（控制理论与控制工程专业论文）电极式实验室海水电导盐度计的研制.pdf

电极式实验室海水电导盐度计的研制 摘要 溶液的电导率是电解质溶液的一个基本物理化学量。在特定的条件下，溶液 的含盐量、总溶存性固形物质t d s ( t o t a l d i s s o l v e d s o l i d s ) 、p h 值等都与电导率有 着密切的关系。所以对以电导率测量为核心的多参数水质检测系统的研究具有重 要的意义。 人们为了认识海洋和开发利用海洋想出了许多测量海水盐度的方法。这些测 量方法中，由于电导率测盐法具有精确度高、速度快，计算海水密度可靠以及便 于现场测量等优点而占了最重要的地位，尤其1 6 7 8 年实用盐标制定后，这种方 法已成为海水盐度测量的主要手段。 本文首先介绍了国内外盐度测量技术的发展状况，全面分析、阐述了前期盐 度计的工作原理及其所存在的问题。接着为解决这些问题，提出几种方案，对这 几种方案根据原理比较和试验结果选择出最优设计。论文详细介绍了最优方案的 硬件电路、软件功能设计及f p g a 内部的实现。最后介绍了盐度计的试验情况。 本论文是在前期盐度计的基础上进行的优化设计。前期盐度计采用平衡电桥 原理，分辨率可以达到1 0 5 ，但由于原设计在电路及硬件逻辑上存在一些问题， 软件算法上不够严密，造成精度和稳定性不好，可靠性和继承性也不理想。本论 文的主要目的就是通过完善软件、修改硬件来提高精度、稳定性和可靠性，优化 继承性。 论文的第一个重要研究内容是如何修改具体硬件电路，并对拟采用的硬件电 路进行单元实验，完成基准的自稳零，使系统性能更加完善； 论文的第二个重要研究内容是更改f p g a 内部硬件设计，尤其是口核设计， 对口核进行仿真、调试，将主要工作交给硬件完成，减少软件的工作量，降低 测量延时和误差； 最后，在软件上，研究不同波形处理算法的优缺点，优化软件算法，使盐度 测量精度达到要求，系统的自动化程度提高；优化人机界面设计，方便用户操作。 关键词：平衡电桥、s o p c 、l p 、盐度、操作系统 d e sig no feie c t r o d et y p el a b o r a t o r y c o n d u c t a n c es aiin o m e t er a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fs o l u t i o ni sab a s i cp h y s i c a la n dc h e m i c a l m e a s u r e s i ns p e c i f i cc o n d i t i o n ，t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yh a sc l o s er e l a t i o nw i t ht h e s a l tc o n t e n t e di ns o l u t i o n ，t d s ，a n dp hv a l u e t h em e a s u r eo fe l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y i st h ec o r eo fm u l t i p a r a m e t e rw a t e rq u a l i t yd e t e c t i n gs y s t e m ，t h er e s e a r c ho f e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yh a ss i g n i f i c a n tm e a n i n g t h e r ea r em a n ym e t h o & o fm e a s u r i n gs e a w a t e r ss a l i n i t y t h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ym e t h o dt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ym e t h o dp l a y si m p o r t a n tr o l ei nt h e s e m e t h o d s a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to fp r a c t i c a ls a l i n i t ys c a l e1 9 7 8 ，i tb e c o m e st h em a i n t e c h n o l o g yf o rt h es a l i n i t ym e a s u r e m e n t , b e c a u s et h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha sh i g ha c c u r a c y 、q u i c ks p e e da n de a s yf o rf i e l dm e a s u r e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o no nd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ls a l i n i t ym e a s u r et e c h n o l o g y , f u l l ya n a l y z e sa n de l a b o r a t e st h ep r i n c i p l e o fp r e - s a l i n o m e t e r , e s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g ya n dt h ed i f f i c u l t yi n s a l i n o m e t e r t h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e ss e v e r a lp r o j e c t sa n dc h o o s e st h eb e s to n e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dp r i n c i p a lc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s ep r o j e c t s t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ew h o l es c h e m e 、t h eh a r d w a r ee l e c t r oc i r c u i td e s i g n ， s o f t w a r ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no ff p g t h er e s u l to fe x p e r i m e n to ns a l i n o m e t e r i sp r e f e r r e da tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni st h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fp r e - s a l i n o m e t e r , w h i c hu s e s b a l a n c eb r i d g et om e a s u r er e l a t i v ec o n d u c t i v i t y , t h es e n s i t i v i t yi s1 0 一5 t h ef o r m e r d e s i g nh a ss o m ep r o b l e m sa b o u te l e c t r i c a le i r e n i t a n dh a r d w a r el o g i c i m p r e c i s e s o f t w a r ea l g o r i t h mc a u s e si n e x a c t n e s sa n di n s t a b i l i t y ；t h e r e f o r ei th a s h tg o o d r e l i a b i l i t ya n dc o n t i n u i t y t h em a i n a i mo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oi m p r o v et h ea c c u r a c y , r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , o p t i m i z ec o n t i n u i t yb yp e r f e c t i n gs o f t w a r ea n da m e n d i n g h a r d w a r e t h ef i r s ti m p o r t a n tr e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni sh o wt oa m e n dt h es p e c i f i c h a r d w a r ec i r c u i t , w i t hw h i c ht od ou n i te x p e r i m e n tt oc o m p l e t et h ea u t o m a t i cz e r o a d j u s t m e n to ft h eb e n c h m a r k w i t ht h i st oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h es e c o n di m p o r t a n tr e s e a r c hi st oi m p r o v et h eh a r d w a r ed e s i g no ff p g a , e s p e c i a l l yt h ei pc o r cd e s i g n i ta l s oe m u l a t e sa n dd e b u g st h ei pc o r e i nt h i sd e s i g n ， m o s tf u n c t i o n sc a nb ec o m p l e t e db yh a r d w a r e ，s oi tc a nd e c r e a s et h ew o r k l o a do ft h e s o f t w a r ea n dr e d u c ed e l a ya n dm e a s u r e m e n te l i o l f i n a l l y , i nt h es o f t w a r e ， r e s e a r c h i n gt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so f d i f f e r e n tw a v e f o r mp r o c e s s i n ga l g o r i t h mt oo p t i m i z et h es o f t w a r ea l g o r i t h m ，s oa st o a c h i e v et h er e q u i r e m e n to ft h es a l i n i t ym e a s u r e m e n ts o l u t i o na n di n c r e a s et h e a u t o m a t i o nd e g r e eo ft h es y s t e m t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei s o p t h i a i z e d s o o p e r a t o r sc a l lu s e i te a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：b a l a n c eb r i d g e 、s o p c 、p 、s a l i n i t y 、o p e r a t i o ns y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：睫新斫签字日期：硝4 三t - 月m 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：妊新新 导师签字：卫盎i 虱 签字日期：砌矿年q - 月加日签字日期：知够年毕月加e l 电极式实验室海水电导盐度计的研制 1 引言1 1 盐度是指单位体积中所含盐分的数量，天然海水的盐度介于3 3 0 - 一3 5 o 间。 海水盐度是一个极其重要的海洋物理化学参数，在所有海洋领域几乎都会涉及 到海水盐度。与海洋渔业、海水发电、海水化工及水产养殖技术等产业都有很大 的关系，随着这些产业向深层次发展，需要测量的海水盐度的精度越来越高，因 此迫切需要一种现代化的高精度仪器为盐度的测量提供标准，使测量技术的水平 大幅度提高。盐度的分布变化也是影响和制约其它水文要素分布和变化的重要因 素，所以海水盐度的测量是海洋水文观测的重要内容。而对现有海洋测盐仪器的 准确性评定是保证海洋调查盐度数据准确性的前提。 本课题的研究对象高精度实验室海水盐度计就是为实现高精度测 量海水盐度而设计的。它沿用了h d 2 型海水盐度计的电极式测量方式，保留了 测量原理，利用电阻电桥或比例分压电桥，在非恒温下测量海水相对电导率，在 实验室条件下准确快速地测量海水盐度。采用新的f p g a 技术和数字化的设计理 念对h d 2 型海水盐度计进行创新，以精密的硬件结构和精确的软件算法保证盐 度测量的结果达到或超过1 0 一。 本课题主要是在前期开发的电极式实验室海水电导盐度计的基础上进行改 进和完善。目前该电极式实验室海水电导盐度计的测量精度没有达到设计要求， 功能和性能上还存在一些问题，因此提高海水测量精度，提高系统的自动化程度， 完善功能，实现嵌入式操作系统是本课题的主要目的。盐度计功能的实现涉及到 检测、电子、通讯、控制等多学科的内容。其研制成功将大大改善海水盐度测量 的现代化水平，为其它仪器设备提供盐度标定的标准，具有巨大的现实意义。 1 1 课题的来源圆 课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资源环境领域的海洋监测 技术主题，属于8 6 3 定型设计。本主题围绕维护海洋权益、发展海洋经济、保护 海洋环境、预警海洋灾害等重大需求，重点研究和发展海洋监测的前沿技术，提 高我国海洋生态环境快速现场监测能力和海洋动力环境立体监测能力，研制一批 具有国际先进水平的海洋监测技术产品并促成其产业化，从整体上提高我国海洋 监测技术水平。 海洋监测技术主题是国家8 6 3 计划资源环境领域的四个主题之一。将那些技 术已相对成熟，产业化前景较好的仪器产品、研究成果转化为技术标准，以促进 海洋高新技术的产业化发展，提高海洋监测高新技术产品在产业化、市场化进程 电极式实验室海水电导盐度计的研制 中的竞争能力。 l i d 2 型海水盐度计于1 9 7 7 年通过国家海洋局验收和鉴定，其技术、原理和 测量结果都达到当时的国际先进水平。随着新技术的不断涌现和自动化测量技术 的发展，我们使用新的技术对其进行改造，以提高产品的自动化水平，形成产业 的标准。 1 2 课题研究的意义3 1 生产水平与自动化程度的提高，需要先进的检测仪器和仪表作基础【4 】。过程 检测仪器的应用，提高和保证了产品的质量，降低了原材料的消耗，提高了生产 率，这就大大地促进了工业生产的发展，可以说过程检测仪器是现代化工厂必备 的仪器设备【5 】。在过程检测中电导率的测量与监控具有十分重要的地位，它是利 用溶液的成分和电导率之间具有一定关系的特性来分析介质溶液的导电现象及 其规律性的测量方法【6 1 。由于电导测试技术具有灵敏度高、可测范围宽、结构简 单、便于实现连续测量等优点，被广泛应用于自动连续监测如水质的监测和水 土壤中盆分的测定：工业流程控制如化肥生产中c o i c 0 2 的测定；钢铁中c i s 的测 定以及色谱仪中监测器的应用等r 。 1 3 主要技术指标 准确度：0 0 0 3 ( 等效盐度值) 分辨率：0 0 0 0 3 ( 等效盐度值) 精密度：0 0 0 1 ( 等效盐度值) 稳定性：0 0 0 1 8 h ( 等效盐度值) 温度：常温( 5 - - , 3 5 ) ( 不控温) 测量范围：2 , - 一4 2 使用环境：实验室环境，工作温度5 3 5 ，相对湿度 c p o f 级) 。在高溶液电阻或者采用高频情况下，双电层电容c 坟容抗相对很小时，则 双电层电容也可以省略掉，得到进一步简化的等效电路如图3 - 2 ( b ) 所示。电导 池等效为溶液电阻和引线分布电容相并联，这种等效电路也很常用。 ( a )( b ) 图3 - 2 简化的电导池等效电路图 由于电导测量仪器的指示刻度的方法是把电导池系统看作一个纯电阻元件， 但在测量电源为交流时，电导池不再是一个纯电阻，而是包括容抗在内的阻抗了， 其总的电导值为两者的电导值的矢量和，尽管在电导测量研究中，采取了各种措 施加以克服，但对电导仪在实际测量中还是造成了一定的误差。 ( 3 ) 实时性差交流激励源的采用不可避免的在电导测试系统后续电路中需 要引入一系列的环节( 如相敏解调、滤波电路) 对交流信号进行处理，使得测试系 统结构复杂，数据采集速度大为降低，难以满足对生产过程进行在线检测，实时 控制的要求。虽然国内外的研究者采用了高阶滤波器、乘法解调等措施不断改善 采集速度，但由于激励原理的限制，数据采集速度一直难以得到质的提高。 3 3 电导率测定方法嘲 电导率测定盐度法测定海水的盐度首先要解决如何将海水电导率测定出来。 海水电导率的测定方法按电导池的形式可分为感应式和电极式两种 3 3 1 感应式 感应式盐度计以电磁感应为原理，它可在现场和实验室测量，在实验室测量 的精度可达0 0 0 3 。然而，感应式盐度计需要的样品量很大，灵敏度不如电极 电极式实验室海水电导盐度计的研制 式盐度计高，并需要进行温度补偿，操作复杂，导致感应式盐度计不如电极式盐 度计的应用广泛。 3 3 2 电极式 最先利用电导法测量盐度的仪器是电极式盐度计，由于电极式盐度计测量电 极直接接触海水，容易出现极化和受海水的腐蚀、污染，使性能减退，这就严重 限制了在现场的应用，所以主要用在实验室内做高精度测量。目前广泛使用的 s t d 、c r d 等剖面仪均是电极式结构的。 3 4 电导率测量原理概述 3 4 1 实用盐标关系式【冽【8 】 1 9 7 8 年实用盐标给出的关系式为： s = a o + 口1 础2 + 口2 k 5 + 口3 碟2 + 口4 瑶+ 口5 碟2 f - 1 5 + 1 - i - k ( t - - 1 5 ) ( b o + 巩霹心+ 易2 r + b 3 霹佗+ 钆r 2 + b 5 群佗) ( 3 - 1 ) 其中r = 币r 丽，尺瓦s 磊；t , p 川) = 等，删= 等 式中y s , t , p 表示盐度为s ，温度为t ，压力为p 的海水电导率，如y3 5 1 1 5 p 表示 盐度为3 5 ，温度为1 5 ( 3 ，一个大气压下的海水电导率，适用的范围为：温度一2 3 5 ，压力o 1 0 0 0 b a r ( 1 b a r = 1 0 s p a ) ，盐度2 - - , 4 2 。 3 4 2 计算海水盐度【2 9 】【刈 如图3 3 所示，将激励信号加到两个电极上，电极浸入溶液内即可测定溶液 电导率，e 为激励信号，r c 是待测水溶液的等效电阻，r 1 是信号源e 的内阻， 只要能测出r c 上的电压降v c 和回路的电流i ，就能按下式求出溶液的电导率： l y = 访k ，其中k 为电导池常数。 e 图3 3 单电极测量法 在目前技术条件下，精确地测定电导池中海水样品的电导值并不困难，但将 1 4 电极式实验室海水电导盐度计的研制 电导换算成电导率，却遇到了确定电导池常数的困难。采用电导率比的概念，就 会避免测绝对电导率所遇到的确定电导池常数的困难。目前精确测定电导率均采 用电导率比测量。其参比标准是盐度为3 5 的电导率y3 5 o ，温度t 时的电导率 比通常表示为 丫s , t , 0 r = 面 用两个电导池测量电导率比的简单电路如图3 4 。 i 一面耐 图3 - 4 ：双电导池法 图中r c l 和r e 2 分别表示标准海水和待测海水的等效电阻，两电导池浸在水 浴中，通过搅拌机保持两电导池温度相同。是已知电阻值的固定电阻，r 3 是 精密电阻箱，e 是交流激励源，a 是检流计内阻，d 是平衡指示器。当调整r 3 使电桥平衡时，电导率比由下式求得： 丫| ，0r 3k 2 r = 石2 i 宰百 式中k 1 和k 2 分别为两电导池常数。实际测量时标准海水的盐度不可能准确 为3 5 ，这里设标准海水的电导率为yd t , o ，实际测量时分两步进行： 1 将两个电导池注入相同盐度的标准海水，调整r 3 使桥路平衡，当r 3 的 值为r 3 时电路平衡，这时有： 鲁：惫等= 惫c 3 哪 一一一一一一 ，口一| ) 、 r 一k 2 。扎，o k 2 o 一二， 2 待测电导池内的标准海水换成待测海水，设待测海水的电导率为ys , t , o 。当 电阻r 3 的阻值为r 3 盯时桥路达到平衡，这时有 巧k l 丫i 加 ，、 了= 丁- ( 3 3 ) 风一k 2 。o l j j j 将式( 3 2 ) 带入式( 3 3 ) 得： 电极式实验室海水电导盐度计的研制 孚：孚导 ( 3 - 4 ) 一一一一 ，口一月、 尺4 一r 4 丫d ，o 、o 气， 式( 3 4 ) 是待测海水电导率与标准海水电导率之比，但要求测定的是任意 温度下待测海水的电导率与盐度为3 5 的海水的电导率之比，即r t _ y 。y3 5 , t , o 。 为解决这一问题将r t 式中的分子分母同除以yd , t , 0 得： 冠= 垃= 丛纽! = 垃垃= 堕氅掌垃( 3 - 5 ) 根据已知标准海水的电导率比yd , t , d y3 5 ，t ，o 和电阻r 3 的阻值就可以计算出待 测海水的电导率比r t 。在正确测量出待测海水的电导率比r t 后，就可以将r t 和 水浴的温度t 带入式( 3 1 ) 求出待测海水的盐度。 3 5h d - 2 测量原理跚1 h i ) 2 型盐度计充分利用了平衡电桥的优点，并通过创新性的思路改造电路， 达到高精度测量海水盐度的目标。 3 5 1 测量桥路 h d 2 型盐度计使用一种非恒温型实验室海水电导盐度计工作原理，其特征 是双电极电导池的电导池常数可以不等，利用电阻电桥分压，在非恒温下精密直 读海水相对电导率，并利用该原理设计了平衡电桥式实验室海水电导盐度计。如 图3 5 所示，平衡电桥由四个部分组成： v r c f g 图3 5h d _ 2 测量原理图 ( 1 ) 交流激励源。激励源为桥路提供驱动电压v l e f 。当交流激励源的频率低时， 待测海水会产生极化、电解现象：当频率高时，寄生电容、电感的影响变 大，对系统硬件的要求很高。在实验的基础上，把激励源的频率设为1 k h z 。 1 6 电极式实验室海水电导盐度计的研制 ( 2 ) 标准支路。该支路由精密串联十进位可调电阻r s l 和r s 2 组成，在激励源 的作用下产生电压u 。： 船2 “。= 瓦面宰v r e f 。 该电压随r s l 和陆阻值的改变而变化，通过改变1 和的值，可调节 电桥的平衡度。 ( 3 ) 待测支路。1 为标准电导池的电阻，池内封装有已知电导率的标准海水； r d 2 为待测电导池的电阻，池内封装的是未知电导率的海水。两个电导池 的结构常数可以不等，在激励源的作用下产生电压u b ： 黝2 h 6 = 面丽附 ( 4 ) 高灵敏度检流计g 。检流计使用高灵敏度的微安表，指针的偏转度反映了 u l 和u b 间的电压差，当流过检流计的电流为零时，桥路达到平衡，此时 u i = u b ，可得： 船2尉2船1 瓦而宰陬产面丽枣v r e f 即：r d 2 = 而幸r d l ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 为测量海水盐度提供了数学依据，只要我们保证高灵敏度检流计 的灵敏度，就能准确的测量出待测海水的电导率。 使用电桥测量电阻时的精密度主要取决于电桥的灵敏度。当电桥平衡时，若 使r s 2 改变了微小量6r s 2 ，电桥将偏离平衡，检流计偏转n 个格，则常用如下的 相对灵敏度s 表示电桥灵敏度。 s = d r , 2 r 2 由上式可知，如果检流计的可分辨偏转量为a n ( 取0 2 - 0 5 格) ，则由电 桥灵敏度引入被测量的相对误差为： 麒刀 尺s 则电桥的灵敏度越高( s 越大) ，由灵敏度引入的误差越小。在盐度计设计过程 中，通过合理设计平衡电桥增益，保证检流计有很高的灵敏度。 3 5 2h d 2 型盐度计优缺点 h d - 2 型盐度计技术性能指标已达到国家用于分析测定海水样品的相对电导 率指标要求，测量电路原理正确、可靠，但在结构及采用技术上还存在问题： ( 1 ) 采用机械触点切换、调整、可靠性低； ( 2 ) 仪器体积大； ( 3 ) 电路电子线路技术落后，已不能适应现代测量需要； 1 7 电极式实验室海水电导盐度计的研制 ( 4 ) 仪器无数据处理、打印、网络等功能； ( 5 ) 人工手动操作，分析测量步骤繁琐，速度慢； ( 6 ) 人机接口不够友好，显示信息量小，功能单一 3 6 前期盐度计h d - 4 3 6 1 测量原理 前期盐度计h d 4 的测量原理和h d 2 基本上相同，同样以平衡电桥的方式 测量海水盐度，通过调整d a 值获得电桥平衡。如图3 - 6 所示。 图3 - 6 前期盐度计测量原理图 ” 为了克服h d 2 型盐度计技术上存在的问题，在皿4 中采用最新的s o p c 技术对电路进行全数字化设计，其中主测量电路由交流激励源、标准支路、待测 支路、数字可编程高灵敏度检流计、控制单元五个部分组成。 ( 1 ) 交流激励源。本课题选用数字可编程交流激励源，具有以下特点： 。激励源的幅值、频率和波形由i p 核内的逻辑控制； 。激励源的波形可变，如可以选择正弦波、梯形波等； 。激励源波形的幅值、频率可以根据任务的不同而改变； 。激励源由硬件电路实现双极性变化，使桥路具有正负交变的驱动； 。激励源由高保真音频放大电路实现功率放大，提供高稳定性的电源。 ( 2 ) 标准支路。由三个1 2 位精度的d a 芯片组成的标准支路，输出电压取代 h d - 2 型盐度计中的两个串联十进位可调电阻的分压。d a 组输出电压叠加 后实现2 4 位的分辨率( 具体实现方式在第三章介绍) ，设d a 组输入的数 据为n ，则输出的电压为： 丽死n 瓦丽v r e f4 0 9 6 事4 0 9 6 三个d a 的控制量n 1 、n 2 和n 3 由i p 核控制，在测量过程中，程序通过分 析高灵敏度检流计部分的数据，以逐次逼近的方式修改n 1 、n 2 和n 3 的数 1 8 电极式实验室海水电导盐度计的研制 值，改变标准支路的输出电压，达到数字化方式调节电路平衡的目的。 ( 3 ) 待测支路。待测支路同样由标准电导池和待测电导池组成，进行数字化改 造： 电导池内海水的装入和排出由电磁阀控制，实现测量流程的自动化。 - 电导池安装在盛有蒸馏水的水浴内，由数控搅拌机进行搅拌，因此两只 电导池处于热平衡状态，有相同的温度。 - 水浴槽内加入测温传感器，温度的分辨率为o 1 。 ( 4 ) 数字可编程高灵敏度检流计。高灵敏度检流计部分包含相位调整电路、电 压叠加电路、零点调整电路、可编程增益放大电路和模数转换电路。可编 程增益放大器的放大倍数由i p 核控制，根据桥路输出电压的差别程度， 选择合适的放大倍数。高灵敏度数字检流计部分数字化采集电桥的输出电 压，并通过数据分析电桥的平衡程度，调整标准支路的输出电压，使桥路 趋向平衡。 ( 5 ) 控制单元。f p c _ , a 芯片e p i c l 2 f 2 5 6 起到了核心控制作用，用户的软件程序、 3 2 位c p u 以及各个模块的i p 核都在该芯片上实现。通过q u a r t u s6 0 和 n i o si i 软件编辑各种软硬件程序，以高端的s o p c 嵌入式技术实现盐度测 量过程中的各种功能。 3 6 2 前期盐度计h d - 4 优缺点 ( 1 ) 分辨率可以达到要求，同时证明了测量原理的可行性。标准支路由3 个1 2 位精度的d a 组合而成，其分辨率可以达到1 4 0 9 6 4 0 9 6 ，即1 0 。7 ，满足了 精度要求的1 0 。6 。 ( 2 ) 自动操作完成测量，操作过程方便、快捷，解决了h d - 2 盐度计人工手 动操作，分析测量步骤繁琐，速度慢的难题； ( 3 ) 稳定性和一致性没有满足要求。系统要求数据稳定性为0 0 0 1 8 h ( 等 效盐度值) ，而在进行比值测量时，数据稳定性不好，不能满足系统要求。对待 测支路部分，当用电阻代替电导池时，系统测量待测支路部分的电阻的比值。 实验条件：将标准电导池和待测电导池用精密电阻箱代替。 精度：精密电阻的精度为0 0 1 欧姆 温度：室温。 各变量代表的意义： k 1 ：标准电导池( 用r d 2 代替) 与待测电导池( 用r d l 代替) 的比值，r d 2 r d l t i m e ：进行测量时的时间 测量数据如表3 - 3 所示。 1 9 电极式实验室海水电导盐度计的研制 表3 - 3 测量数据1 k 1 时间 0 8 0 2 8 21 4 ：4 1 0 8 0 2 8 81 4 ：4 2 0 8 0 2 9 01 4 ：4 3 0 8 0 2 9 21 4 ：4 4 0 8 0 2 9 31 4 ：4 4 0 8 0 2 9 31 4 ：4 5 0 8 0 2 9 41 4 ：4 5 0 8 0 2 9 51 4 ：4 5 0 8 0 2 9 51 4 ：4 5 0 8 0 2 9 61 4 ：4 6 o 8 0 2 9 71 4 ：4 6 0 8 0 2 9 71 4 ：4 6 从表3 3 中可以看出，测得的电阻的比值随时间递增，无法稳定，因此无法 进行盐度的测量。 ( 4 ) 需要使用反相器和3 个d a ，电路结构复杂，连接点过多，影响测量 精确度和稳定性。 ( 5 ) 系统设计中核心模块的功能模块化不明确，系统对外界电路的驱动都 是采用方框图的形式实现，没有用口核的形式将各功能模块明确表示出来，这 使得系统无论继承还是维护起来都不方便。 3 7 本课题中的盐度计 相对前期盐度计，本课题的研究成果主要优势表现在： ( 1 ) 在本次设计中，测量原理和前期h d - 4 盐度计测量原理相同，均为平 衡电桥法。但是，本课题对具体的测量电路和具体算法进行了改进，优化了系统。 改进了测量电路和测量算法，提高了测量精度和稳定性。本课题在不改变测量原 理的前提下，通过改进测量电路，提高了系统的稳定性。对待测支路部分，当用 电阻代替电导池时，系统测量待测支路部分的电阻的比值。 实验条件：将标准电导池和待测电导池用精密电阻箱代替。 精度：精密电阻的精度为0 0 1 欧姆 温度：室温。 各变量代表的意义： k i ：标准电导池( 用r d 2 代替) 与待测电导池( 用r d l 代替) 的比值，r d 2 r d l t i m e ：进行测量时的时间 测量数据如表3 4 所示。 电极式实验室海水电导盐度计的研制 表3 - 4 测量数据2 nt h - n e 0 3 5 8 1 51 5 ：3 0 0 3 5 8 1 5 1 5 ：3 9 0 3 5 8 1 51 5 ：5 2 0 3 5 8 1 51 5 ：5 5 0 3 5 8 1 61 6 ：0 6 0 3 5 8 1 51 6 ：0 8 0 3 5 8 1 61 6 ：3 2 0 3 5 8 1 61 6 ：4 1 0 3 5 8 1 51 6 ：5 7 0 3 5 8 1 61 6 ：5 9 0 3 5 8 1 51 7 ：0 5 0 3 5 8 1 61 7 ：2 0 0 3 5 8 1 61 7 ：3 0 从表3 _ 4 中可以看出，在2 个小时内，数据的变化控制在0 0 0 0 0 1 ，其稳定 性和前期的h d - 4 有了明显的提高。 ( 2 ) 仪器电路结构优化设计。前期盐度计的电路中，电路结构过于复杂， d a 和反相器过多，增加成本的同时，电路也会因为线路节点过多对测量结果产 生影响，本次设计中，对电路结构进行了优化，使电路简单，实用性更强。例如： 以前的标准支路部分的电路结构图如图3 7 所示。 v r 佗f 图3 7 原d a 图 改进后的电路图如图3 8 所示。 2 1 电极式实验室海水电导盐度计的研制 图3 8 改进后驯a ( 3 ) 核心功能模块p 核化设计。在本课题中，系统对外界电路的驱动功能 通过口核来实现，即在f p g a 中，遵循a v a l o n 总线规范，将系统分成在功能上 相对独立的口核，其中各个口核采用v h d l 语言编写，结构清晰，方便调试， 便于系统的继承和改进。 ( 4 ) 相应部分的软件驱动。前期盐度计中，由于软件算法的原因，测量部 分的软件程序会造成误差为分辨率的四倍，在改进后的程序中，误差降成2 倍的 分辨率。 电极式实验室海水电导盐度计的研制 4 改进方案和具体硬件电路实现 本章主要介绍测量电路方案的选择、电路的硬件组成，给出电路的总体结构， 简单介绍一些外围器件。 4 1 测量原理方案改进 平衡电桥法测电导率是利用桥路一端的两电阻的比值来计算得出电导率。对 平衡电桥来说，其比值和电源电压无关，这是平衡电桥的最大优势。因此，本课 题保持该测量原理不变，通过改变具体测量电路实现精度的提高和数据的稳定。 在做本课题的过程中，测量部分分别进行了三次电路的设计。 4 1 1 方案一 1 原理和实现【3 2 】 采用电阻电桥分压。如图所示4 1 所示。 广一一一一1 图禾1 方案一原理图 该方案中，整个测量电路由三部分组成：标准支路、待测支路、检流计。 ( 1 ) 标准支路 图中a 部分即为标准支路部分。标准支路部分的输出电压由三个数模转换 芯片( d a ) 组合产生。n 1 、n 2 、n 3 具有数字可调性。f p g a 根据小h 的值的 l 2 、 m 附 (一 电极式实验室海水电导盐度计的研制 大小，调节d a 芯片的输入，实现自动测量，提高了自动化水平。 d a 芯片采用的是a d 7 5 4 7 ，它是双1 2 位电流输出的d a c s 。由于两路d a c 存在同一个芯片内部，可以实现精密的配合和跟踪，以前无法实现的离散d a c s 的应用就成为可能，两路d a c 的梯形电阻网络匹配度为0 5 。同一个芯片内两 个数模转换器的输出电流受相同因素的影响，也使叠加后的电流在精度、温漂、 干扰等方面具有很好的一致性。同时，该芯片具有低增益误差，在所有的温度下 至多1 个最低有效位的误差。 由于d a 采用的是电流反馈，所以d a 的输出电压与参考电压v f e f 反相， 因此在电路设计中，需要在d a 输出后加反相器， u a = 一p 木附 u a = 一u a = p v r e f d a 的内部结构如图4 2 所示。 rr i o m a g n d 图4 2d a 内部结构 d a 芯片内部是r 2 r 型的梯形网络。1 2 个模拟开关s o 心1 1 控制电流的流通 路径，每个模拟开关具有不同的权重，从高到低依次为2 ，2 2 2 1 2 。模拟 开关的状态由芯片输入的数字信号控制，因此可由数字量控制i o t r r 引脚输出电 流的大小。 梯形网络的等效电阻与模拟开关的位置无关，在任何情况下都是r ，因此， 参考源的输入电流不会随d a 的输入数据的变化而变化。 设d a 芯片输入的控制量为n 1 ，则 参考源的输入电流：i i n = v l c f r 。 n v r e f l o 仉_ a 引脚输出的电流为：i o 眦= 4 - 0 丽1 掌产 i o t r r a 经内部反馈电阻和外部运算放大器的作用变为v 孟： n l时n v o u t - - l o u t 恍r 蕊幸t 幸r 2 丽幸v r e f 其中，v r e f 的峰值为5 v ，当v r e f = 5 v 时，d a 的可分辩的最小电压为： 电极式实验室海水电导盐度计的研制 二, - ) 1 2 v r e f 一啬木5 = 0 0 0 1 2 2 v 系统精度要求为1 0 一，需要识别的电压最大为1 0 5 * v ? e f = 5 * 1 0 5 v 因此，0 0 0 1 2 2 v 无法满足精度要求。 当芯片为1 6 位时，分辨率达到：土9 1 6 v r e f 一去5 = 0 0 0 0 0 7 6 v 5 1 0 - 5 v 当芯片为1 7 位时，分辨率达到。而1 v r e f 一砉5 = 0 0 0 0 0 3 8 v 5 0 u v 一石宰一( 一下一石幸一事 因此，仅依靠平衡电桥，1 6 位d a 的分辨率无法满足要求，需要检流计部 分也就是非平衡电桥的差补计算。 假设u a 与u b 的差值为u ，当d a 部分调节结束时，u 的最大值为平 衡电桥的可分辨电压最小值u 1 l s b ，即7 6 u v ， uluaub(4-8) 检流计部分，采用的是1 2 位a d ，参考电源为5 v 。a d 可分辨的最小电压 为： t百vret妻-00(um 0 0 0 1 2 2 v 万一石 检流计部分的电压为平衡电桥两端电压经过2 0 0 0 倍放大后所得，因此a d 可分辨的最小电压反映到平衡电桥两端，即为： 【乙。t 坠0 0 0 1 2 2y 6 1 0 7 y o 6 u v 5 0 u v u 一一一一，l n -y i - n i iv、 。皿砸 2 0 0 02 0 0 0 。”。、 满足精度要求 ( 2 ) 电导率计算 计算电导率，首先要先求出u b 的表达式。 图4 8 变量的关系图 s t e p l - 当d a 调平衡至最后一位时，设d a 的输入是n 1 ，此时，桥路的 电压差值经过2 0 0 0 倍放大后，送入a d ，设a d 读出的数字量为n 2 ，如图4 8 所示。 s t e p 2 ：将d a 的输入改成n i + i ，此时，d 读出的数字量为n 2 ； s t e p 3 ：通过s t e p l 和s t e p 2 ，容易得出d a 的一个数的变化，体现在a d 上变化量为i n 27 n 2 1 ，即： 山一l n 2 - n 刁 ( 4 9 ) 电极式实验室海水电导盐度计的研制 s t e p 4 ：因此，s t e p 2 中n 2 转换成d a 的变化量为a n l ： 蝴旦( 4 1 0 ) 岱嗡 由于在s t e p l 中n 2 是在d a 已调至最后一位后得出的，因此，a 1 肯定 因此，电桥平衡后的实际d a 值为： n i - 1 + 1 ( 4 - 1 1 ) u b 石n i 辜v r e f n 1 矿+ a n l 宰v r e f ( 4 1 2 ) 竺一嚣一嚣一掣(4_13)1rdl 2 一- j o 一一- 一 q 一6j k 肛阡可 埔 竺丛一旦掣竽军n 2 (414)p , d l k 1 p a v r e f 2 1 62 1 6 其具体的操作过程和以前相同。 首先：将两个电导池装入相同的海水，p 1 p 2 , 得出电导池的常数比垒c ；x 其次，将电导池装入待测海水，由于标准海水电导率已知，得出待测海水的 本设计中，主要运用了等效d a 的思路。由于原d a 精度不够，采用检流 计的方法提高d a 的精度，得到等效d a 。 将( 4 1 1 ) 两边同时乘以2