范 麗， 尹文慶， 王 川， 曹 鵬， 楊志軍

(南京農(nóng)業(yè)大學 工學院 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

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作物營養(yǎng)液電導率傳感器及其測量系統(tǒng)設(shè)計*

范 麗， 尹文慶， 王 川， 曹 鵬， 楊志軍

(南京農(nóng)業(yè)大學 工學院 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031)

針對作物營養(yǎng)液電導率的特點，設(shè)計了一種基于電磁感應原理與電極組合的電導率傳感器及其測量系統(tǒng)。闡述了該組合式電導率傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理并選取了傳感器最優(yōu)參數(shù)。針對溫度對電導率的影響，提出了軟件自動溫度補償法,并利用電導率標準液對傳感器進行了標定。實驗結(jié)果表明:該電導率傳感器測量的相對誤差小于1 %，滿足作物營養(yǎng)液電導率的測量要求。

營養(yǎng)液； 電磁感應； 電導率傳感器； 溫度補償； 標定

0 引 言

無土栽培技術(shù)是不用土壤栽培農(nóng)作物的一項農(nóng)業(yè)高新技術(shù)[1]，它使用的營養(yǎng)液以水為載體，將作物生長所需的養(yǎng)份溶于其中，實現(xiàn)水肥同施。營養(yǎng)液的電導率值是作物生長較為重要的因素之一[2]。一般無土栽培作物所需營養(yǎng)液的電導率范圍為0.8～2.5 mS/cm[3]，過濃或過稀的營養(yǎng)液都會影響作物的生長。

電導率傳感器根據(jù)電導池的形式通?？煞譃殡姌O式和電磁感應式[4]。電極式電導率測量法通過測量電極間的溶液電阻，進而轉(zhuǎn)換成電導率值。這種測量方式通常采用鉑電極，使用成本高，且由于直接與待測液體接觸使得電極易被污染，嚴重影響電極的使用壽命，同時測量電路較復雜，影響了實時性[5]。另外由于電極在測量過程中產(chǎn)生極化效應和電容效應，導致測量結(jié)果不準確。電磁感應式測量電導率的基本原理是：通過激勵線圈在溶液的回路中感應出電流，由檢測線圈接收由于電流而在溶液回路中感應出的電壓，在線圈匝數(shù)、激勵電壓、頻率、幅度恒定的條件下，檢測線圈的電壓與電導率成正比[6]。電磁感應式電導率傳感器具有不易極化、耐腐蝕等優(yōu)點，但也有輸出信號弱、靈敏度低的不足[7]，且其特點是適于測量高電導率的溶液，一般用于工業(yè)電導率儀中[8,9]，若用來測量作物營養(yǎng)液電導率將導致誤差較大。目前的電磁感應式電導率測量法是將繞好線圈的磁芯處理之后作為探頭放入溶液或套在管道上，但由于待測營養(yǎng)液的電導率較小，如果直接將探頭放入營養(yǎng)液或套在管道上會因為溶液回路太長，導致溶液的感應電流太小，致使檢測線圈感應不到信號。

本文結(jié)合電極式和電磁感應式兩種測量方式，設(shè)計一種基于電磁感應原理與電極組合的電導率傳感器及其測量系統(tǒng)，以滿足作物營養(yǎng)液電導率測量的要求。

1 組合式電導率傳感器結(jié)構(gòu)與測量原理

組合式電導率傳感器利用電磁感應原理實現(xiàn)對營養(yǎng)液電導率的測量。該電導率傳感器由激勵變壓器、檢測變壓器及液體回路感應電極組成，其測量原理圖如圖1所示。

圖1 電導率傳感器測量原理示意圖Fig 1 Schematic diagram of measuring principle of conductivity sensor

給激勵線圈輸入一定頻率的交流電，則在T1變壓器中產(chǎn)生交變磁通，根據(jù)電磁感應原理：溶液回路閉合，且磁通量發(fā)生變化，回路中就會形成感應電流。該電流與溶液電導率成比例；同時，此電流又使T2中生成交變磁通，在檢測線圈上形成與溶液電流成比例的感應電壓。為方便理論推導，將圖1轉(zhuǎn)換為圖2所示的等效電路模型。

圖2 電導率傳感器檢測裝置的等效電路圖Fig 2 Equivalent circuit of conductivity sensor detecting device

根據(jù)理想變壓器原理，由圖2可列出如下三個回路方程

(1)

Rwis+jω(L2+L3)is+jωM1i1+jωM2i2=0

(2)

(3)

(4)

式中 μ2,s2,l2分別為T2鐵芯的磁導率、截面積和平均磁路長度。式(4)即為組合式電導率傳感器的理論關(guān)系式，此式表明傳感器輸出電壓與溶液電導率成線性關(guān)系。

2 組合式電導率傳感器設(shè)計

2.1 傳感器磁芯材料選擇

激勵變壓器主要是為了在溶液中得到穩(wěn)定可靠的感應信號，因此應選擇飽和磁感應強度高的鐵芯，本文選擇超微晶磁芯作為激勵磁芯；檢測變壓器的主要作用是完成弱磁場的測量,要求鐵芯具有高的初始磁導率。坡莫合金非常適合對弱小電流、弱小磁場的檢測，但傳統(tǒng)的坡莫合金由于其電阻率較低以致渦流損耗非常的大，很難在較高頻場合下應用[10]。本文的檢測磁芯采用1J85坡莫合金帶材繞制，層間采用絕緣處理，目的是增大磁材的電阻率，減小渦流損耗，提高感應精度。

2.2 傳感器電極設(shè)計

為了獲得足夠的溶液回路感應電流便于傳感器檢測，利用2片可拆卸的石墨電極片構(gòu)成液體回路感應板。電極片面積為1.5cm×1.5cm，電極板間距為0.3cm。由于電化學反應，電極表面會產(chǎn)生極化效應和電容效應[11]，當兩極間施加的電壓小于一定值或電壓作用時間很短時，極化現(xiàn)象可忽略不計，最可靠的辦法是提高激勵頻率和降低流過電極之間的電流密度[12]。但考慮到過度提高激勵頻率會因電容效應的增強而引起其他的測量誤差，所以要根據(jù)營養(yǎng)液的電導率范圍，通過反復實驗來確定最佳的激勵頻率，最大程度地減弱極化效應和電容效應。由于并不直接對電極施加交流電，且營養(yǎng)液電導率較小，產(chǎn)生的溶液電流密度也很小，使得極化作用相比電極式測量法明顯減弱。同時本文采用石墨作為電極材料，可以進一步減弱極化電容效應[13，14]。

2.3 傳感器參數(shù)設(shè)計

由式(4)可知，為了使傳感器檢測到較大的電壓要適當減少激勵線圈匝數(shù)W1，提高檢測線圈匝數(shù)W2、激勵電壓u1和頻率f。選取幅值為14V的正弦激勵電壓，感應線圈匝數(shù)初定為1 000匝，在基準溫度(25 ℃)下改變激勵線圈匝數(shù)和頻率，實驗得到不同電導率標準液的感應電壓，經(jīng)擬合后的曲線如圖3所示。實驗發(fā)現(xiàn)：激勵頻率為10kHz時檢測線圈感應電壓最大；激勵線圈匝數(shù)為2匝時，長時間實驗導致線圈發(fā)熱；激勵線圈匝數(shù)為3匝、頻率為10kHz時感應電壓與電導率的線性相關(guān)性最好，其相關(guān)系數(shù)為0.999 7。所以最終選定的激勵線圈匝數(shù)為3匝，激勵頻率為10kHz。

圖3 不同激勵電壓與頻率下檢測線圈感應電壓與標準液電導率的關(guān)系Fig 3 Relationship between induction voltage of detectingcoil and conductivity of standard solution under different excitation voltage and frequency

3 測量系統(tǒng)的設(shè)計

作物營養(yǎng)液電導率測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 作物營養(yǎng)液電導率檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure diagram of conductivity detection system for crop nutrient solution

3.1 微處理器選型

采用ST公司基于Cortex—M3內(nèi)核的32位增強型閃存微處理器STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的控制核心。STM32包含3個12位ADC，其最大轉(zhuǎn)換速率為1MHz，線性轉(zhuǎn)換區(qū)間為0～3.3 V。利用STM32內(nèi)部A/D對模擬電壓量進行采樣，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和軟件處理后將電導率數(shù)字量顯示在LCD上并通過串口與上位機通信，對數(shù)據(jù)進行輸出打印。

3.2 激勵源信號發(fā)生模塊

采用DDS芯片AD9851與AT89S51單片機配合構(gòu)成性能優(yōu)良的信號源。由于DDS產(chǎn)生的正弦信號不足以驅(qū)動激勵線圈，需要對其進行功率放大，后級功放采用LM1875芯片，再配以低通濾波電路，構(gòu)成一個完整的穩(wěn)定的信號源驅(qū)動模塊。

3.3 正弦信號有效值檢測模塊

由于被測信號是交流信號，如果將其直接送給A/D進行處理，會增大系統(tǒng)誤差，所以，在將檢測信號送給A/D模塊處理之前需要將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。AD637是AD公司RMS—DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的交/直流轉(zhuǎn)換芯片，本文利用AD637模塊對檢測端的正弦信號進行有效值轉(zhuǎn)換，形成信號檢測模塊。

3.4 溫度補償模塊

溫度對營養(yǎng)液中電解質(zhì)的電離度、離子遷移速度等有直接的影響,從而影響營養(yǎng)液的電導率。為統(tǒng)一標準,公認以25 ℃為測量電導率的基準溫度。系統(tǒng)采用美國Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20用于補償溫度變化，該傳感器支持“一線總線”接口，不需外接電路，使用方便，在-10～+85 ℃范圍內(nèi),其精度為±0.5 ℃。

4 實驗與結(jié)果

4.1 電導率溫度補償實驗

利用恒溫箱在不同溫度下測定5種電導率標準液的感應電壓值，測量數(shù)據(jù)如表1所示。對不同電導率標準液的輸出電壓與溫度進行二次擬合，擬合曲線如圖5所示。從曲線中可以看出：當電導率一定時，傳感器輸出電壓與溫度近似成線性關(guān)系，說明系統(tǒng)存在明顯的溫度漂移，所以，必須通過溫度補償來消除溫度對測量的影響。將電壓與溫度的二次擬合公式進行求導，得到傳感器輸出電壓隨單位溫度變化的關(guān)系式，最終得到不同電導率的溫度補償關(guān)系式ΔV=0.000 245ΔT-0.000 81；式中ΔT是溶液溫度變化(ΔT=T-25)，ΔV是因溫漂產(chǎn)生的傳感器輸出電壓變化。在電導率的測量過程中，通過DS18B20傳感器對溶液溫度進行實時檢測，得到的溫度值自動代入預先植入處理器的溫度補償公式，從而實現(xiàn)軟件溫度補償，進一步提高電導率傳感器的檢測精度。

表1 不同溫度下電導率標準液的輸出感應電壓/V

圖5 不同電導率溶液輸出電壓與溫度的關(guān)系Fig 5 Relationship between output voltage and temperature of different conductivity solutions

4.2 組合式電導率傳感器的標定

將5種標準液放置在溫度為25 ℃的恒溫箱中。將組合式電導率傳感器插入第一組電導率標準液中，測量輸出電壓，得到一個定標數(shù)據(jù)點(σ1,U1)；然后用蒸餾水沖洗并擦拭干凈傳感器后再測第二組標準液，得到定標點(σ2,U2)；同樣的方法再得到另外三組標準液的定標點(σ3,U3),(σ4,U4),(σ5,U5)。對以上5個標定點進行數(shù)據(jù)擬合，得到的一次擬合曲線如圖6所示，其線性回歸標定方程為U=0.248 3σ+0.009 8。

圖6 25 ℃時電導率—電壓標定曲線Fig 6 Conductivity voltage calibration curve at 25 ℃

從標定曲線可以看出:固定溫度下，電導率傳感器輸入輸出近似成線性，這也驗證了感應電壓與溶液電導率成正比這一原理。結(jié)合電導率的溫度補償公式，得到經(jīng)過溫度補償之后的電導率數(shù)學表達式為σ=[U-0.000 245(T-25)-0.008 99]/0.248 3，其中σ表示測量得到的溶液電導率，U表示檢測線圈兩端的直流電壓，T表示溶液的溫度。將溫度補償后的方程植入軟件中，就可以實現(xiàn)任意作物營養(yǎng)液電導率的測量。

4.3 電導率測量結(jié)果

將組合式電導率傳感器檢測到的電導率值與標準液電導率值相比較。2015年11月18日,定標完成后的測試數(shù)據(jù)如表2所示。1個月之后對該傳感器進行復測，復測數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出:該電導率傳感器測量的相對誤差小于1 %，其測量的準確度和穩(wěn)定性較好，性能較為理想。

表2 電導率傳感器測試與復測結(jié)果

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于電磁感應原理與電極組合的電導率傳感器。通過反復實驗對傳感器參數(shù)進行了優(yōu)化；提出了基于單片機的軟件自動溫度補償法，消除了溫度對電導率測量的影響；采用五點定標法對傳感器進行了標定。實驗結(jié)果表明:該電導率傳感器測量的準確性和穩(wěn)定性較好，滿足作物營養(yǎng)液電導率的測量要求。

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Design of crop nutrient solution conductivity sensor and its measurement system*

FAN Li, YIN Wen-qing, WANG Chuan, CAO Peng, YANG Zhi-jun

(Key Laboratory of Intelligent Equipment for Agriculture of Jiangsu Province,College of Engineering,Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031,China)

Aiming at characteristics of crop nutrient solution conductivity,a conductivity sensor and its measurement system based on principle of electromagnetic induction and combined with electrode are designed.The structure and working principle of the combined conductivity sensor are described.Also,the optimal parameters of the sensor are selected.Aiming at influence of temperature on conductivity,a software automatic temperature compensation method is proposed,and calibration of the sensor is carried out by using standard conductivity solution.Experimental results show that the relative error of measured conductivity sensor is less than 1 %,and it can meet requirement of measuring crop nutrient solution conductivity.

nutrient solution; electromagnetic induction; conductivity sensor; temperature compensation; calibration

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0092—04

2016—01—18

江蘇省農(nóng)機三項工程項目(NJ2010—02)；南京農(nóng)業(yè)大學青年科技創(chuàng)新基金資助項目(KJ2010032)

TH85

A

1000—9787(2016)12—0092—04

范 麗(1991-)，女，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向為現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)。