CPU產(chǎn)生的方波激勵信號，經(jīng)放大后送入傳感器測量探頭，輸出信號經(jīng)精密整流、偏移放大、濾波及限幅等處理后送往CPU。

（2）數(shù)據(jù)處理控制單元：從測量單元獲得的電壓與溫度信號由CPU進行數(shù)據(jù)采集、零點與滿量程校正、溫度補償?shù)忍幚韀7-9]，獲得待測液體的電導(dǎo)率，同時對應(yīng)輸出一路4mA～20mA的標準信號。本單元核心部分為16位超低功耗的MSP430系列單片機，該單片機電源電壓為 1.8 V～3.6 V，待機電流小于 1μA，在 RAM數(shù)據(jù)保持方式時耗電僅 0.1μA，在活動模式時耗電 250μA/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)）；具備高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍設(shè)備，包括10/12/16位ADC、12位DAC、比較器、多個定時器、片內(nèi) USART、看門狗、片內(nèi)振蕩器、大量的I/O端口及大容量的片內(nèi)存儲器，一般單片就可以滿足大多數(shù)應(yīng)用需要?；谏鲜鎏攸c，MSP430系列單片機在溫度檢測、智能變送器、便攜式儀表、實用檢測儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

（3）無線通信單元：選用單片集成射頻收發(fā)器芯片nRF905,可直接與各種單片機連接使用，軟件編程非常方便，而且抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓 1.9 V～3.6 V，工作于 433/868/915 MHz 3個 ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650μs。nRF905功耗非常低，工作于接收模式時的電流為12.5 mA，以-10 dBm的輸出功率工作時電流只有9mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。

nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的流程如圖8、圖9所示。

圖8 nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

本文介紹了測量液體電導(dǎo)率的基本方法，并通過構(gòu)造測量電路模型進行理論分析和仿真驗證。結(jié)果表明，在理想情況下，只考慮液體為純電阻，測量電壓幅值大小與液體電導(dǎo)率高低呈線性關(guān)系，具有極高的線性度和精度，且不會受到輸入正弦波信號頻率的影響；在非理想情況下，需要考慮到液體電阻、導(dǎo)線等分布參數(shù)的存在。此時仿真結(jié)果表明，測量電壓幅值大小與液體電導(dǎo)率高低仍呈線性關(guān)系，但會受到輸入正弦波頻率的影響，針對實際環(huán)境需要選擇合適頻率的正弦波激勵信號。針對非理想情況下的這種影響，可選擇高頻雙極性脈沖方波作為傳感器的激勵源，由于在激勵信號的前半個周期和后半個周期幅值相等、極性相反，激勵電流同值反向，可削弱被測系統(tǒng)中介質(zhì)電極化現(xiàn)象，同時可以減弱傳感器與導(dǎo)線分布參數(shù)的影響，可以有效提高測量精度。這里設(shè)計的基于MSP430單片機和nRF905無線模塊的電導(dǎo)率變送器具有功耗低、測量信號穩(wěn)定與精度高、重復(fù)性能好等特點，該電導(dǎo)率傳感器已用于綜合錄井中測量泥漿電導(dǎo)率，也可用于如水質(zhì)凈化、液體電性能分析等領(lǐng)域。

圖9 nRF905接收數(shù)據(jù)流程圖

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