李加念　倪慧娜　馬燕　馮瑞

摘要[目的]為能實時檢測灌溉施肥系統(tǒng)進行水肥自動混合時的肥液濃度。[方法]基于電導(dǎo)電極設(shè)計了一種以9 V電池供電的肥液濃度在線檢測儀，通過測量肥液電導(dǎo)率間接實現(xiàn)肥液濃度的測量，測量結(jié)果可通過顯示器直接顯示，還可通過SPI接口輸出至水肥自動混合控制器。為盡量降低極化效應(yīng)的影響，試驗確定了以幅值為±3.5 V的方波信號作為電導(dǎo)電極的激勵源。該檢測儀具有溫度自動補償和量程自動切換功能，并通過試驗確定了測量量程范圍的劃分及各個小量程對應(yīng)的分壓電阻與方波激勵信號頻率。[結(jié)果]在農(nóng)業(yè)上，常用的0.1%～1.0%施肥濃度范圍內(nèi)，對檢測儀進行了試驗驗證，其平均相對誤差為2.77%。[結(jié)論]該檢測儀能滿足實際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞肥料；溶液；肥料濃度；檢測；電導(dǎo)率

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03465-03

基金項目昆明理工大學(xué)省級人培項目（KKSY201323003）；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201310674245）。

作者簡介李加念（1983-），男，湖南道縣人，講師，博士，從事電子信息及測控技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究。

收稿日期20140410灌溉施肥是一種具有施肥均勻、水肥利用率高以及有效減輕土壤污染等特點的水肥一體化灌溉技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。隨著精細農(nóng)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多自動灌溉施肥裝置或系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)作物的生長狀況和實際需肥需求，能自動調(diào)節(jié)水肥的混合濃度進行變量施肥[1-2]。在水肥自動混合過程中，肥液濃度的實時監(jiān)測是實現(xiàn)水肥精確混合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有研究表明，肥液電導(dǎo)率與肥液濃度有著顯著相關(guān)性[3]，因此可通過測量肥液電導(dǎo)率的方法間接測量肥液濃度[4]。目前，測量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的方法主要有電極法、電容耦合法和電磁感應(yīng)法等。每種方法各有其優(yōu)缺點[5-7]。該研究采用電導(dǎo)電極檢測肥液電導(dǎo)率的方法設(shè)計一種肥液濃度檢測儀，在線實時監(jiān)測肥液濃度，既可直接顯示檢測結(jié)果，又可將檢測結(jié)果通過SPI（Serial peripheral interface）接口輸送至自動混肥控制系統(tǒng)，為在線自動混肥提供肥液濃度的反饋信息。

1肥液濃度的測量原理及方法

采取電極法通過測定肥液等效電阻的方式測定其電導(dǎo)率，然后通過試驗標定肥液電導(dǎo)率與其濃度的函數(shù)關(guān)系，進而測量出肥液濃度，其測量原理如圖1所示。電阻R與置于待測肥液中的電導(dǎo)電極串聯(lián)，當激勵電源E加載于該串聯(lián)支路的兩端進行測量時，電導(dǎo)電極2個極片之間肥液的等效電阻Rx與電阻R構(gòu)成電阻分壓電路，因此通過測量電阻R兩端的電壓V，并且結(jié)合激勵電源E的電壓及電阻R的阻值，即可獲知肥液的等效電阻Rx，然后根據(jù)電導(dǎo)電極的電極常數(shù)k計算得到肥液的電導(dǎo)率[8]，從而可由電導(dǎo)率與肥液濃度的關(guān)系換算出肥液濃度。

檢測儀的原理框圖如圖2所示。它以9 V電池作為電源，通過電源電路轉(zhuǎn)換為幾路不同的工作電壓為各電路單元供電；采用低功耗單片機MSP430F2132作為微處理器，通過控制激勵信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生相應(yīng)的激勵信號，加載于電導(dǎo)電極上進行肥液濃度的測量，肥液濃度不同時電導(dǎo)電極上的輸出波形信號也不同；為便于單片機對電導(dǎo)電極的輸出信號進行處理，先利用有效值檢測電路將其轉(zhuǎn)換為等效的直流電壓，再送到單片機的ADC接口進行處理，計算出肥液濃度，并通過一個6位筆段式液晶顯示器HT1621顯示（HT1621通過芯片選通CS、讀寫選擇WR、數(shù)據(jù)DAT三根信號控制線與單片機I/O接口相連），還可根據(jù)需要，將肥液濃度信息通過單片機的SPI接口輸出至其他控制器；為提高檢測精度，將電導(dǎo)電極的測量范圍劃分為多個小量程，并且對每個小量程為電導(dǎo)電極配置相應(yīng)的電路參數(shù)和激勵信號，通過量程切換電路控制測量量程的自動切換，同時采用溫度傳感器DS18B20反饋肥液溫度，對檢測儀進行溫度補償與校正，以消除溫度對其檢測結(jié)果的影響。

3.1 電導(dǎo)電極及其激勵源的選擇 由于農(nóng)業(yè)上常用的肥液濃度（0～1%）所對應(yīng)的電導(dǎo)率范圍為0.5～5.0 mS/cm，在此選用量程為0.01～20.00 mS/cm的電導(dǎo)電極（鈦合金材質(zhì)，電極常數(shù)（k）為10 cm-1，精度為0.01 mS/cm，輸出為待測溶液的等效電阻）測量肥液的電導(dǎo)率。

置于肥液中測量的電導(dǎo)電極，等效于電阻和電容串并聯(lián)構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò)，在測量過程中可能會存在電容效應(yīng)和極化效應(yīng)而影響測量精度[5]。由于電導(dǎo)電極在直流電壓激勵下的極化效應(yīng)很嚴重，一般采用交流激勵源，此時的極化誤差為：

式中，δ為測量誤差；Rx為溶液的等效電阻；U為極化反電勢，與電極中的電流密度和電場強弱呈正比關(guān)系；f為激勵源的頻率。由式（1）可知，提高激勵源頻率可以降低極化效應(yīng)引起的誤差，但是因電容效應(yīng)的存在，激勵源頻率不可能無限制提高。由此可知，電導(dǎo)電極激勵源的類型、頻率和幅值對電導(dǎo)率的檢測精度和穩(wěn)定性有著直接的影響，因此需通過試驗確定激勵源。

以SPF05函數(shù)發(fā)生器的輸出信號為激勵源，分別將電導(dǎo)電極置于一系列不同電導(dǎo)率的待測溶液中進行測試。對于每種電導(dǎo)率的待測溶液，分別在峰-峰值為0～10 V范圍內(nèi)，以1 V為步進，使SPF05輸出正弦波和方波信號，并對每種波形信號在0～10 kHz內(nèi)緩慢調(diào)節(jié)其頻率。同時，利用示波器（Tektronix TDS2041）監(jiān)測電導(dǎo)電極分壓電阻（2.2 kΩ）兩端的頻率、波形形狀、電壓峰-峰值和有效值。若分壓電阻上的波形發(fā)生變形或整體偏移而不對稱，或頻率與激勵源不同，則說明電容效應(yīng)比較顯著；若波形信號的峰-峰值或有效值不穩(wěn)定，則說明極化效應(yīng)比較明顯。由此可知，激勵源采用幅值為±3.5 V的方波信號時效果最佳，并且以分壓電阻兩端的電壓有效值反映電導(dǎo)率的穩(wěn)定性最好。

3.2 測量量程的劃分及參數(shù)配置研究表明，電導(dǎo)電極配置固定的分壓電阻和激勵源時，其誤差會隨著待測溶液電導(dǎo)率與母液電導(dǎo)率差距的增大而增大。因此，需根據(jù)實際情況將電導(dǎo)電極的量程劃分為多個小量程，并且為每個量程配置合適的參數(shù)（分壓電阻和激勵源），以降低測量誤差。

分別改變電導(dǎo)電極的分壓電阻阻值和激勵信號頻率，在不同電導(dǎo)率的待測肥液中進行測試試驗，以分壓電阻兩端的電壓有效值接近或等于1/2激勵信號作為劃分依據(jù)。試驗結(jié)果如表1所示。

3.3主要電路設(shè)計

3.3.1 激勵信號產(chǎn)生電路。 電導(dǎo)電極的激勵信號產(chǎn)生電路（圖3）主要包括運算放大器AD8039、MOS管Q4及外圍阻容元件，其輸入端與單片機的I/O端口相連，以單片機內(nèi)部集成的PWM控制器在該I/O端口上輸出一個固定頻率的方波信號作為電路的輸入信號源，并通過該電路將其調(diào)理成幅值為±3.5 V的方波信號進行輸出。

3.3.2 量程自動切換電路。由表1可知，電導(dǎo)電極有5個不同的分壓電阻，在此采用一個八通道的多路復(fù)用器ADG1408來實現(xiàn)電極分壓電阻的自動切換。電路如圖4所示。分壓電阻切換成功后，同時通過單片機I/O端口輸出相應(yīng)頻率的方波激勵信號至激勵信號產(chǎn)生電路輸入端。

3.3.3 有效值檢測電路。 分壓電阻上的波形信號有效值檢測電路如圖5所示，由均方根-直流轉(zhuǎn)換器AD637、運算放大器AD8039以及外圍阻容元件組成。AD8039連接成電壓跟隨器并前置于AD637的輸入端，用于提高AD637的輸入阻抗，以避免信號直接輸入AD637時對前級信號造成的影響。輸入信號經(jīng)AD637后，以等效的直流電壓輸出，然后經(jīng)電阻R30和R32分壓，并送至單片機的ADC轉(zhuǎn)換器進行電壓檢測。因此，根據(jù)電壓與電導(dǎo)率的關(guān)系，即可換算出待測溶液的電導(dǎo)率。

3.4溫度補償 由于溶液電導(dǎo)率具有正溫度系數(shù)，即溶液每升高1 ℃，其電導(dǎo)率約增加2%[9]。因此，采用DS18B20溫度傳感器感知肥液的溫度，并通過式（2）將任一溫度下的電導(dǎo)率換算成25 ℃時電導(dǎo)率進行補償，以消除溫度對肥液電導(dǎo)率檢測精度的影響。

式中，σ25為25 ℃時電導(dǎo)率；t為溶液的溫度；σt為t ℃時電導(dǎo)率；α為溶液的溫度系數(shù)（取值0.02）。

4 檢測儀的標定與驗證

4.1 檢測儀的標定 由于肥液濃度與其電導(dǎo)率呈線性關(guān)系[2]，且由測量原理可知，肥液電導(dǎo)率通過電導(dǎo)電極的分壓電阻兩端的電壓換算得出，而在電導(dǎo)率換算過程中會引入運算誤差。為此，直接通過單片機檢測的分壓電阻上的電壓有效值標定肥液濃度。

以芭田中芬大量元素水溶復(fù)合肥為原料，通過對入純水配制一系列已知濃度（質(zhì)量分數(shù)）的待測肥液，并置于25 ℃的恒溫水浴鍋內(nèi)進行標定試驗。由圖6可知，肥液濃度與檢測儀檢測的分壓電阻上的電壓有效值有著0.05水平顯著的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.996 8。因此，檢測儀只要能準確測得分壓電阻上的電壓有效值，即可根據(jù)圖6中的關(guān)系式換算出肥液濃度。

圖6肥液濃度與檢測儀檢測電壓關(guān)系的標定4.2檢測儀的驗證 為了驗證檢測儀對肥液濃度測量的準確性，在肥液濃度（質(zhì)量分數(shù)）為0～1.1%范圍內(nèi)，配制一系列已知濃度的肥液進行試驗。誤差為負數(shù)，表示檢測值小于實際值。由圖7可知，檢測儀在0～1.1%肥液濃度范圍內(nèi)的最大絕對誤差為0.038%，最大相對誤差為20.81%，但最大相對誤差并不是發(fā)生最大絕對誤差處，而是發(fā)生在肥液濃度為0.081%處（絕對誤差為0.017%）；檢測儀的相對誤差總體上隨著肥液濃度的增加而減小，除肥液濃度為0.081%外，即在0.1%～1.1%肥液濃度范圍內(nèi)，檢測儀的最大相對誤差為7.65%，最小相對誤差為0.89%，平均相對誤差為277%。而農(nóng)業(yè)上常用的施肥濃度為0.1%～1.0%，因此該研究設(shè)計的肥液濃度檢測儀能滿足應(yīng)用的要求。

5結(jié)論

為了實現(xiàn)水肥自動混合過程中肥液濃度的實時監(jiān)測，設(shè)計了一種肥液濃度在線檢測儀。該檢測儀以9 V電池供電，主要由MSP430F2132單片機、電導(dǎo)電極、溫度傳感器DS18B20、顯示器HT1621、激勵信號產(chǎn)生電路、量程自動切換電路以及有效值檢測電路等組成。通過電導(dǎo)電極測量電導(dǎo)率的方式，間接實現(xiàn)肥液濃度的檢測。檢測結(jié)果可通過顯示器直接顯示，還可通過SPI接口進行數(shù)字輸出，且具有溫度自動補償功能和量程自動切換功能。

通過試驗，確定了電導(dǎo)電極的激勵源為幅值±3.5 V的方波信號；在0～5.5 mS/cm范圍內(nèi)，將電導(dǎo)率全量程劃分5個小量程，并且確定了各個小量程對應(yīng)的分壓電阻與激勵信號頻率；標定了肥液濃度與電壓有效值的關(guān)系，二者呈顯著的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.996 8；在0.1%～1.0%的肥液濃度范圍內(nèi)，對檢測儀進行了驗證測試，其平均相對誤差為2.77%，能滿足農(nóng)業(yè)的應(yīng)用要求。

參考文獻

[1] 李加念，洪添勝，馮瑞玨，等.基于脈寬調(diào)制的文丘里變量施肥裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（8）：105-110.