基于電導率測量的水純度檢測系統(tǒng)設計

郭 峰，崔永俊，韓一德

(中北大學儀器與電子學院，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，電子測試技術國防科技重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

國家對工業(yè)純水和飲用純水的電導率都有相對應的要求?？梢婋妼首鳛橐粋€重要的參數(shù)在檢測水純度中起著關鍵作用。常見的電導率測量方法包括電極法、電磁法和超聲波檢測法[1]。其中電極法因為其測量簡單、測量范圍廣而備受市場的青睞。電極的極化效應和溫度是影響電導率測量的2個重要的因素[2]。本次設計的電導率檢測系統(tǒng)中測量探頭采用四電極結構，可以有效地避免極化效應。同時利用Pt100溫度傳感器實時檢測溶液溫度，通過軟件進行溫度校正和補償。

1 系統(tǒng)整體設計

根據實際需求，本設計采用四電極法進行電導率的測量，包括四電極傳感器探頭、信號源激勵模塊、量程切換模塊、信號調理模塊、采集處理模塊及上位機。

在實際的測量過程中，需將傳感器探頭完全浸入被測液體內，且禁止和容器壁有接觸。激勵信號源提供一定頻率的正弦交流信號到傳感探頭的1，4電極。此時在2，3感應電極中產生壓降，結合傳感探頭電極的電極特性，電導率為

(1)

式中：k為溶液電導率；I1,4為1、4驅動電極輸入電流；U2,3為2、3感應電極輸出電壓；K為電極常數(shù)，經標準液測試，本探頭電極常數(shù)K為1.2。

信號調理模塊負責將2，3極輸出感應電壓解調，數(shù)據采集處理模塊同時采集溫度信號和解調信號，將對應信號分別處理后傳入上位機來顯示結果。系統(tǒng)的結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

本次設計中采用的環(huán)狀四電極式探頭如圖2所示。相較于傳統(tǒng)的片狀、針狀電極，環(huán)狀電極具有接收信號強、極化面積小等優(yōu)勢[3]。

圖2 四環(huán)電極探頭

傳感器探頭棒體采用聚醚醚酮材料，具有耐高溫、耐化學藥品腐蝕等物理化學性能。電極采用材質為99.99%的純度鉑金，具有不易氧化的特性。且鉑屬于惰性金屬，具有很強的導電性的同時本身不參與電極反應，被廣泛運用于電導率測量中。傳感探頭后方金屬殼內壁置有貼片式Pt100溫度傳感器，便于實時準確地采集被測溶液溫度。

2 硬件設計

2.1 信號調理電路

感應電極輸出信號為交流電壓信號，不便于直接采集，這里在信號采集前設計了信號調理電路，將交流信號中有用的直流分量提取出來。包括差分接收電路、同步解調、低通濾波電路及放大電路。

2.1.1 差分接收電路

為了保證測量精度，這里設計了差分接收電路用于接收感應電極輸出的電壓信號。電路如圖3所示。

圖3 差分接收電路

差分接收電路采用3個運算放大器AD8001。AD8001為低功耗、高速運算放大器，適合用于信號調理與數(shù)據采集[4]。放大器U1、U2作為電壓跟隨器，采集感應電極兩端信號，起到了提高放大電路的輸入阻抗，隔離放大電路并增加抗干擾能力的作用。為了避免信號源輸出阻抗較低而導致的信號衰減，R3，R4選用5.6 kΩ電阻來實現(xiàn)阻抗匹配。U3將2路差分信號單端輸出，為滿足后續(xù)解調電路需求，這里R9選用1 kΩ電阻，輸出信號幅值與原信號相同。

2.1.2 同步解調電路

同步解調電路以四象限電壓輸出型模擬乘法器AD835為核心。AD835適用于高速乘除法、寬帶調制和解調及相位檢測和測量。由于其外圍電路簡單，常用于各種信號處理應用。

正常工作采用±5 V雙電源供電。AD835乘法器主要由高阻抗差分X、Y輸入端、高阻抗求和輸入端Z以及低阻抗電壓輸出端W組成。其傳遞函數(shù)為

(2)

式中：U為電壓調節(jié)系數(shù)，電路中電阻R1=20R2，保證電壓調節(jié)系數(shù)為1；同時Z端接地，此時Z為0。

同步解調電路如圖4所示。

圖4 同步解調電路

差分接收電路將差分信號變?yōu)閱味诵盘?，由AD835的X1端口輸入，該信號也作為參考信號由Y1輸入，實現(xiàn)信號的相乘。輸入信號形式為

x(t)=Asin(ωt+θ)

(3)

輸出解調信號為

(4)

式中y(t)為解調信號。

由于解調信號中包含交流成分，因此在后續(xù)還需經過低通濾波電路提取直流信號。

2.1.3 濾波電路及可調增益放大電路

為了提取同步解調電路輸出的直流分量，需要把交流分量過濾，這里采用FilterPro軟件設計了以OPA2277雙運算放大器為核心二階有源低通濾波電路，截止頻率為200 Hz。為了保證輸出電壓在A/D采集電路的量程1/3～2/3的范圍內，采用了儀表放大芯片LT1920設計了可調增益放大電路。通過改變R18大小改變輸出增益，此時放大幅值為4倍。濾波電路及可調增益放大電路如圖5所示。

圖5 濾波及可調增益放大電路

2.2 溫度測量電路

設計中采用鉑電阻傳感器Pt100進行溫度檢測。在測量電路中，鉑電阻Pt100與另外3個誤差小于0.1%的高精度貼片電阻構成電橋結構。為了使輸出電壓信號便于采集，電橋輸出端接運算放大器AD8510，與電橋構成差動放大電路[5]。溫度測量電路如圖6所示。

圖6 溫度采集電路

本設計測量溫度在0 ℃以上，此時Pt100阻值Rt與溫度的關系為

Rt=R0(1+At+Bt2)

(5)

式中：t為當前測試溫度，℃；R0為Pt100在0 ℃時的阻值，此時為100 Ω；A、B為常量，其中A=-3.908 02×10-3，B=-5.801 95×10-7。

2.3 激勵信號源

直流信號作為激勵信號會由于極化反應而產生較大的誤差，通過研究表明激勵信號頻率越低，測得的電導率和標準電導率誤差越大[6]。當信號頻率高于2 kHz時，測試結果趨于穩(wěn)定，具有更高的可信度。

激勵信號源通常可以采用兩種方法設計。一種方法是通過外部高精度的信號源來提供激勵信號。另一種方法是MCU內部對輸出波形進行重構，然后通過高精度DAC進行數(shù)模轉化，進而輸出波形。本次設計選用了高精度數(shù)模轉換器AD9708配合FPGA實現(xiàn)激勵信號源的設計。設計中通過MATLAB進行波形數(shù)據采樣，將波形存儲到FPGA的ROM中，通過累加頻率控制字實現(xiàn)頻率可調。FPGA將輸出信號經過AD9709進行數(shù)模轉換，輸出模擬信號后接七階巴特沃斯濾波器消除高次諧波產生的高頻干擾[7]。可以輸出幅值為0～5 V，頻率為100 Hz～5 MHz的穩(wěn)定信號，符合設計需求。AD9708芯片配置及濾波電路如圖7所示。

圖7 AD9708芯片配置及濾波電路

2.4 量程切換電路

在電導率的測量過程中，由于測量范圍和測量精度的需求，需要有不同的分壓電阻來分別對應不同的測量范圍。在本設計中，設置了100 Ω，1 kΩ，10 kΩ和100 kΩ一共4種分壓電阻，選用CD4052作為數(shù)字控制模擬開關，通過軟件控制實現(xiàn)了開關量程的自動切換[8]。量程切換電路如圖8所示，表1為不同分壓電阻對應的電導率測量范圍。

圖8 量程切換電路

表1 電阻量程對照表

2.5 采樣傳輸電路

本系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6作為采集傳輸電路的MCU。該芯片是STM32F1的升級版，擁有豐富的接口等資源。其內置3個12位的ADC，滿足本次設計溫度及解調輸出結果采集的需求。

傳輸電路選擇USB串口傳輸，選擇國產芯片CH340G。USB1這里提供CH340G和計算機的通信，同時也可給系統(tǒng)提供5 V電源。信號傳輸串口如圖9所示。

圖9 信號傳輸電路

3 軟件設計

3.1 激勵信號源邏輯設計

FPGA通過串口接收上位機指令(波形頻率，相位及形狀)，由指令狀態(tài)機進行譯碼操作。狀態(tài)機輸出指令發(fā)送至波形控制模塊，控制模塊ROM內存有不同的波形的數(shù)據采樣，它將倍頻后的時鐘信號和地址累加器的數(shù)值通過累加后得出的最終結果，后經過DA輸出波形。邏輯流程圖如圖10所示。

圖10 激勵信號源邏輯流程圖

3.2 量程自動切換設計

MCU通過控制數(shù)字模擬開關芯片的A、B端來選擇對應擋位的分壓電阻，AB輸出為00，01，10，11分別對應4個不同的電阻擋位。在自動選擇的過程中，首先選用通道1的電阻，然后采集處理得到數(shù)據后調用保存在MCU中測量程序，先判斷電導率是否超出測量上限，若不滿足則報告錯誤，否則繼續(xù)判斷該數(shù)據是否在對應選通電阻測量量程內，若滿足量程范圍，則繼續(xù)采集輸出結果，若不滿足量程范圍，則自動切換到第二擋位重復上述操作。量程自動切換流程圖如圖11所示。

圖11 量程自動切換流程圖

3.3 溫度補償設計

溫度補償有多種方法，包括硬件補償和軟件補償。這里利用ARM實現(xiàn)軟件自動補償溫度，克服了硬件測量的誤差，取得了良好的效果[9]。本設計參考大量研究發(fā)現(xiàn)，溶液溫度和電導率成線性關系，隨著溫度升高，離子移動速度加快，電導率升高。常用的校正溫度系數(shù)的公式為

Ks=Kt/[1+0.22×(t-25)]

(6)

式中：Ks為25 ℃時的標準電導率；Kt為當前溫度下的實時電導率；t為當前測量溫度，℃。

當溫度離25 ℃偏差越大，使用上式得到的電導率也偏差越大?，F(xiàn)在通過大量的測試數(shù)據，將溫度與電導率的關系劃分為4段，具體如下：

Ks=Kt/(0.016 9t+0.558 3)，1 ℃≤t≤10 ℃

(7)

Ks=Kt/(0.018t+0.547 3)，10 ℃

(8)

Ks=Kt/(0.018 9t+0.528 1)，20 ℃

(9)

Ks=Kt/(0.022t+0.45)，t在其他溫度

(10)

將以上關系式導入ARM中，根據不同的溫度調用不同的關系式。在實踐測試后對比原公式在測量精度上有明顯提高。

3.4 上位機設計

上位機設計采用Visual Studio和跨平臺類開發(fā)庫Qt聯(lián)合開發(fā)[10]。上位機接收串口數(shù)據，實時顯示當前的溫度、實時電導率Kt和補償后25 ℃的標準電導率。輸出結果保留到小數(shù)點后兩位。同時調用QChart函數(shù)，繪制溫度和電導率的實時變換曲線，便于更加直觀地觀察溫度和電導率的變化趨勢。上位機的工作界面如圖12所示。

圖12 上位機工作界面

4 測試結果與分析

本次測試采用標物編號為BW02946電導率水質標樣和BW00849等電導率標準溶液進行標準化測試，測試激勵信號為3 kHz正弦波。通過改變不同的測量條件采集測量數(shù)據，分析得出結論。

同一標準溶液在恒溫箱中，不同溫度下的測量結果如表2所示：

表2 同一標準溶液在不同溫度下的測量結果

使用不同的電導率標準液，分別在20.07 ℃和29.9 ℃的測量結果如表3所示。

表3 不同標準溶液在同一溫度下的測量結果

通過改變溫度和溶液2個單一變量，得到的測量結果可以看出，測量的相對誤差低于0.6%，溫度補償達到了行業(yè)的要求。測量的范圍在 1～1 000 μs/cm，符合預期的設計指標。

5 結論

本文以電導率測量為基礎，設計了一種水純度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳感探頭采用四電極方式，并在探頭后側內置溫度傳感器，便于同時進行溫度采集。傳感器信號經過解調電路處理，并經過軟件補償后，在上位機上顯示。測試結果表明，該系統(tǒng)能準確快速測得電導率，誤差在0.6%內，重復測試結果穩(wěn)定。測量范圍廣，符合大多數(shù)場合水質的測量需求。整個系統(tǒng)功耗低，實用性高，具有一定的推廣價值。