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基于双频测定法的水电导率仪研制中文摘要 基于双频测定法的水电导率仪研制 中文摘要 电导率是衡量水质的一个重要指标，在电力、化工、食品、环保、冶金、制药、 电子、生化、供水等领域有很广泛的应用。并且随着经济和科技的发展，人们对于水 的质量提出越来越高的要求。长期以来如何准确测量水的电导率，特别是高纯水的电 导率，一直是水质监控人员及电导仪生产厂家十分关注的问题。 电导率的测量技术作为水质监测与分析的重要理论依据，随着应用领域的不断拓 展而得到了长足发展。电磁式电导率测量方法适合强酸强碱高温高压等恶劣条件下使 用，但测量范围狭窄；电极式电导率测量法是目前最常用的电导率测量方法。随着微 处理器和集成电路技术的不断发展，数字化电极式电导率测量逐渐占据主流地位。相 敏检波法、双脉冲法、动态脉冲法、频率法、正弦交流测定法等都充分利用了微处理 器的丰富资源和处理能力，并加入了自动的温度补偿和电容补偿功能，很大程度上提 高了测量的精度。 本论文在参阅国内外大量参考文献的基础上，根据溶液导电机理和溶液在电极作 用下的模型，分析了电极式电导率测量精度的影响因素，归纳起来主要为三个方面： ( 1 ) 电导池的极化效应对测量的影响；( 2 ) 电导池的非纯阻特性对测量的影响；( 3 ) 被测溶液的温度对测量的影响。仪表采用双频正弦信号测定法进行电导率测量，很好 的解决了电导池的极化效应和电容效应两个长期困扰电导率测量精度的问题，通过公 式计算能够准确测定水的电导率。在此基础上研制了采用双频电导率测定方法，具有 网络化功能的水电导率测量仪。该仪表以a r m 微控制器l m 3 s 8 9 6 2 为核心，采用 a t 8 9 s 5 2 单片机和d a 转换器t l v 5 6 3 8 构成d d f s 低频信号源，设计二阶带通滤波 器电路、电子开关、量程切换、真有效值转换等电路，双积分式a d 转换器i c l 7 1 3 5 保证采集数据精确，根据双频电导率测定法计算电导率，软件实现自动温度补偿。 l m 3 s 8 9 6 2 内部集成了网络控制器与收发器，只要采用精简的t c p i p 协议栈就能实 现仪表的网络化，在此基础上构建了一个基于网络的电导率测量仪表，实现了底层仪 基于双频测定法的水电导率仪研制 中文摘要 表与i n t e m e t 的无缝连接，用户通过网页浏览器访问嵌入式w e b 服务器，读取仪表的 测量数据。 实践数据表明，该仪表可以很好的完成电导率的精确测量，能够实现量程自动切 换，温度自动补偿，电导率超标报警，具备友好的人机交互界面以及网络通信功能。 关键词：电导率；双频正弦信号；a r m ；t c p i p ；温度补偿 l i 作 者：吴元亮 指导教师：陈小平 基于双频测定法的水电导率仪研制英文摘要 d e s i g no fw a t e rc o n d u c t i v i t yi n s t r u m e n tb a s e do n d u a lf r e q u e n c ym e t h o d a b s t r a c t c o n d u c t i v i t yl sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ro fw a t e r c o n d u c t i v i t yi n s t r u m e n ti su s e d w i d e l y i n e l e c t r i c i t y , c h e m i c a li n d u s t r y , f o o d ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，m e t a l l u r g y , p h a r m a c y , b i o c h e m i s t r y a n dw a t e ri n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d t e c h n o l o g y , p e o p l ec a r em o r ea n dm o r ea b o u tt h ew a t e rq u a l i t y f o rav e r yl o n gp e r i o d ， h o wt om e a s u r ew a t e rc o n d u c t i v i t yp r e c i s e l yi sa l w a y sad i f f i c u l tp r o b l e ma n da r o s e sm o r e a n dm o r er e s e a r c h e r sa n dc o n d u c t i v i t yi n s t r u m e n tm a n u f a c t u r e r s a t t e n t i o n a f t e rr e f e r r i n gm a n yr e f e r e n c e sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee l e c t r o d e c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t si n f l u e n c i n gf a c t o r s ，m a i n l yt h r e ea s p e c t s ，p o l a r i z a t i o ne f f e c t ， c a p a c i t a n c ee f f e c ta n dt h et e m p e r a t u r ee f f e c t ，a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n ds o l u t i o n c o n d u c t i v i t ye l e c t r o d es o l u t i o ni nt h er o l em o d e l i nt h i sp a p e r , an e t w o r k i n ga n dh i 曲 p r e c i s i o nw a t e rc o n d u c t i v i t yi n s t r u m e n tb a s e do nd u a lf r e q u e n c ym e t h o di sd e v e l o p d t h e i n s t r u m e n ta d o p t st w os i n es i g n a l s 谢t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa si t se x c i t i n gs o u r c e ，s o l v e s t h et h e o r e t i c a le r r o ro nm e a s u r i n gw a t e rc o n d u c t i v i t ya n de l i m i n a t e st h ee r r o rg e n e r a t e db y c a p a c i t a n c ee f f e c ti na l t e r n a t i v ec u r r e n tm e t h o dt om e a s u r ew a t e rc o n d u c t i v i t y t h e a p p l i c a t i o no fm i c o c o n t r o l l e rl m 3 s 8 9 6 2a st h ec o n t r o lu n i tc o m b i n e dw i t hd d f s ， r m s t o d cc o n v e t e ra d 6 3 7a n da dc o n v e r t e ri c l 713 5m a k e st h ei n s t r u m e n tp o s s e s s t h ea d v a n t a g e so fs t e a d yp e r f o r m a n c e ，h i g hr e s o l u t i o na n dl o wd i s t o r t i o n f u r t h e r , i th a s t h eo p t i o no ft c p i p , c a na n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e st om e e tad e m a n do f e s t a b l i s h i n gi n t e l l i g e n tm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e me x p e d i e n t l ya n df r e e l y t h ei n s t n m a e n tc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tm e a s u r i n gr a n g ea n da c h i e v e st e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ，e x c e e d i n gc o n d u c t a n c el i m i ta l a r m ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，n u m e r i c a l c o n t r o lc u r r e n ts o u r c e ，r e l a yc o n t r o la n ds oo n t h ei n s t r u m e n th a sa l s ot h ec h a r a c t e r i s t i c s i l i 基于双频测定法的水电导率仪研制英文摘要 s u c ha sm a n m a c h i n ei n t e r f a c e s ，d a t as t o r a g ea n dp a s s w o r ds e t t i n g p cc o m m u n i c a t e sw i t h m i c r o c o n t r o l l e rw i t lt c p h pt or e a l i z er e m o t ea c q u i s i t i o no fw a t e rc o n d u c t a n c e ，d a t a h a n d l i n ga n dr e s u l td i s p l a y u s e r sc a na c c e s st h ei n s t r u m e n te a s i l yb yc o m y l o nw e b b r o w s e r e x p e r i m e n t si nd i f f e r e n tw a t e ri n d i c a t et h a tt h ep r e c i s i o ni sw i t h i nr e q u i r e m e n t s t h i si n s t r u m e n tc a nb eu s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s sa f t e rf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：w a t e rc o n d u c t i v i t y ；c a p a c i t a n c e e f f e c t ；d u a lf r e q u e n c y ；t c p i p ； t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i v w r i t t e n b y ：y u a n l i a n gw u s u p e r v i s e db y ：x i a o p i n gc h e n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：差、垂! 塾日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：罢型盔日 导师签名： 基于双频测定法的水电导率仪研制第一章绪论 1 1 本课题的背景 第一章绪论 电导率作为一种重要的电化学参数，在发电厂、化工、冶金、医药、水利等部门 的水质监测方面有广泛的应用。随着饮用纯净水、药用蒸馏水、生物制品用水、工业 用水需求量的急剧增加，人们对于水质测量的准确性要求越来越高。 电导率测量方法通常采用电磁式电导率法【1 】、电极式电导率测量法和超声波电导 率测量法【2 ，3 1 ，但是由于电磁式测量法测量范围狭窄，仅限于高电导率溶液测量，超 声波电导率测量法很少被使用f 4 j ，电导率的测量以电极式测量法最为普遍。电极式电 导率测量方法根据电解导电原理采用电阻测量法间接测量电导率，电导池在测量过程 中表现为一个复杂的电化学系统，测量结果主要受三个方面因素影响1 5 , 6 ： ( 1 ) 极化效应：极化效应包括化学极化和浓差极化。电解过程中，电极与溶液 构成电势与外加电势相反的原电池，从而使电极间的电流减小，溶液等效电阻增加， 产生化学极化效应。同时，与电极接近处溶液的离子浓度很快减少，由于从溶液中供 给离子的速率比因电子交换而失去离子的速率小，因而电极与溶液的接触面之间失去 平衡，称为浓差极化。测量电解质溶液如果选择直流电源作为激励进行测量，电导池 就会产生极化现象，严重影响测量精度i 刀。 ( 2 ) 电容效应：电容效应源于双电层电容、电解质电容和电极引线分布电容。 对于交流激励，每个周期内电荷关系都将发生一次颠倒，电极表面交替吸引正负离子， 离子在平衡位置处往复振动，电能主要消耗在这种离子振动所产生的摩擦热上。此时 每个电极表面都可以看作有一个电容在起作用，该电容称为双电层电容，数量级常达 几十到几百u f 。 ( 3 ) 温度：温度会直接影响到电解质的电离度、溶解度和离子浓度，对测量结 果的影响最为严重，但补偿方法通常较为简单，易与实现。温度补偿的方法很多，如 恒温法、手动补偿法和自动补偿法等。目前最为成熟方法的是测量电导率的同时测量 溶液温度，进行查表补偿或公式补偿【8 9 】。 长期以来如何准确测量水溶液的电导率，特别是高纯水的电导率，一直是水质监 基于双频测定法的水电导率仪研制第一章绪论 控人员及电导仪生产厂家十分关注的问题，并在深入研究的基础上研制出各种类型的 电导率测量仪器。 1 2 电导率测量的国内外研究和应用概况及发展趋势 1 2 1 电导率测量的研究现状 近年来，随着人们对电导率精确测量的要求越来越迫切，国内外都在电导率测量 领域做了很大投入，发展至今，产生很多种电导率的测量方法，电磁式电导率测量法 和超声波电导率测量法受到测量机理的限制基本不用，电极式电导率测量法是目前最 常用的电导率测量方法。 电极式电导率测量法依照不同的划分方法有不同的形式。 ( 1 ) 按照不同激励源划分：直流测量法和交流测量法。直流电源作为激励源存 在“极化效应”，对测量结果产生很大误差，现在基本不用直流测量法。交流测量法 一般采用脉冲方波和正弦波作为激励源，主要是减少或消除极化效应和电容效应对测 量结果的干扰，得到精确的电导率测量结果，同时也不需要复杂的激励源发生仪器和 很大难度的测量技术。 ( 2 ) 按照电导池在测量电路中的位置分为四种形式 6 , 1 0 , 1 1 】：电桥法。电桥法包 括平衡电桥法和不平衡电桥法，电桥法中电导池被设计为电桥的其中臂，通过调整 电桥的另一臂的可变电阻使电桥达到平衡，以此计算出电导池的电导率。此方法具体 应用在雷磁2 7 型和d 5 9 0 6 型电导率测量仪上。电流法。电极一般放在运放的输入 端，激励源在电极中产生正比于被测电导率的电流，该电流经标准采样电阻产生正比 于电导率的交流电压，再经放大、整流、滤波将交变电压转换成正比于电导率的直流 电压。电流法测量电路较简单，温度补偿好，应用较为广泛。分压法。电导池与分 压电阻相串联，从电导池两侧或电阻两侧取电压。分压电阻分档可调，后接放大、检 波( 整流) 和滤波电路，这是一种相当成熟且应用广泛的测量方法。分压法测量电导 的优点是：电源不要求稳压，温度补偿效果较好，测量电路简单；缺点是分压信号较 小，但可采用高精度低漂移的精密运算放大器对其进行放大以便处理。频率法。这 种方法将电导率转换成与之成正比的频率信号，可以用电阻一频率变换电路，或采用 2 基于双频测定法的水电导率仪研制 第一章绪论 时基电路与电导电极传感器构成多路谐振电路将电导率转化为频率信号，电极作为振 荡电路的一部分。这种方法提供了高精度远距离的传输方式，且结构简单，成本低， 易做成便携式电导率仪。 ( 3 ) 从模拟技术与数字技术方面划分：电极式电导率测量方法利用模拟技术测 量电导率最经典的是w h e a t s t o n e 电桥法，由于其采用模拟技术，需要人工操作，使 用起来较为麻烦，现在基本不被采用。随着微处理器和集成电路技术的快速发展，数 字化电导率测量逐渐占据主流地位。基于相敏检波法【1 2 】、双脉冲法【1 3 , 1 4 】、动态脉冲法 0 5 , 1 6 1 、频率法【】7 】等电导率测量方法都充分利用了微处理器的丰富资源和处理能力，并 加入了自动的温度补偿和电容补偿功能，很大程度上提高了测量的精度。 温度对溶液电导率的精确测量有很大影响。所以，除了测量方法之外，国内外学 者的另一个研究重点是如何在电导率仪中采用合理的温度补偿措施。目前为止，国内 外己商品化的仪器的温度补偿的方法主要有三种f l s ，1 9 】：样品恒温法。加装水样预处 理的恒温装置，被测溶液的温度被预先恒温至基准温度条件下再进行测量。这种温补 法的缺点是：需要外加价格昂贵的精密恒温装置，条件难以控制，所以现场使用的很 少。手动温度补偿法。在测量仪器上设置手动温度补偿调整器。日本产c m 5 b 型 和国产d d s 3 0 4 型电导率仪均采用该种方法进行温度补偿。缺点是：电导率温度补 偿系数恒定，误差较大。自动温度补偿法。采用自动温度补偿装置以保证整个测量 仪的精度。该补偿方法在仪器电子单元设置自动温补电路，通过置于传感器上的温度 敏感元件值进行逐点自动补偿，如英国产k e n t 5 2 系列和国产d d g 3 0 2 即采用自动 补偿法。该方法具体实现手段有热敏电阻电路、参比法补偿电路和逐点逼近补偿电路。 目前效果最好的温补方法是：精确测量电导率和溶液温度后，拟合出经验公式， 通过微控制器实现温度的软件补偿，或者利用单片机的计算和存储能力，使用查表法 进行温度补偿。 1 2 2 电导率测量系统的应用概况 近年来，电导率测量仪器的发展十分迅速。国际著名的电化学分析厂家如美国的 y s i 公司和o r i o n 公司、意大利的h a n n a 公司和德国的l o v i b o n d 公司都在从事电导 仪的开发与研制。美国o r i o n 公司的1 6 2 a 专业型电导仪可在一5 1 5 0 ( 2 范围内工作， 基于双频测定法的水电导率仪研制第一章绪论 测量范围为0 5 0 0 0 0 0 9 s c m ，精度可达0 5 。意大利h a n n a 公司研制的h 1 9 8 3 0 9 型 高精度笔式纯水电导测试仪分辨率可达0 0 0 1 9 s c m 一，可测量小于2 9 s c m o 的电导值， 尤其适用于高纯水测量。 国内上海精密科学仪器有限公司生产的d d s 系列电导仪也有一定的影响，已广 泛应用于工业和实验室测量。以生产电化学仪器为主的上海雷磁仪表厂，代表产品有 d d b 一3 2 b 型和d d g 5 5 型等。8 0 年代该厂从英国肯特公司随电站水质分析监测系列 仪表一起引进了5 2 0 3 型工业电导一制造技术，该型仪表广泛应用在电站软化水、海水 的淡化、原水和去离子水厂等有关部门进行水质监测。南京分析仪器厂、江苏电分析 仪器厂、上海第二分析仪器厂和厦门市分析仪器厂以生产工业过程分析仪器为主。南 京分析仪器厂生产的d d 1 0 1 型电导仪，主要用于船舶海水淡化装置，连续分析淡化 后的淡水中的含盐量，也可用于电力、化工等部门检测供水中的盐分含量。化工部自 动化研究所研制成功的h z 一3 9 0 0 型工业防爆电导仪，通过有关计量部门审查测试和 在扬子石化烯烃厂现场应用证明：各项性能数据良好，其技术性能己达到国外8 0 年 代同类仪表水平。 国外电导率测量仪已经有了很长的发展历史，现如今已经制作出精度达到0 5 的电导率测量仪。国内电导率测量仪器经过这几年的发展也有了很大的进步。但是， 国内产品与国外产品相比较仍然存在很多方面的不足：精度相对较低、不具备网络通 信功能、稳定性差、不能实现温度的连续补偿，在温度变化频繁的场合不适用等等。 1 2 3 电导率测量的发展方向 近年来，集成电路发展迅速，出现了高速微处理器( m c u ) 。一方面，m c u 优 秀的存储能力和计算能力启发人们采用软测量方案，建立电导率与某些易测参数之间 的数学模型，基于最优估计及神经网络等智能化方法，通过软计算【2 0 , 2 1 代替一部分直 接测量，既可消除测量中的干扰，提高测量精度，又节约了成本，是电导率测量发展 的一种趋势；另一方面，高速微处理器的强大数据处理能力和控制功能引导着测量仪 器向模块化、智能化方向发展。与计算机的在线通讯，使得数据处理能力进一步提高。 在这一背景之下，小型化、智能化、网络化是电导率仪发展的另一趋势。 纵观国内嵌入式测量仪的开发环境，由于缺乏一个稳定工作的硬件基础，所以整 4 基于双频测定法的水电导率仪研制第一章绪论 个开发工作的重点大都放在调试硬件故障上。现有测量仪表接口电路种类比较少，传 统的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口，数据交换速度慢，已经不能满足日益增长的数据传输需求。 另外，传统的8 位微处理器也越来越不能适应日渐复杂的应用需求，而3 2 位a r m 嵌入式微处理器以其卓越的性能、超低的功耗、很高的性价比，代表了当今主流电子 应用技术的发展方向。因此，应用3 2 位a r m 微处理器、友好的交互界面、网络互 连功能、多接口、实时的数据处理几乎成了现代测量仪器的共同需求。 计算机技术和网络技术的飞速发展使得嵌入式测量仪器结合i n t e r n e t 技术成了一 种必然趋势。嵌入式w e b 服务器正是应用嵌入式i n t e m e t 技术实现远程监控的一种高 性能、低成本的网络设备。该设备有如下特点：作为w e b 服务器，i n t e r n e t 网络中的 用户可以通过浏览器以网页的形式方便地监控现场设备：集成多种工业现场总线接 口，满足不同接口的现场设备与i n t e m e t 联网的需求。 同时，工业控制网络采用以太网，就可以避免使其游离子计算机网络技术的发展 主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，并保证技术的可持续发展。 1 3 本课题主要完成的工作 国内外对电导率测量仪表的研究做出了大量的工作，效果显著。以目前的总体来 看，电导率的测量仍然存在着以下几点不足：测量精度还比较低。主要因为电极在 测量过程中反应复杂，要完全消除电极的极化效应和电容效应得影响还比较难，有待 于测量方法的进一步提高；实现测量的电路要求较高。尤其是采样电路，复杂的采 样电路容易引入外界噪声同时降低了实时性；功能比较单一。单一的显示，内存小， 难以存储大量数据，历史数据保留较少，同时不具备更多的附加功能。网络化程度 低。网络化功能是测量仪表的发展趋势，传统仪表一般不具备网络传输的功能。 本课题总结国内外对电导率仪表的研究状况，顺应电导率测量仪器的发展趋势， 根据电导率测量技术的发展状况，并充分考虑其实用性和经济性的基础上提出。利用 l m 3 s 8 9 6 2 的丰富的内部资源，综合各个方面影响测量精度的因素，设计实现了一款 基于双频测定法的水电导率仪，主要完成内容包括： ( 1 ) 研究电导率测量的众多方法和双频正弦信号测定法的优点； ( 2 ) 构造基于双频正弦信号测定法的电导率测量仪器框架； 基于双频测定法的水电导率仪研制第一章绪论 ( 3 ) 设计电导率仪硬件电路，分析基于l m 3 s 8 9 6 2 芯片的周边电路的合理性， 最大化利用嵌入式芯片的丰富内部资源； ( 4 ) 设计仪表的应用程序，优化算法，提高程序运行速度；采用软件补偿的方 法对被测溶液因温度造成的测量误差进行修正，提高电导率测量仪器的精度。 ( 5 ) 实现仪器的网络化功能，p c 机可访问嵌入式w e b 服务器，读取仪表测量 数据。 ( 6 ) 设定仪表的技术指标：自动温度补偿范围( 2 5 为基准) ，线性0 0 , - - 9 9 9 ，纯水5 0 - - 5 0 0 ；整机基本误差为i e s ；温度绝对误差为0 4 ( 5 0 - - 5 0 0 ) ，1 0 ( 0 o 5 o ，5 0 0 - - 9 9 9 ) ；电子单元重复性误差为o 5 f s 1 l s b ； 电子单元稳定性为0 5 e s 1 l s b 2 4 h ；输出信号：开关量( 继电器触点) ，模拟量 ( 4 - - - 2 0 m a ) ；通讯接口：r s 4 8 5 总线接口和t c p i p 接口。 ( 7 ) 参照技术指标对研制的仪表进行性能测试分析； ( 8 ) 总结课题成果，分析不足，展望未来的改进。 6 基于双频测定法的水电导率仪研制 第二章电导率交流测量原理 第二章电导率交流测量原理 2 1 电导率基本知识概述 物质按其在电场作用下导电与否分为导体、半导体和绝缘体【6 】。其中导体按照导 电方式分为两大类：电子型导体和离子型导体。电子型导体依靠自由电子在电场作用 下作定向运动而导电的导体；离子型导体依靠离子的定向运动而导电。在工程技术上， 通常用电阻来衡量第一类导体的导电能力，而用电导来衡量第二类导体的导电能力 【2 2 】 o 2 1 1 溶液的电导和电导率 电阻的定义：当电流通过任何一种导体时，都会受到阻力的作用，称为电阻。用 符号r 表示。电阻由式( 2 1 ) 确定。 尺= p j l ( 2 - 1 ) 式中：，为导体的有效长度，单位为米( m ) ，a 为导体的有效横截面积，单位为平方米 ( m 2 ) ，p 为电阻率，单位为欧米( q m ) 。 上式适用于所有导体，不过对于离子型导体，我们用电导和电导率来表示这个阻 力的大小。原因在于：电子型导体的电阻温度系数是正的，而离子型导体的电阻系数 是负的。若采用电阻的倒数即电导来表征，离子型导体的温度系数也为正数。这在实 际应用中比较方便。除此之外，计算方便也促使我们用电导来表征离子型导体。电导 表达式如式( 2 2 ) 所示。 g ：土：土兰：r a ：一1r ( 2 2 ) r p llk 式中：g 为电导，单位为西门子( s ) ，盯为电导率，单位为欧一1 米1 ( q 1 m 1 ) 或 s m ，k 为电导池常数，单位为( m 以) 。 7 基于双频测定法的水电导率仪研制 第二章电导率交流测量原理 2 1 2 影响电导率测量精度的因素 在外加电场的情况下，电导池两极上产生电流，其大小由溶液的导电能力决定， 溶液的导电能力与下面几个因素有关【7 1 ： ( 1 ) 电解质的本质。与离子半径大小，电荷多少有关也就是与离子迁移率有关， 如旷的半径小，体积特小，迁移率大，所以导电能力强。 ( 2 ) 溶液浓度。溶液浓度越大，有效离子浓度越大，则电导率就越高，离子的 迁移速率就越大。比如n a + 与c a 2 + 同样是一个离子的移动，但是后者产生的电流是 前者的两倍。当浓度太高，由于离子间相互吸引，碰撞机会增加，离子的有效浓度反 而下降，导电能力也随着降低。而当溶液稀释时，导电能力有两个相反的方向：一种 情况是由于溶液体积增加，单位体积内离子减少，导电能力下降；另一种情况分强弱 电解质两种情况。对于弱电解质溶液，溶液稀释导致电离度增大，溶液中离子总数增 加，造成溶液导电能力加强；对于强电解质溶液来说，溶液稀释导致离子间距离拉大， 离子间的吸引力减弱，离子的迁移速度加快，导电能力反而增大。 ( 3 ) 溶液的温度。离子型导体具有正的电导温度系数。在低浓度下，电导率与 温度之间具有如式( 2 3 ) 所示的关系。 t = 七f 0 【l + 届( t f o ) + f l ( t t o ) 2 】 ( 2 3 ) 其中，k ，为f 温度下溶液的电导率，k ，。为t 。温度下溶液的电导率，届和殷为溶液电 导的温度系数。再要求不高的场合，关系式可以舍去最高次项，得到( 2 4 ) 表达式。 t = t 。 1 + 口( f t o ) 】 ( 2 4 ) 式中口也是温度系数。 溶液的电导之所以具有正的温度系数，主要是因为温度升高时，离子的水化作用 减弱，溶液的粘度降低，溶液的导电能力增加。反之亦然。 ( 4 ) 溶液的电离度口。强电解质溶液在水中完全电离，其电离度口为l ，而弱 电解质在水中部分电离，电离度a 小于l ，所以在浓度相同的情况下，两种电解质的 溶液有着截然不同的导电能力。 所以，对于一种电解质溶液来说，导电能力与溶液的诸多因素有关。其中，温度 是在设计制造仪器时可以人为的加以消除的因素，其余的因素是电导分析法分析溶液 8 基于双频测定法的水电导率仪研制第二章电导率交流测量原理 浓度的基础，也是电导测量的检测机理。 2 2 电导率测量的几种常见方法 数字化电导率测量方法一般有以下几种测量方法： ( 1 ) 相敏检波法。相敏检波法在电导率测量中的应用非常广泛，可用于工业在 线测量。图2 一l 为相敏检波法的原理框图。将振荡器产生的正弦电压加到电导池电极 两端，溶液电阻r 和双电层电容q 串联构成一个通道，引线分布电容g 构成一个 通道。在高溶液电阻下或者激励源频率很高时，c r 容抗足够小，将其忽略，可视为 正弦信号通过电阻r v 和电容c ，。由于正弦信号通过电容会产生9 0 。的相移，根据这 一特点，用与输入激励源同相的开关信号控制相敏检波电路。则经过相敏检波后，通 过c ，的一路信号转化为纯交流信号，滤波后无直流分量；而通过火r 的一路信号由于 相对于激励源无相移，正常整流，再经过低通滤波，得到的直流分量只与尺，有关， 由该直流量可以求出电导率。 图2 - 1 相敏检波法原理框图 文献【l2 j 采用了相敏检波法测量溶液电导率，精度可控制在1 以内。但相敏检波 存在固有的缺点，即通过c ，的信号必须和开关信号绝对相差9 0 0 才能被完全滤除。同 时，在测量高电导率溶液时，由于双电层电容不可忽略，使得到的响应信号与激励源 信号存在固有的相位差，全波整流并滤波后直流分量减小，造成测量误差。 ( 2 ) 双脉冲法。1 9 7 0 年，j o h n s o nd e 等最早提出了双脉冲电导率测量方法，并 在配有相应接口电路的小型计算机上进行实验，获得了令人满意的效果。双脉冲法考 虑了双电层电容和电极引线分布电容的影响。测量法原理图如图2 2 所示。 9 基于双频测定法的水电导率仪研制第二章电导率交流测量原理 风 双极性一h _ 二 一 卜 脉冲发生器一 c ，杪 电导池 图2 2 双脉冲电导率测量法原理图 文献【1 4 】采用了双脉冲法，在实验噪声较大时误差为0 2 ，通过参数调节可以将 误差降低到0 1 。双脉冲电导率测量法的关键在于脉冲宽度的选择，实际测量时， 可根据不同的量程，由软件控制脉冲的持续时间。由于要保证严格的时间同步性，实 现起来对硬件要求高。用到的模拟开关要具有良好的开关特性和很高的切换速度。使 用的运放要求失调电压、失调电流、漂移和噪声尽可能小，尤其要求高速，能够瞬时 跟随电导池电流的变化，造价较高。 ( 3 ) 动态脉冲法。 虽然采用正弦交流信号作为激励源是消除极化效应的常用方法，但文献【1 5 】认为采 用正负等电量脉冲信号可以很好地消除极化效应和电容效应，并且直流脉冲电源在测 量上有着交流电源无法比拟的方便之处。动态脉冲法原理如图2 3 所示。尺。和c ，的 并联电路是电导池的简化等效模型。信号源为脉冲激励源，幅值为e ，足为取样电 阻。施加的脉冲宽度为丁，当丁足够长时，输出电压v 达到某一稳定值。此时，c ，相 当于开路，y 只与溶液电阻r r 有关，分布电容c ，的影响可消除。但由于极化作用的 存在，使得到的电阻r ，包含了极化阻抗，因此要设法消除极化效应。研究发现，对 于一定的溶液，当y 小于某一特定值时，溶液将不会发生极化现象f 2 3 1 。因此，当脉冲 电压幅度减小到一定值时，可认为消除了极化效应。 图2 3 动态脉冲法原理图 1 0 基于双频测定法的水电导率仪研制第二章电导率交流测量原理 文献【2 4 】中介绍的智能工业电导率测量方法是基于动态脉冲原理，最初为解决火电 厂高纯水电导率测量而提出的，已经成功的应用到实际当中。测量关键在于脉冲激励 的选择，要求脉冲激励持续时间在满足消除分布电容影响的前提下，要尽可能短，而 且幅度要尽可能小，以便消除极化效应。因此，动态脉冲法对激励源要求较高，同时 要求测量电路具有较高的速度和精度。测量过程实际上就是脉冲选择的过程，通常采 用软硬件相结合的方式进行。较常用的方法是以d a 转换器作为激励源的载体，采 用半搜索法或实验确定法选取脉冲特性1 1 5 】。因此，动态脉冲法不适用于实时性要求高 的场合。 ( 4 ) 频率法。频率法的基本原理是将溶液电导转化为频率信号，测量频率信号 求得电导。设计关键在于电导到频率的转化。文献【1 7 】采用方波发生器的原理进行电导 到频率的转化，转化后得到的方波频率与溶液的电导率成正比。文献【2 5 】采用振荡器原 理进行测量，原理图如2 4 所示。运用7 5 5 5 定时器、电导池c e 、定时电容c ，、开 关晶体管正构成多谐振荡电路。分析电路工作原理得到f = 0 7 2 2 r 工c r = k 。g ( t ) 。式 中g ( t ) = 1 r j 为电极实测的电导值，k 。= o 7 2 2 c r ，为电导一频率转换系数。输出 频率厂与电导g ( t ) 成正比，实现了电导率到频率的线性转换。 图2 4 频率法测量原理图 频率信号与电极电阻成反比，即高阻低频，低阻高频，因此频率法能够根据待测 电极电阻大小实现自动变频，在一定意义上抑制了“极化效应”和“电容效应”。由 于频率信号适合远距离传输，因此频率法同其它测量方法相比，提供了高精度、远距 基于双频测定法的水电导率仪研制第二章电导率交流测量原理 离的数据传输方式，可以简化测量仪表的结构，降低成本。但由于转换器的频率输出 范围为1 - 1 0 k h z 时，其输出频率的线性度最为理想，因此测量时有必要根据不同的 电导率测量范围，选择具有相应电极常数的电极，目的在于使实测值在1 k q - - 1m r 2 之 间，为测量造成不便。 2 3 本文电导率测量原理 课题在参考上述诸多测量方法的基础上，认真总结了各种测量方法的优缺点，决 定采用文献【2 6 1 中提出的双频正弦信号电导率测定法。该方法吸收了电导率交流测定法 的经验，从理论上解决了电极的电容效应对电导率测量的干扰，并且不存在极化效应 问题，能够得到精确的测量结果。 2 3 1 电导率交流测定法 传统的交流电导率测量原理如图2 - 5 所示，图中v ，为幅度稳定的正弦信号源，电 导池可视为一电阻r ，其倒数即为电导g ，r 为反馈电阻。 根据运算放大器的工作原理有 g ：一1 ：善 ( 2 5 ) r 杉r f 毋 图2 5 电导率测量原理图 式中k 和v o 分别是输入正弦电压和输出正弦电压的有效值，因电路中输入电压 k 和反馈电阻尺，是定值，所以只要测得输出电压v o 即可得到电导g ，且g 与v o 成线 性关系，给计算和刻度带来了方便。由电导g 可计算出电导率r 1 2 基于双频测定法的水电导率仪研制第二章电导率交流测量原理 k = k g 式中k 是电导池常数，又称电极常数。 2 3 2 电导池等效模型 ( 2 6 ) 当电导池两极间加上正弦电压后，在两极上将产生极化层，i 司时在两极化层及两 极间存在电容效应，这样电导池就不再是一个纯电阻，而是包含容抗在内的阻抗了。 其等效物理模型如图2 6 和图2 7 所示。图中心。、吼：是电导电极的引线电阻，c 脱，和 c 脱：是两个电极的片间电容，是由于两电极表面上形成双电层所引起的，c p 为电导池 的极间电容，r 。和尺：是两个电极的极间极化电阻。r 溉代表两极之间溶液的电阻。 r 1r ， c p 图2 6 电导池等效物理模型 图2 6 中心，、r ：引线电阻在通常情况下是忽略不计的。当电导池两端施加一个 交流信号源时，它将同时流过c d 工。和c 说2 ，足观和c 尸，由于c d l 。和c 脱：对于交流信 号而言提供了一个通路，蜀和r ：分别被c 脱。和c d 工2 短路，通常c d l 。和c 脱：很大，o 很小，电导池的阻抗就近似为r 蹴。但在测量高纯水等高电阻溶液( 即小电导) ，q 的影响就不可忽略了。其等效电路可简化为图2 7 所示，图中r 尺蹴，c q 。 r c 图2 7 电导池简化等效物理模型 基于双频测定法的水电导率仪研制 第二章电导率交流测量原理 为了消除电容c 尸给电导率测量精度带来的影响，本文采用双频电导率测定法。 2 3 3 双频正弦信号测定法 双频电导率测定法在理论上不存在测量误差，完全消除了电导交流测定法的电容 效应影响。实际应用也简单易行，实现过程如下：在电导池上分别施加频率为彳和厶 的正弦信号( = 2 f , ) ，测出两种频率下的阻抗的模，由处理单元解算出水的实际电 阻r ，再由公式( 2 6 ) 得到水的电导率。控制单元通过d a 产生双频正弦信号z 和 以，保证两个频率精确双倍关系。 理论证明如下： 在频率为c o ( o d = 2 矿) 的正弦信号作用下，图2 - 7 中r c 并联阻抗为 z ：墨q 二鲣g !( 2 7 ) + _ _ 2n 2 r , 2 l6 0rc 阻抗的模 i z l = 击 协8 ， 相角 妒= 一a r c t g ( c o e c ) ( 2 9 ) 从式( 2 8 ) 可以看出， r c 并联时，当c o r c 1 时，i z i 才近似等于r 。目前 大多电导率仪采用的电导交流测定法采用如图2 - 5 所示的方法，因为没有考虑电压与 电流之间相角的因素，所以测得的电阻就是用| z 来代替的。但国定，由于电容c 的 影响，r 很大时，显然将使测量带来较大的误差。 在正弦信号的作用下测得输入和输出正弦波的有效值或峰值，通过公式( 2 5 ) 计算得出的数值就是阻抗模的倒数1 l z l 。当正弦信号的频率为2 国时，r c 阻抗的模 为 1 4 基于双频测定法的水电导率仪研制第二章电导率交流测量原理 z 2 五蕊r 丽( 2 - 1 0 ) 由式( 2 8 ) 、式( 2 1 0 ) 联立方程可以解出r 。令t = c 0 2 r 2 c 2 ，= z i z ，有 1 + 4 f 肛、雨 可解得 r 2 1 扛石7 则由( 2 8 ) 式得 r = l z 鬲 ( 2 11 ) 由( 2 1 1 ) 式就解出了水的实际电阻r ，不存在理论误差，完全消除了电导交流 测定法的电容效应给测量精度带来的影响，最后再由公式( 2 6 ) 得到水的电导率， 实现了电导率的双频测定。 基于双频测定法的水电导率仪研制第三章电导率仪硬件设计方案 第三章电导率仪硬件设计方案 3 1 整体方案设计 为了实现电导的双频测量，解决交流电导率仪的各项弊端，仪表的设计目标是精 度高，价格低，易于联接计算机，减少干扰，操作方便。为此，仪表在a r m 嵌入式 最小系统的基础上架构通用的硬件平台，对测控平台的硬件结构进行设计，特别是对 于关键部分的电路进行了比较深入的研究，并针对不同应用的需要，集成了多种接口 电路。仪表的整体设计方案如图3 1 所示。 图3 - 1 基于双频测定法的水电导率仪设计方案 方案中共包括六个部分电路设计：主控制器电路设计、测量电路设计、通信接口 设计、人机界面设计、输出控制电路设计和电源电路设计。 ( 1 ) 主控制器电路。硬件电路以a r m 微控制器l m 3 s 8 9 6 2 为控制核心，主要 功能：控制前端模拟电路进行电导和温度的测量，包括信号通道选通、量程切换和各 1 6 基于双频测定法的水电导率仪研制第三章电导率仪硬件设计方案 种参数的选择；与计算机联接，实现仪表网络化；以及人机界面控制等。扩展功能： 恒流源输出和继电器控制。主控制器电路是仪表的核心部分。 ( 2 ) 测量电路。测量电路是仪表的重要部分，包括双频正弦信号产生电路、带 通滤波电路、可编程放大电路、电子开关电路、真有效值转换电路和a d 转