插值法在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

劉灃萱+萬(wàn)祉妤+張寶輝

摘 要：函數(shù)插值法，可以簡(jiǎn)稱為插值法?；谠诤芏嗟膶?shí)踐問(wèn)題當(dāng)中，函數(shù)f（x）雖然可以得出解析式，但是計(jì)算的過(guò)程比較麻煩，所以在對(duì)于電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償中，希望可以運(yùn)用一個(gè)既能反映函數(shù)特性，又比較簡(jiǎn)單的方法來(lái)進(jìn)行實(shí)踐。本文主要通過(guò)對(duì)插值法，在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐，進(jìn)行探索和研究并得出相應(yīng)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：插值法；溫度；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TH832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

溫度的高低，會(huì)對(duì)溶液電導(dǎo)率，以及電導(dǎo)率傳感器電極電位，產(chǎn)生一定的影響，也可能導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量值的精確度，使之出現(xiàn)降低或下降的問(wèn)題。水溶液電導(dǎo)率是水質(zhì)判斷的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)其溫度變化的測(cè)量和判定，可以解決一些實(shí)際的測(cè)量問(wèn)題，也可以對(duì)礦井突水水源的一些特征進(jìn)行有效地掌握，從而對(duì)煤礦生產(chǎn)所出現(xiàn)的安全隱患和問(wèn)題，在一定程度上提供有效的幫助或改善，所以對(duì)于插值法在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐，進(jìn)行研究和分析，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

一、電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償

（一）溫度補(bǔ)償?shù)脑?/p>

電導(dǎo)率是表示物質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的一種測(cè)量值。對(duì)于各向同性介質(zhì)，電導(dǎo)率是標(biāo)量，對(duì)于各向異性介質(zhì)，電導(dǎo)率是張量。單位以西門(mén)子每米（S/m）表示。電解質(zhì)是指可以直接溶于水溶液或能夠直接進(jìn)行導(dǎo)電的化合物，其有著強(qiáng)弱的差別。電解質(zhì)在水中的離解度以及離子的遷移速度，取決了電導(dǎo)率的大小，并且與之存在非常密切的關(guān)系存在，在實(shí)踐操作中的溫度升高，溶液的電導(dǎo)率也隨之增加，在實(shí)踐操作中的溫度降低，那么溶液的電導(dǎo)率也就會(huì)降低。如果想要更好地解決溫度對(duì)其影響，使其可以在溫度不同的情況下，不同的溶液電導(dǎo)率也可以有可相比性，所以就必須在測(cè)定電導(dǎo)率的時(shí)候，將公認(rèn)的25℃作為最標(biāo)準(zhǔn)溫度，在實(shí)踐操作的過(guò)程中，如果溶液的溫度發(fā)生了變化，沒(méi)能達(dá)到公認(rèn)的25℃，就應(yīng)該立刻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)的25℃的電導(dǎo)率。在實(shí)踐當(dāng)中如果要用到?jīng)]有設(shè)置溫度補(bǔ)償器的電導(dǎo)儀，就必須先進(jìn)行溶液溫度和溫度下的電導(dǎo)率的測(cè)量，使測(cè)出的結(jié)果換算到25℃時(shí)的電導(dǎo)率才可以。

（二）插值法進(jìn)行電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償

在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中，可以采用線性插值法來(lái)進(jìn)行電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償。如果溫度不相同，那么水溶液在實(shí)踐操作中也會(huì)出現(xiàn)差異，因?yàn)闇囟群退芤航橘|(zhì)不同，所以溫度系數(shù)通常在0.02%～0.09%/℃之間，所以就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)不斷的變化。

由此就要制定一個(gè)合適的方案并進(jìn)行實(shí)際的實(shí)施操作。首先要確定溫度條件，并將大量的、具有不同電阻率的水樣，在溫度條件相同的情況下，根據(jù)規(guī)則在所測(cè)的水樣中，將一個(gè)水樣當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)水樣，從而構(gòu)造電阻率T溫度（p-t）的關(guān)系曲線。然后在實(shí)際操作中測(cè)量水溶液時(shí)，第一步需要測(cè)定水溶液t的溫度，算出溫度之后，才能得到相應(yīng)的電導(dǎo)率。采用插值法求出這些水樣在溫度t下的電導(dǎo)率，然后通過(guò)之前所得數(shù)據(jù)，就能夠測(cè)出在25℃下的水溶液電導(dǎo)率。最后使用同樣的方法進(jìn)行測(cè)量，就可以得出相應(yīng)的電導(dǎo)率。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度會(huì)對(duì)電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，所以就要采用數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)進(jìn)行一系列硬件電路結(jié)合插值算法進(jìn)行運(yùn)算，從而有效地進(jìn)行電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償。

二、插值法在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐分析

（一）總體的結(jié)構(gòu)分析

電導(dǎo)率傳感器測(cè)量電極輸出電壓信號(hào)，一般是由信號(hào)放大器和半波整流電路進(jìn)行相應(yīng)處理后，通過(guò)對(duì)模塊進(jìn)行處理，然后傳到DPS中進(jìn)行脈沖計(jì)算頻率。在測(cè)定當(dāng)中，一旦發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率和正常情況下電導(dǎo)率的數(shù)值差距過(guò)大，就必須盡快進(jìn)行報(bào)警處理，然后由溫度測(cè)量模塊測(cè)出溫度，最后再利用線性插值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將處理后的數(shù)據(jù)再次傳到DPS中，最終完成對(duì)電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償。

（二）硬件的電路設(shè)置分析

在信號(hào)放大模塊中，電導(dǎo)率的信號(hào)強(qiáng)度比較弱，所以溶液電導(dǎo)率隨著溫度的變化也會(huì)越來(lái)越小，所以不能夠精準(zhǔn)地測(cè)量出它的變化情況，由此就要設(shè)計(jì)出信號(hào)采集和放大電路，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，電壓信號(hào)的放大處理工作就可以快速有效地進(jìn)行，信號(hào)采集與放大電路如圖1所示。當(dāng)傳感器進(jìn)行電極測(cè)量、電壓信號(hào)也進(jìn)行放大之后，可以得到的電壓小阻值為R2，最后再由電路進(jìn)行整體處理。

在信號(hào)放大的模塊中，有供電電源、濾波電容、反饋電容、反饋電阻、和普通電阻。還有輸入電壓、輸出電壓。通過(guò)各部分的組成，成為在測(cè)量中需運(yùn)用到的放大電路。除了信號(hào)放大模塊，還有整形電路的設(shè)置。它是通過(guò)對(duì)電壓的信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后再將其送入整形電路中，經(jīng)過(guò)一系列的操作工作，最終將電壓信號(hào)的整形處理完畢。在整形電路中，存在供電電源、接口器、腳插針和電壓比較器。并且還具有兩個(gè)電路電壓的輸入。這些方面的組成，使之成為整形電路。

（三）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量分析

采集某礦區(qū)的3種水進(jìn)行采樣，由此作為系統(tǒng)水樣。水樣分別為一煤層的頂板砂巖水、九煤層頂板砂巖水和奧灰水，然后將它們放置同一溫度，通過(guò)實(shí)踐操作測(cè)量得出測(cè)量值。抽取水樣的電導(dǎo)率是已知的，只是改變了其中的溫度，最終確立溫度為15℃、35℃。用兩種方法對(duì)這幾種溫度的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。

在無(wú)溫度補(bǔ)償水樣電導(dǎo)率中，15℃時(shí)，一煤層水樣電導(dǎo)率為5761.94，九煤層水樣電導(dǎo)率為9144.72，奧灰水的電導(dǎo)率為4207.34。35℃時(shí)，一煤層水樣電導(dǎo)率為6122.56，九煤層水樣電導(dǎo)率為9392.18，奧灰水的電導(dǎo)率為4522.47。

在有溫度補(bǔ)償水樣電導(dǎo)率中，15℃時(shí)，一煤層水樣電導(dǎo)率為5923.64，九煤層水樣電導(dǎo)率為9267.62，奧灰水的電導(dǎo)率為438.39。35℃時(shí)，一煤層水樣電導(dǎo)率為5943.70，九煤層水樣電導(dǎo)率為9289.17，奧灰水的電導(dǎo)率為4386.79。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)有無(wú)溫度中數(shù)據(jù)值的對(duì)比，我們可以清楚地看到，在將電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補(bǔ)償之后，如果溫度不同，那么水樣電導(dǎo)率和標(biāo)準(zhǔn)水溫25℃中的電導(dǎo)率進(jìn)行對(duì)比，它們的數(shù)值是相近的，所以在一定程度上，能夠消除傳感電壓以及水溶液本身所帶來(lái)的溫度影響。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)插值法在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐，進(jìn)行研究和分析，可以得知插值法的基本理論和形成是不斷完善和進(jìn)步的，它的應(yīng)用也在逐漸廣泛，利用插值法建立電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，不僅可大幅度提升系統(tǒng)測(cè)量的速度，還可以大幅度地提升系統(tǒng)測(cè)量的精確度，使系統(tǒng)的整體性能上有質(zhì)的飛躍。例如在實(shí)際的礦井突水防治問(wèn)題中，或是今后的測(cè)量問(wèn)題中，都提供了有效的、實(shí)際的幫助和應(yīng)用價(jià)值。所以對(duì)于插值法在電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐，進(jìn)行研究和分析，具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

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