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(jù)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(chǎn)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(jīng)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(jù)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(jù)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(jīng)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(chǎn)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?？梢圆捎脙煞N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(jù)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(jīng)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(chǎn)生的高頻干擾[7]?？梢暂敵龇禐?～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(chǎn)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(jù)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(jīng)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(jù)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(jù)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(jù)，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(jù)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(jù)，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(jù)，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(jīng)過解調電路處理，并經(jīng)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。