（微电子学与固体电子学专业论文）电磁式酸碱浓度传感器的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 在化工、制药、食品、环保等领域，广泛涉及对酸碱溶液浓度的测量，因为 电导率与溶液中的离子浓度成一定的比例关系，所以通过测量溶液的电导率可以 间接推测出溶液的浓度。本课题在总结国内外电磁式酸碱浓度传感器的研究成果 及发展现状的基础之上，对电磁式酸碱浓度传感器的测试原理及参数设计进行了 分析，基于电磁感应原理，提出了传感器的关键检测部分采用非接触式测量的技 术方案，励磁方式采用正弦交流信号，检测到的浓度信号经测量放大、峰值保持 电路后，再经a d 转换送入单片机进行数据处理，最终将测得的浓度结果显示在 液晶显示屏上。由于采用非接触式测量方法，彻底解决了传统接触式测量过程中 电极易腐蚀的问题，同时为了解决温度对浓度测量的影响，采用单片机进行软件 温度补偿。通过单片机程序内嵌的经m a t l a b 拟合好的公式实时地自动转化成浓度 值和温度补偿值，并经过运算处理得到最终的浓度值。在测量0 - - 1 4 和1 8 0 o - - 4 0 的n a o h 溶液和0 3 0 h 2 s 0 4 溶液时，传感器测量的相对误差分别为3 、2 、 4 ，同时对传感器的灵敏度随着被测溶液浓度变化的规律进行了探讨，并且通 过实验验证了传感器的稳定性能良好。实验结果表明，此系统运行可靠，测量相 对精度与稳定性均达到了设计要求，传感器设计达到了预期设计的指标。电磁式 酸碱浓度传感器可以用于一些腐蚀性较强的溶液浓度的测量，是一种比较理想的 物性分析仪器，具有精度高、操作简单、稳定性好、使用方便等优点。 关键词浓度传感器；酸碱浓度：电磁感应；温度补偿；单片机 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ec h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，f o o da n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i e l d s ，aw i d e r a n g ei n v o l v e sm e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fa c i d b a s es o l u t i o n s i n c ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yi si np r o p o t i o nt oi o nc o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o n , w ea r ea b l et oi n d u c et h e c o n c e n t r a t o no fs o l u t i o nf r o mt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fi t i n s u m m i n gu pt h i st o p i c a th o m ea n da b r o a da c i d b a s e c o n c e n t r a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cs e n s o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u oo n ，t h ep r o j e c ti st o a n a l y s et h e t e x t t h e o r y a n d p a r a m e t e r s o fa c i d - b a s ec o n c e n t r a t i o ns e n s o ro f e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，ip r o p o s et h a tw e s h o u l d a p p l y t h ec o n t a c f l e s s m e a s u r i n gs t r a g t e g yf o rt h ek e yt e x t e dp a r t so f s e n s o r s e x c i t a t i o nm e t h o du s e sas i n u s o i d a la cs i g n a la n dh a v eb e e ng o tm e a s u r i n g a m p l i f i e ra n dp e a kv a l u e ，t h ec o n c e n t r a t i o ns i g n a l sa r es e n tt om c u t od a t ap r o c e s s i n g a f t e rb e i n gt r a n s f o r m e db ya d e v e n t u a l l y , w ec a ns e et h er e s u l t so fc o n c e n t r a t i o no n t h el c d o w i n gt ot h ec o n t a c t l e s sm e a s u r i n gm e t h o d , w es o l v et h ee l e c t r o d ec o r r o s i v e b y t r a d i t i o n a le l e c t r o d ec o n t a c tm e a s u r e s m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o d a p p l i e s t h e t e m p e r a t u r ec o m p l i m e n to fs o f t w a r ef o rt h em c ut oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e w ec a nu s et h ee m b e d d e dp r o g r a mm a t l a bf o r m u l ai nt h em c dt or e a l i z e a u t o m a t i cc o n c e n t r a t i o na n dp e a kv a l u et r a n s f o r m a t i o n , a n dg e tt h ef i n a lc o n c e n t r a t i o n t h r o u g ho p e r a t i o np r o c e s s i n g i nt h em e a s u r e m e n to fo 1 4 a n d18 4 0 n a o hs o l u t i o na n d0 , - - 3 0 h 2 s 0 4 s o l u t i o n ，t h er e l a t i v ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts e n s o r sw e r e4 - 3 ，士2 ，4 - 4 e x p l o r e dt h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o r 谢t l lt h em e a s u r e dc o n c e n t r a t i o nc h a n g e si nt h e l a w e x p e r i m e n t ss h o w t h es t a b i l i t yo ft h es e n s o rh a sg o o d p e r f o r m a n c e t h et e x tp r o v e s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mr u n sr e l i a b l y ，a n dt h em e a s u r i n gr e l a t i v ea c c u r a c y a n ds t a b i l i t ya r e i nl i n e 、i t hd e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g no fs e n s o rg e t st h e e x p e c t e dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s a c i d b a s ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sc a l l b eu s e di nan u m b e ro fc o r r o s i v es t r o n gc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t s ，i sa l li d e a l p h y s i c a la n a l y s i si n s t r u m e n t s ，诚mk 曲p r e c i s i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，g o o ds t a b i l i t ya n d i i a b s t r a c t k e yw o r d s c o n c e n t r a t i o ns e n s o r ；a c i d - b a s ec o n c e n t r a t i o n ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ； t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；m c u i i i 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 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，也不包含为获得墨建堑盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 i i 学位论文作者签名：务牟扣学签字日期：函勿年，月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蕉江太堂有关保留、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。 本人授权墨蕉江太堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲杏错 签字日期勘尼年妨劾日 导师签名：卯 签字日期：幽桕年岁月砂日 学位论文作者毕业后去向l - - 。e 、 工作单位：熏粗7 = 穷璀刃翟矛拷琴挺衣嗲睦电话：侈j 膨l 莎钓乡 通讯地址：断常穆屡芗矽眵仟乡f 田铺邮编：7 如钿 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 浓度的测定是分析检测中的一项很重要的指标，也是表征介质溶液特性的主 要参量之一，在化工、制药、食品、环保等领域中有着广泛的应用，是许多质检 部门与相关基层单位对产品进行品质分级与质量把关必不可少的环节之一，更是 保证产品质量和提高产品产量的重要技术手段，对其进行深入研究与探讨具有很 强的实际意义。酸碱溶液的浓度与许多物理量都有关系，如密度、电导率、折射 率及声速等，因此，原则上可以用其中某一物理量的变化来表征浓度的变化。常 用的方法都是以检测溶液电导率的方式来进行酸碱浓度的测量，由于电导率与溶 液中的离子浓度成一定的比例关系，因此通过测量溶液的电导率可间接推测出溶 液的浓度。目前最主要的测量方法还是接触式测量，即以电极的形式和被测液体 接触以测其电导率，以此来确定液体的酸、碱浓度。但是这种测量方式通常采用 铂电极，生产成本高，而且最显著的缺点就是电极极易污染，严重影响测量的精 度和寿命，尤其在测量腐蚀性强和高电导率溶液时，此类分析仪器的弱点更为突 出【l 】o 本课题基于电磁感应原理设计了一种非接触式传感器一电磁式酸碱浓度传感 器，能够很好地解决以上问题。电磁式酸碱浓度传感器的突出优点是感应元件不 与待测溶液直接接触，故称为非接触式测量法，只要有合适的耐腐蚀材料将测量 部件密封，就可以实现对各种腐蚀性溶液浓度的测量；同时也免除了电极式测量 易污染和极化而造成精度降低和工作不稳定等一系列问题，因此它具有精度高、 稳定性好、经久耐用、使用方便等优点。在一些腐蚀性较强的溶液浓度的测量中， 是一种比较理想的测量方法，可以广泛地应用于各种工业领域的酸碱溶液浓度的 在线连续测控，测量灵敏度较高，温度补偿效果理想，抗干扰能力强，具有很广 阔的应用前景。 黑龙江大学硕士学位论文 _i i 1 2 浓度测量方式简介 下面简要介绍一下工业生产中常用的几种溶液浓度测量方式： 1 2 1 光学式浓度计 光学式浓度计主要有自动折光浓度计和自动旋光浓度计。图1 1 是一种差动式 自动折光浓度计。该仪器是利用灌注有标准液的空心三角棱镜与测量池内的被测 液界面的折射角变化而引起两个光电池接收能量变化，即光电差动信号来连续测 量液体浓度的。 溯罗弩液样 试样鼍鼽姚三角棱镜登鬻二， 反射镜l u 试样出f 巷一鼎 兰j 滑零偏转器 匕：二蛆丫1l 光电池 标准液 一j ll2 嚼! 陌磊1 捌：二：量三剖 - ： 图1 1 差动式自动折光浓度计 2 1 f i g 1 - 1a u t o m a t i cd i f f e r e n t i a lr e f r a c t i v ec o n c e n t r a t i o nm e t e r 图1 2 是一种全反射式自动折光浓度计。仪器有一个与被测液相接的棱镜，用 于产生光的全反射，q c 为临界角。当被测液浓度变化时，折射率和临界角也随之 变化，从而反射光也变化。该仪器就是利用光全反射信号变化而导致的电信号变 化来测量液体浓度的。这类浓度计，广泛用于石油、化工、食品、饮料、造纸、 制药、制糖和酿酒等工业的生产管线或罐中连续测量浓度，以调节和控制生产， 提高生产管理水平。 第1 章绪论 避蒙器放大器 图1 - 2 全反射式自动折光浓度计【2 】 f 塘1 - 2a t r a u t o m a t i cr e f r a c t i o nc o n c e n t r a t i o nm e t e r 图1 3 是一种光电式自动旋光浓度计。通过充满被测液体的旋光管的偏振光 经磁光调制器调制后射到光电管上，由于光电效应在光电管上产生电信号，该信 号经放大使可逆电机转动。石英补偿器由两块石英组成，一个可移动，一个固定 不动。石英片的移动是借助于减速器进行的，其移动量取决于被测溶液浓度变化 引起的旋光度变化量，同时，该变化信号使差动变压器的铁芯上下移动而产生的 电感信号自动连续地输给二次仪表即指示器。这类仪器专用于制糖工业，但也可 用于化学、石油、食品、香料及制药等工业领埘2 1 。 图1 3 光电式自动旋光浓度计1 2 1 f i g 1 - 3p h o t o e l e c t r i ca u t o m a t i co p t i c a lc o n c e n t r a t i o nm e t e r 1 光源；2 一聚光镜；3 起偏振器；4 一旋光管；5 一滤光片；6 物镜；7 一磁光调制器； 8 一石英补偿器；9 检偏振器；1 0 物镜：1 l 光电管；1 2 一减速器；1 3 可逆电机； 1 4 放大器；1 卜电源 黑龙江大学硕十学位论文 1 2 2 电导式浓度计 电导式浓度计是利用溶液电导率与其浓度关系测量液体浓度的一种仪器。电 导率单位为西门子每米( s m ) 。物质的电导率越大，它的导电本领越强。对于电 解液来说，它的导电性能不仅与电解液的性质、温度有关，而且与它的浓度有关， 即使是同一种溶液，浓度不同其导电性能也不同。 电导式浓度计主要由传感器电化池( 也称电导池) 和电测部分组成。电导池 的特征用电导池常数表示，单位为m - 1 。对于每台浓度计来说，电导池常数k 是一 定的。它是由电导池内电极间的距离三与极板面积彳决定的。计算电导池常数的公 式为： r k = 兰艘。 ( 1 1 ) 彳 。 式中r 厂_ 溶液电阻； 置溶液电导率。 为适应生产现场的不同使用条件，电导池主要有四种结构形式，分为浸入式、 旋入式、可卸式和直通式。电导池中的电极结构简单，常见的有平板电极、圆筒 形电极与环形电极。图1 4 是一种用于连续测量与控制硫酸生产的d d 5 型硫酸浓 度计测量系统。 可逆电机 图1 - 4d d 5 型硫酸浓度计测量系统【2 1 f i g 1 4d d - 5t y p es u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o nm e t e rm e a s u r i n gs y s t e m 第1 苹绪论 如图1 4 所示，温度补偿采用双电导池法，其中参比电池内装有浓度为9 8 的硫酸溶液( 电阻为母) 。显示部分采用自动交流平衡电桥，疋为工作电导池的电 阻【2 】。 1 2 3 电磁式浓度计 电磁式浓度计是利用电磁感应原理来测量液体电导率与其浓度关系的一种仪 器。但是电导池内没有与液体试样相接触的电极。该仪器主要由两个环形变压器 和电测系统构成。图1 5 所示的是常用的测量系统。被测溶液构成一短路线圈作 为励磁变压器的次级绕组，当一定频率交流电通过时，由于电磁感应原理，在这 个短路线圈中流过与被测溶液浓度成正比的电流f 1 ，与电流相应的感应电动势u 即检测变压器上的输出电压，常用平衡法加以检测。溶液电导率由滑动电阻昂上 滑动片移动的位置a 来确定： ：传冬 m 2 ) 式中心与励磁变压器正连接的线圈匝数； 惕与检测变压器正连接的线圈匝数； 墨补偿电阻( 埠j i c p ) ； 尼液体试样短路线圈中的电阻。 由励磁变压器互与检测变压器正组成的传感元件也称磁头，它是浓度计的重 要部分。磁头结构如图1 - 6 所示。图1 - 6 ( a ) 中两个变压器上下叠放，这种结构比较 紧凑，但中间通道长，图1 - 6 ( b ) 是把检测变压器瓦嵌在励磁变压器五之中，这种结 构中间通道短，但占空间大，即磁头尺寸大。目前常用的是前一种结构，即两个 变压器上下叠放。 黑龙江大学硕士学位论文 图1 5 平衡法电磁式浓度计测量系统 2 1 f i g 1 - 5b a l a n c 洽m e t _ h o de l e c t r o m a g n e t i cc o n c e n t r a t i o nm e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 回路 ( a )( b ) 图1 _ 6 两种变压器结构示意图【2 】 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et w ol x a n s f o r m e r s 电磁式浓度计主要用于连续测量工业生产过程中各种酸、碱、盐的浓度。浓 度计按传感器安装的形式有浸入式和流通式两种结构。浸入式是将传感器直接浸 入或沉浸在开口容器或罐中，浸入深度视现场的需要而定；流通式是将传感器通 过不锈钢标准法兰直接与主管道连接1 2 j 。 以上简要介绍了工业生产中常用的三种浓度计，对于酸碱溶液浓度的测量， 归纳起来说，通常可采用的方法有：电磁感应法、电极法、压力差法、密度测量 法及折射法等等。压力差法( 3 】与密度测量法【4 j 都是通过测量液体的密度来得到溶液 浓度的。但是由于影响因素多，会使密度与浓度的换算不太精确，其检测溶液的 灵敏度不高，所以一般只能用于较大浓度溶液的检测；折射法【5 】是通过连续测量溶 液的折光率，从而换算成溶液浓度，该方法要求接收光的强度能够随溶液浓度的 第1 章绪论 变化而变化，适用范围小；电磁感应法和电极法都是通过测量溶液的电导率来检 测溶液的浓度，因为对于酸碱溶液来说，其浓度和电导率成一定比例关系 6 1 ，所以 通过测量电导率，可以得到溶液的浓度。电极法以电极的形式和被测液体直接接 触进行测量，这个过程中一个最致命的缺点就是电极容易被污染，尤其在测量腐 蚀性强的溶液浓度时尤为突出，严重影响了测量的准确性及使用寿命【7 1 。本课题采 用电磁感应法来检测液体的酸碱浓度，可以很好地解决以上问题，电磁式浓度传 感器目前在浓度检测领域发挥着越来越重要的作用。 1 3 电磁式浓度传感器的特点 本论文采用电磁式酸碱浓度传感器来进行酸碱溶液浓度的测量，这是由于电 磁式浓度传感器的特点及优越之处有： ( 1 ) 它具有测量数据的连续性。使用电磁浓度传感器可以实现在线测量，从而 可以持续地观测到溶液浓度，给操作人员提供了连续稳定操作的数据保证。 ( 2 ) 电磁式浓度传感器的测量方式决定了它的稳定性和可靠性。由于是非接触 式测量，避免了接触式测量中电极发生极化，在电极表面形成双电层或在电极附 近溶液的浓度发生变化而产生误差的情况，也可以避免由于电极被污染而出现电 极信号误差导致的测量准确性降低的情况，尤其在强腐蚀性和高浓度溶液中其优 越性更加突出，为测量数据的真实性提供了保证。 ( 3 ) 电磁浓度传感器还有较好的抗干扰能力。传感器磁头部分采用耐腐蚀的封 装材料进行封装，可以避免酸碱溶液腐蚀性的影响，电磁式的测量方法对外界工 作环境的变化带来的电干扰、噪声干扰等也具有很高的抑制作用。 当然，电磁浓度传感器在测量过程中也存在不足之处，尤其是被测溶液的温 度变化对测量的精度影响较大，可以采用温度补偿的方式来提高测量数据的准确 性【踟。 黑龙江大学硕士学位论文 1 4 国内外研究现状及发展趋势 1 4 1 国外研究现状及发展趋势 19 2 0 年，p i c c a d 和f r i v o l d 在瑞士物理协会的“a r c h i v e sd e ss e i e n c e sp h y s i q u e s e tn a t u r e u e 刊物上，描述了通过无电极电导来测量电解质溶液电导的模型，首次 提出了采用电磁法进行浓度测量的方法；之后，g r o s s 等人深入研究了使用绕线方 式与屏蔽层、相位识别技术相结合的方法来消除两个线圈之间的耦合对测量的影 响【9 】【1 0 1 。k l a u ss t r i g g o w 和r e i n h a r dd a n k e r t 在发表的论文中指出了温度和压力对 铁芯磁导率存在非线性的影响，同时还有磁滞效应的影响【l 。r o s e r n o u n t 公司介 绍了一种利用弹性隔膜来防止沉积物附着在浓度传感器上，从而提高感应式测量 精度的方法【翻。德国b h 公司为避免气泡对浓度测量的影响，改进了感应式电 导浓度传感器的外形结构，同时还进行了温度的快速响应设计及自动检测设计， 进一步拓宽了其在工业领域的应用范围1 3 1 - 4 1 5 1 。日本生产的双线式电导率传感器系 统内部存储器，用三维函数关系式( 浓度、电导率、温度) 代替通常使用的二维关 系式，使仪表内部存储器比通常方式存储更多的数据，从而在相同存储容量下大 大扩展了浓度测量范围。 国外的电磁浓度计研究发展十分迅速，美国、德国、日本、瑞士等国家生产 的电磁浓度计覆盖了国际市场，主要产品有：美国哈希( h a c h ) 公司的3 7 0 0 系列 感应式电导浓度计、德国e + h 公司的c l s 5 0 系列感应式电导浓度计、日本d k k 公司的m b 3 2 及m d m 3 0 0 电磁浓度计以及瑞士梅特勒一托利多( m e t t l e rt o l e d o ) 公司的i n p r 0 7 2 0 0 、7 2 5 0 系列感应式电导浓度计，这些产品不仅在测量精度高， 而且注重使用的温度、压力、测量范围、测量响应时间等方面的研究，全面提高 了传感器的各项性能【1 6 - 1 。 国外电磁式浓度传感器研究发展迅速，重视分析外界环境因素对测量的影响， 提出了多种改进传感器的方案，传感器的种类很多，性能也很优良。 第1 章绪论 1 4 2 国内研究现状及发展趋势 我国对电磁式酸碱浓度传感器的研究起步较晚，相比于电极式传感器，目前 使用的也不多，随着电磁式传感器的优势逐步显现，急需丰富产品类型，提高产 品性能，所以迫切要求我国进一步提高对电磁式传感器的研究能力与技术水平。 下面介绍一下国内的研究现状。 吉林热电厂热工分场于1 9 7 0 试制成功了电磁式酸碱浓度计，在国内首次实现 了无电极测量酸碱溶液的浓度。传感器采用流通式结构，适用于常压情况下，连 续测量和自动记录工业生产过程中各种酸碱盐溶液的浓度。 二十世纪八十年代末，天津大学的李永和著作的电磁浓度计检测器结构参 数的选择，讨论了检测器的结构参数对仪器线性度和灵敏度的影响，并提出了检 测器结构参数的设计原则1 7 1 。之后李永和在频率对电磁浓度计性能的影响一 文中进一步讨论了激磁电压频率对仪器线性度和灵敏度的影响【1 8 1 。北京理工大学 的蒋健和黄有之对电磁浓度传感计的发送器作出两项改进：传感器采用液体耦合 的初级和次级变压器线圈，初级变压器由方波振荡器激励，以增加稳定性；次级 变压器采用零输入阻抗放大器，以消除磁力线引起的铁芯中磁导率的变化【1 9 】。 二十世纪九十年代，随着科学技术的发展，单片机以其价格低廉，适应性强， 使用灵活等优点被广泛地应用于各个行业，尤其是测量领域，以单片机为核心的 智能测量仪以其精度高、运算速度快等特点替代了由手工操作的测量。沈阳工业 学院李福刚等人利用单片机为核心器件实现了碱溶液的自动检测，同时进行了非 线性补偿和温度补偿【2 0 1 。这个时期最有代表性的是陈义新于1 9 9 7 年发表的一种 电磁式酸碱浓度监测装置获得了专利【2 1 1 。该专利提出了一种新的激励与检测方 法，采用可变谐振式励磁方式和峰值检波技术制成的电磁式酸碱浓度监测装置， 充分利用了检测变压器在l c 并联谐振状态时输出电压最大的特性，在单片机的控 制下，自动跟踪检测变压器的谐振频率变化趋势并及时调节励磁频率，同时考虑 了实际环境的影响，运用单片机进行一些复杂的补偿运算，使检测灵敏度大为提 高，零点十分稳定，实用性更强，适合连续检测各种强电解质溶液浓度。 黑龙江大学硕士学位论文 1 r_ a i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 二十一世纪以来，东北电力学院应用化学系万瑞军等人设计了扫频谐振式电 磁浓度计，通过对实验机理的分析，选择出了初次级线圈的匝数并消除了部分空 气耦合磁场的干扰；设计的自动扫频电路、峰值检波电路，可以有效减小环境条 件改变时频率对测量产生的影响，提高了仪器的抗干扰能力；另外还分析了温度 对测量结果产生的影响，整机电路经调试后，能够长时间稳定运行，而且噪声度 较小【2 2 l 。宁夏大学韩玉兰等人设计了一种新型电磁式浓度计，采用硬件和软件同 时进行温度补偿，以单片机作为系统控制器，对放大调理后的信号进行a d 转换、 计算浓度、显示等，对传感器的硬件和软件结构进行了进一步优化，提高了传感 器的性能和灵敏度瞄】。 国内对于电磁式酸碱浓度传感器的研究相比于国外起步较晚，种类较少，应 用范围窄，性能不够稳定。对电磁式酸碱浓度传感器的研究需要采用新技术和新 材料，提高测量的精度和灵敏度，进一步朝着集成化、智能化、多功能化方向发 展。 1 5 本课题主要完成工作 课题在比较几种常用的浓度测量方法的基础之上，提出了基于电磁感应原理 进行浓度测量的方法，结合现有的实验条件，设计了一种电磁式酸碱浓度传感器， 主要完成的工作有： l 、详细介绍了国内外电磁式酸碱浓度传感器的研究成果，在对电磁式酸碱浓 度传感器的基本原理及特点进行研究的基础之上，对影响浓度测量的因素进行了 深入分析，在此基础之上对传感器的铁芯、激励源参数进行了设计，提出了采用 单片机进行温度补偿的方法，设计了传感器系统的总体结构方案。 2 、在硬件设计中充分考虑了传感器的测量范围和精度要求来选择芯片，详细 介绍了励磁信号产生电路、检测信号电路、模数转换电路、控制及显示电路、温 度补偿电路及电源电路的设计与实现。 3 、软件设计采用c 5 ) 语言模块化编写主程序、模数转换程序、数据处理程序 第1 章绪论 及温度补偿程序，运用软件方式进行滤波和温度补偿，提高了测量的精度。 4 、课题创新性地引入了m a t l a b 数据拟合功能，从浓度传感器和温度传感器检 测到的数据能够分别通过单片机程序内嵌的经m a t l a b 拟合好的公式自动转化成 浓度值和温度补偿值，并经过运算处理得到最后的浓度值。 5 、对传感器系统进行实验验证，通过大量实验测试传感器性能，从而验证了 传感器方案设计的合理性与可行性。 完成这些工作后，要达到的系统总体性能指标为： 1 、传感器浓度测量范围：实验中选取酸碱溶液中具有代表性的n a o h 溶液和 h 2 s 0 4 溶液为溶液样本，通过理论与实验研究确定所设计的传感器对于这两种酸碱 溶液的测量范围，同时对传感器的灵敏度进行研究探讨。 2 、传感器温度测量范围为1 0 4 0 。 3 、传感器的相对误差要求控制在5 之内，稳定性能良好。 4 、可以实现对溶液浓度和温度的实时检测。 1 6 本章小结 本章主要阐述了论文的选题背景、研究意义以及国内外电磁式浓度传感器的 研究进展情况，并对国内外学者的研究概况和浓度测量方法进行了综述，最后对 论文所完成的具体工作了一个简要的介绍。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章电磁式酸碱浓度传感器测试原理及参数设计 2 1 酸碱浓度与电导率 2 1 1 酸碱浓度与电导率关系的理论依据 电解质溶液之所以能导电，是由于溶液中有离子存在。不同的电解质溶液有 不同的导电能力，当电流通过电解质溶液时呈现出与金属一样的电阻尺。，溶液的 电导g 用其电阻尺。的倒数表示： g ：一1 ：一a 圪 ( 2 1 ) r 。 三 式中三电解质溶液的导电长度； 么电解质溶液的导电截面积； k 电解质溶液的电导率。 岸与溶液的浓度有关， 咒：丝l( 2 2 ) 咒= 一 l z z ， 1 0 0 0 6 式中入当量电导率； c 溶液浓度； 6 溶质的克当量。 从式( 2 2 ) 可以看出，当入、6 为常数时，电导率k 就仅是浓度c 的函数，而6 仅决定于溶质的分子量。当溶液浓度较低时，当量电导率入近似为常数，故电导率 k 与浓度c 接近线性关系。 但在浓度较高时，电导率与浓度之间会出现非线性关系。这是因为，电解质 溶液的离子数不仅与溶液的浓度有关，还与在该浓度下的电离度有关，当浓度增 加到一定数值时，溶液的电离度减小，使离子总数下降，导致电导率下降2 4 1 。 第2 章电磁式酸碱浓度传感器测试原理及参数设计 2 1 2 酸碱浓度对电导率的关系曲线 图2 1 给出了不同电解质溶液电导率与浓度的关系曲线。从图2 1 中可以看出， 随着浓度的增大，曲线会出现拐点，即会有同一个电导率值对应着两个浓度值的 情况。所以当杂质和溶剂的变化引起的电导率改变较小，符合仪表内设浓度特性 曲线的变化时，测量是合理的。如果溶剂的变化太大而超越仪表内设浓度特性曲 线时，这种电导率改变的测量值是不合理的。由于曲线在拐点处往往较平缓，因 此在拐点处的分辨率最差，故在实际测量中，测量范围要避开拐点及其附近的浓 度值。制造一种测量范围包括所有这些点的仪表是很难的，因此仪表的测量范围 必须分段设置以避开拐剧2 4 1 。例如n a o h 溶液大约在浓度为1 6 时对应最大的电 导率值( 拐点) ，因此可能的浓度测量范围应当是0 - - - 1 4 或1 8 0 0 - 4 0 ，从拐点处分 段测量。h 2 s 0 4 溶液的浓度特性曲线有三个拐点，其浓度测量范围分别为0 3 0 、 4 0 8 0 、9 3 9 9 5 。 电导率( s i r r a ) 、 i、 l i，l 、 一， 1 l l i r i 1 i l 。、i jll、l ：蟛 ，j r l ， 1 l ， 、 一 r 囊什锛q 1 l ll， 、 f i i盼 i r ，i 啦，眨tq、 l一 、 ，一l，l 一一 l簪l、1 托硝t ，r ， 1 刊 01 02 03 0 4 05 06 07 0 8 09 01 0 0 图2 1 在2 0 c t 椭解质溶液电导率与浓度的关系 2 4 1 f i g 2 - 12 0 。c i nd i f f e r e n te l e c t r o l y t es o l u t i o n s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n d u c t i v i t ya n dc o n c e n t r a t i o n 黑龙江大学硕士学位论文 2 1 3 影响溶液电导率大小的因素 在外加电场的作用下，电解质溶液中电流的大小是由外加电压的溶液导电 能力决定的。影响溶液的电导率大小的因素主要有： ( 1 ) 电解质的种类 由于电解质溶液中各种离子在电场作用下移动的速度不同，造成了溶液电导 率的不同。离子所带电荷越多，受到的外加电场作用就越大，其运动速度就越快， 导电能力就越强。 强电解质的电导率往往大于弱电解质的电导率。因为强电解质在较稀的浓度 范围内1 0 0 电离，而弱电解质却只有很少一部分电离，所以两种电解质溶液，尽 管浓度相同，但由于有效离子浓度不同，导电能力完全不同1 2 5 1 。 ( 2 ) 溶液浓度 在低浓度范围内，电解质溶液的电导率与浓度之间具有线性关系。当溶液浓 度增加时，有效离子浓度也增加，离子迁移速度就越大，电导率也就越高，当浓 度大到一定程度后，由于离子间相互碰撞、吸引机会的机率增加，离子有效浓度 就会下降，溶液的导电能力反而降低1 2 6 。对于弱电解质来说，由于受平衡条件的 约束，单位体积内能导电的离子数目并不明显随浓度的增加而增加，其电导率也 就几乎不随浓度的变化而变化。 ( 3 ) 溶液的温度 温度直接影响溶液中电解质的电离度、溶解度、离子迁移速度、溶液的粘度、 溶液的膨胀度等，从而影响溶液的电导率 2 7 1 。简单的说，当温度升高时，溶液粘 度降低，离子运动速度加快，在电磁场作用下，离子的定向运动也加快，溶液电 导率增加。反之，温度下降时，溶液电导率减d x t 2 s 。因此对电解质溶液，其电导 率的温度系数是i e 的t 2 9 1 。溶液温度升高时，溶液的导电能力增大。电导率与温度 之间的关系表示如式( 2 3 ) 所示： = i c , o 牡+ f l l ( t - t o ) + p 2 ( t - t o ) 2j ( 2 3 ) 第2 章电磁式酸碱浓度传感器测试原理及参数设计 i il ii ii i 式中e f 温度下溶液的电导率； 一。o 温度下溶液的电导率； 届、尾溶液电导的温度系数。 要求不高时，可舍去高次项得： 墨= _ o 【1 + 口o r o ) 】( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中口与式( 2 - 3 ) 中屈相同。 从上述情况可以了解到，溶液的电导率随着电解质的种类、离子的浓度、以 及温度的不同而不同。由此，我们可以通过测量溶液的电导率以表征该溶液的物 理、化学性质，借以判断系统所处的状态。前两种因素是电导率测量方法的检测 机理，后者则是设计制造仪器时，人为考虑加以消除的因素 3 0 l 。一般溶液的电导 率会随着温度的升高而增大，而不同溶液，不同浓度下，其增大的斜率一般是不 同的。在确定浓度时，为了便于统一比较，也是要求得到参考温度下的浓度值， 传统使用2 5 c 为测量的参考温度【2 1 1 。当水温不为2 5 c 时，就要进行温度补偿，折 换成2 5 时的浓度值。在本课题中结合实验室环境条件，采用2 0 为测量的参考 温度来进行温度补偿。 2 2 电磁浓度传感器工作原理分析 2 2 1 法拉第电磁感应定律 为了寻求“磁生电 方法，法拉第经过十多年努力，终于在1 8 3 1 年8 月2 9 曰使用人类第一个变压器一软铁环上的初、次级线圈，成功地完成了电磁感应实 验，其后由法拉第和楞次等人归纳成为电磁感应定律。 法拉第根据大量实验事实总结出了如下定律：只要穿过闭合电路的磁通量发 生变化，闭合电路中就有电流产生，这种现象称为电磁感应现象，所产生的电流 称为感应电流。 当导体在磁场中作切割磁力线运动时，导体两端就会产生感应电动势。此感 黑龙江大学硕士学位论文 应电动势u 与通过闭合回路面积的磁感应通量九的变化率成i e l l u ：k 堕 ( 2 5 ) 讲 这就是法拉第电磁感应定律。 式中，比例系数k 由实验确定。在国际单位制中，【，的单位为v ，九的单位 为w b ，r 的单位为s 。如果k = 1 ，并考虑u 的方向，则上式可表示为 u ：一盟 ( 2 6 ) 绪 如果只考虑u 的大小，就可以略去上式中单的负号，即： 讲 u ：盟毗y( 2 7 ) 讲 式中召- 磁感应强度5 三磁场中作切割磁力线运动的导体在垂直磁场方向的长度； y 导体在磁场中作垂直于磁场方向运动的速度。 由( 2 7 ) 式可知，当磁感应强度b 恒定不变以及导体长度上为定长时，感应 电动势的大小仅与导体运动速度成正比1 3 l 】。 下面进一步探讨感应电流产生的条件及感应电动势的种类： ( 1 ) 感应电流产生的条件 l 、电路是闭合且通的； 2 、穿过闭合电路的磁通量发生变化。 以上两个条件须同时具备，如果缺少一个条件，就不会有感应电流产生。 ( 2 ) 感应电动势的种类： l 、动生电动势 动生电动势是因为导体自身在磁场中做切割磁感线运动而产生的感应电动 势，其方向用右手定则判断，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个 平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向， 第2 章电磁式酸碱浓度传感器测试原理及参数设计 则其余四指指向动生电动势的方向。动生电动势的方向与产生的感应电流的方向 相同。右手定则确定的动生电动势的方向符合能量转化与守恒定律。 2 、感生电动势 感生电动势是因为穿过闭合线圈的磁场强度发生变化产生涡旋电场导致电流 定向运动，其方向符合楞次定律。右手拇指指向磁场变化的反方向，四指握拳， 四指方向即为感应电动势方向。 电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相 互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦 电磁场理论的建立具有重大意义。法拉第电磁感应定律的重要意义在于，一方面， 依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成 为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都 有广泛的应用【3 2 】。 2 2 2 传感器工作原理与理论方程式 电磁浓度传感器是利用电磁感应原理来反映电解质溶液的电导率变化，实现 对溶液浓度的测量。电磁浓度传感器是由两个变压器( 也称磁头) ，励磁变压器z 和检测变压器正组成。传感器测量原理如图2 2 所示： 图2 - 2 电磁式浓度传感器测量原理示意图 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o n c e n t r a t i o n $ e r l s o r 图2 3 是图2 - 2 的等效电路，u 为激励电压；“、厶分别为互的原边电 黑龙江大学硕士学位论文 流、绕组匝数和电感系数；、厶为正副边绕组匝数和电感系数；呢、厶为疋的 原边绕组匝数和电感系数；配、厶、之为正副边的绕组匝数、电感系数和电流；u 2 为输出电压；z 为互的负载阻抗；m l 、鸠分别为五、五的互感系数；为流过 溶液电阻r ，的电流。显然，r ，、厶、厶、呢构成的回路就是环形流通管中 溶液所构成的回路的等效电路，故畈= 职= 1 匝。 程： t l 固 一 一i a m l m 2 图2 - 3 传感器检测装置等效电路 f i g 2 - 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs e n s o r sd e t e c t i n gd e v i c e 设u 为正弦波电压，根据理想变压器原理，由图2 - 3 可列出如下三个回路方 u 1 = j r o l l i i + j r o m l j r j 月，丘+ j c o ( l 2 + 三3 也+ j o ) m l l l + j c o m 2 之= 0 u 2 + j r a l 4 1 2 + j o j m 2 l = 0 解方程( 2 8 ) ( 2 1 0 ) 可求得： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 蜘蒜两m , 0 一可r 0 2 m 习2 2 1 2 喇2 - 1 1 ) 吼5 一一一叱一2 。1 。 根据电感和互感系数的定义可知( 考虑到= = 1 匝) ： 第2 章电磁式酸碱浓度传感器测试原理及参数设计 ，厶 厶= 壬 2 r厶 铲孝 将这些参数带入式( 2 一i i ) 可得： 吣j c ol4雩rs+c02i 4 2 卧 砰弋引l 4 。j 若负载z 一，则厶o ，故 u 2 地砰一等( 1 ) 2 2 + f ，堕、1 2 。l 2