高性能交流恒流電路模擬與實測

張夢玲 黃揚明 周黎斌

(華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,廣州 510640)

在金屬表面處理的金屬清洗工藝中，通過檢測溶液電導(dǎo)率來達(dá)到實時監(jiān)控溶液中有效離子濃度的目的[1]。電極式電導(dǎo)率儀由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉且測量范圍廣，目前在工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用廣泛[2]。電極式電導(dǎo)率儀的測量原理是：當(dāng)給激勵電極對通入幅值和頻率穩(wěn)定的交流電流時，測量電極對上的輸出電壓幅值與液體的電導(dǎo)有確定的對應(yīng)關(guān)系[3]，因此將電導(dǎo)池看成電阻，其倒數(shù)為電導(dǎo)，則利用高性能、高精度的交流恒流電路測得電導(dǎo)電極兩端的輸出電壓值后，再根據(jù)恒流電路特性即可計算出電導(dǎo)值。

影響電導(dǎo)率測量精度的因素有極化效應(yīng)及電容效應(yīng)等[4]，而對于工業(yè)現(xiàn)場在線檢測的電極，由于測量流體介質(zhì)的復(fù)雜性，長時間運行極易導(dǎo)致電導(dǎo)率儀電極發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，從而使測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。為了減少極化效應(yīng)、電容效應(yīng)和結(jié)垢對電導(dǎo)率測量的影響，筆者采用高性能集成芯片設(shè)計了一種交流恒流源電路，用于工業(yè)在線電極電導(dǎo)儀對溶液電導(dǎo)率的準(zhǔn)確測量。

1.1 電源模塊

圖1所示為±5V模擬電源模塊電路。220V交流電壓經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為±15V交流電壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片MC7805T和電容濾波濾去電源中的雜波信號，將±15V交流電壓轉(zhuǎn)換成±5V直流電壓，給信號發(fā)生器模塊供電。

圖1 ±5V模擬電源模塊電路

1.2 信號發(fā)生器模塊

信號發(fā)生器電路采用MAX038芯片，該芯片是一款高精度、高頻率、低輸出電阻且驅(qū)動能力強(qiáng)的新一代函數(shù)數(shù)字可編程波形信號發(fā)生器[5]。MAX038內(nèi)部含有精密帶隙電壓基準(zhǔn)、鑒相器和TTL同步輸出，能以最少的外部元件構(gòu)成多波形高頻函數(shù)信號發(fā)生器，是目前較為理想的信號產(chǎn)生集成芯片[6]。

實驗采用MAX038產(chǎn)生高精度頻率的正弦信號，20kΩ可調(diào)電阻控制MAX038的LIN引腳電流調(diào)節(jié)信號的輸出頻率(0.1Hz～20.0MHz，最高可達(dá)40.0MHz)，各波形的輸出幅度均為2V(P-P)。圖2所示為根據(jù)MAX038特性設(shè)計的信號發(fā)生器模塊。

MAX038采用±5V雙電源供電，由電源模塊產(chǎn)生，+5V接MAX038的V+引腳，-5V接MAX038的V-引腳。OUT引腳輸出設(shè)定頻率為20kHz的波形。經(jīng)示波器檢測，由MAX038產(chǎn)生的高頻高精度輸出波形，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、失真小、漂移小且頻率范圍寬。

圖2 信號發(fā)生器模塊

1.3 測量電路

高精度恒流源電路如圖3所示，由精密運算放大器LM6172IN、LM7171AMJ-QML及高速FET輸入儀器放大器INA128PA等組成。由圖3可知，儀表放大器INA128PA的1腳和8腳間的電阻RG=∞，則電導(dǎo)G=1+50K/RG=1，電壓U40=

圖3 高精度恒流源電路

RA521×I、U50=RA522×I。實驗設(shè)計的電路負(fù)載電阻分別為100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ，采用對稱0.5Ω電阻比擬污垢阻值，該設(shè)計能較好地排除結(jié)垢產(chǎn)生的阻值對電導(dǎo)電極測量的影響。

2 軟件模擬

圖4 軟件模擬結(jié)果

3 實例測試

交流恒流電路實例測試的目的主要是為了分析負(fù)載電阻與擋位電阻和輸出電壓值之間是否滿足特定的關(guān)系式，實現(xiàn)通過測量該恒流電路的輸出電壓，就可以計算出電導(dǎo)池的電導(dǎo)，便于在工業(yè)在線電導(dǎo)率檢測儀上的應(yīng)用。

測試之前，需要調(diào)節(jié)信號再發(fā)生器模塊的可調(diào)變阻器，使信號穩(wěn)定輸出，然后再加上負(fù)載電阻，待電路穩(wěn)定后，開始測量。設(shè)VIN=331.29mV，依次改變擋位電阻RA521的阻值(100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ)，然后，分別改變可調(diào)負(fù)載電阻RA522的阻值(5～50Ω、50～500Ω、0.5～5.0kΩ、5～50kΩ)，利用臺式萬用表HIOKI3228分別測出其有效輸出電壓值，每組重復(fù)3次測量，測試間隔約為1h，取其平均值，并記錄輸出電壓U40和U50，結(jié)果見表1。

表1 不同負(fù)載電阻下的實驗數(shù)據(jù)

(續(xù)表1)

由表1可知，測量值U40、U50在4個擋位的每組序號測量數(shù)據(jù)中，變化幅度均很小，基本恒定，表明擋位電阻和負(fù)載電阻的改變對電路中擋位電阻兩端的輸出電壓影響很小，說明恒流源精度高、調(diào)節(jié)方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

a. RA521=100Ω

b. RA521=1kΩ

c. RA521=10kΩ

表2 RA521=1kΩ時負(fù)載阻值R與其兩端輸出電壓比值U關(guān)系曲線的誤差分析

4 結(jié)束語

采用信號發(fā)生器、集成運算放大器及儀表放大器等多個模塊組成了高性能的交流恒流電路，經(jīng)軟件模擬與實例測試分析證明了此高性能的交流恒流電路具有穩(wěn)定性好、性能高的優(yōu)點，可準(zhǔn)確測量負(fù)載電路的阻值，測量精度可達(dá)0.1%，為工業(yè)在線電導(dǎo)率儀測量電路的設(shè)計提供了良好的理論基礎(chǔ)。

[1] 左玖玲,佟黎明.金屬表面處理工藝水洗過程研究[J].化學(xué)工程師,2009,(10):66～68.

[2] 張龍莊,申紅革,衛(wèi)文紅,等.液體氯乙烯電導(dǎo)率的測定在其分水自動控制裝置中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2011, 38(11):1331～1333.

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[4] 王洪鑄,胡秀麗,傅巍.電導(dǎo)率測量原理[J].黑龍江科技信息,2010,(33):41～42.

[5] 趙興亮,阮炳濤,孟昕,等.一種數(shù)字式移相信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表,2007,28(2):55～57.

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