CN100485375C

CN100485375C - 一种便携式智能水质电导检测装置

Info

Publication number: CN100485375C
Application number: CNB2006100536334A
Authority: CN
Inventors: 安庆敏; 吴明光; 吴巍
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: CN1928540A

Abstract

本发明公开了一种便携式智能水质电导检测装置。它具有单片机，单片机分别与方波产生器、温度传感器、键盘、显示器、多路选择开关、A/D转换器相连，方波产生器依次与电压跟随器、电导池、运放电桥、多路选择开关、A/D转换器相连，温度传感器依次与电导池、信号放大器、电容滤波器、多路选择开关、A/D转换器相连。本发明综合应用了基于电磁感应原理的电导率传感器技术，消除电解反应极化现象的交流电技术，仪表自动校零技术，温度补偿技术，以及微处理器和数码显示等技术。该装置结构紧凑便于携带，操作方便，测量精度高，可广泛用于化工、医药、冶金、环保等领域，对于腐蚀性强、高污染水质测试，其优势尤为明显。

Description

一种便携式智能水质电导检测装置

技术领域

本发明涉及一种便携式智能水质电导装置，属于水质测量仪器仪表技术领域。

背景技术

随着环境污染的加剧和污水处理技术的发展，水质检测在现代工农业生产的地位日趋重要。目前生产的水质电导仪通常采用交流电源供电，体积重量偏大，不便携带。常规电极类电导仪的电导率传感器，其电导电极通常将两片平行铂片嵌在玻璃上，从铂片引出两根导线与仪表的数据处理单元相连。此类电导电极一旦被污染、腐蚀、或结垢，其测量精度将大大降低。基于电磁感应原理的电导率传感器，其外部喷涂20微米特氟龙(聚四氟乙烯)分散体涂层封装，不仅能用于通常水质的电导率测量，而且对于腐蚀性强、高污染水质尤为有效。仪表采用自动校零技术、温度补偿等技术，提高了仪表的精度，使操作更为简单，仪表采用直流逆变交流技术，克服了直流电测定溶液电导率时产生的极化现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式智能水质电导检测装置。

它具有单片机，单片机分别与方波产生器、温度传感器、键盘、显示器、多路选择开关、A/D转换器相连，方波产生器依次与电压跟随器、电导池、运放电桥、多路选择开关、A/D转换器相连，温度传感器依次与电导池、信号放大器、电容滤波器、多路选择开关、A/D转换器相连。

所述的交流发生装置由电池供电，通过LM555芯片构成的多谐振荡器产生频率f＝250HZ的交流方波，经高通滤波器生成250HZ交流电。

电导池采用基于电磁感应的电导率传感器，电磁感应电导率传感器由两个变压器模块组成，变压器磁芯采用软磁铁氧体高导磁材料，其外部喷涂20微米聚四氟乙烯分散体涂层封装。温度补偿单元的温度传感器为热敏电阻NTC，热敏电阻NTC与电磁感应电导率传感器集成在一起。

A/D转换数据处理单元的电路为A/D转换器ICL7135的22引脚与脉冲产生器54AC163D的15引脚相连，脉冲产生器54AC163D的3、4、6、8引脚与地相连，脉冲产生器54AC163D的1、5、7、10引脚与电源VCC相连，A/D转换器ICL7135的3、24引脚接地，7引脚经电容与8引脚相连，9引脚经地线、电容与10引脚相汇经由电阻输出，6引脚经由两个电阻与5引脚相连，6引脚经电阻、电容、电阻与5引脚相连，4引脚反向接二极管经由电阻接地，数字多路开关74LS157的8、15引脚接地，数字多路开关1、2、3、5、11、14引脚分别与A/D转换器ICL7135的12、13、14、15、16引脚相连。

LED显示单元的电路为：单片机的接口P3.0和单片机的接口P3.1与LED显示单元的接口相连，单片机的P3接口剩余的五根I/O线与A/D转换器ICL7135的五根位选线D1—D5相连，A/D转换器ICL7135的B1、B2、B4、B8、R/H和BUSY引脚与单片机的P1接口相连。

本发明综合应用了基于电磁感应原理的电导率传感器技术，消除电解反应极化现象的交流电技术，仪表自动校零技术，温度补偿技术，以及微处理器和数码显示等技术。该装置结构紧凑便于携带，操作方便，测量精度高，可广泛用于化工、医药、冶金、环保等领域，对于腐蚀性强、高污染水质测试，其优势尤为明显。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明

图1是便携式智能水质电导检测装置结构示意图；

图2是基于电磁感应的电导率传感器原理图；

图3是交流电发生装置电路原理图；

图4是电导率测量部分电路原理图；

图5是ICL7135实现A/D转换电路原理图；

图6是AT89C2051单片机与ICL7135和LED接口电路原理图；

图7是电导率检测仪的软件流程图。

具体实施方式

如图1所示，便携式智能水质电导检测装置具有单片机，单片机分别与方波产生器、温度传感器、键盘、显示器、多路选择开关、A/D转换器相连，方波产生器依次与电压跟随器、电导池、运放电桥、多路选择开关、A/D转换器相连，温度传感器依次与电导池、信号放大器、电容滤波器、多路选择开关、A/D转换器相连。其各部分电路详述如下：

LM555芯片连接成多谐振荡器，产生频率f＝250Hz的交流方波。电压跟随器(LM258)降低电导池的输入阻抗、提高信号稳定性。电容滤波消除多次谐波的影响。温度补偿环节使用热敏电阻NTC和运放电桥，NTC与电磁感应电导率传感器集成在一起。A/D转换采用ICL7135芯片，它是一种4位半双积分A/D转换器，输入为差分信号，输出为BCD码，每次转换完毕后输出五个(只一次)ST负脉冲。因为ICL7135芯片和AT89C2051单片机都是分时操作，设置了多路选择开关CD4051，以实现同一时间电导率检测通道和温度测量通道二者只能一个数据被选中送入单片机中。

如图2所示，电磁感应电导率传感器由平行叠放的T1，T2变压器构成，变压器磁芯采用软磁铁氧高导磁材料，其外部喷涂20微米特氟龙(聚四氟乙烯)分散体涂层封装。传感器浸入电导池采样液体，主线圈L1通入250HZ交流电，则在T1中产生相应的交变磁通，电导池采样液体在交变磁通作用下产生感应电流i，形成一个交叉于T1、T2的电流环；此电流环在T2中生成交变磁通，并在副线圈L2两端生成感应电势e。由于感应电流值与电导池采样液的电导率成比例，所以电导池采样液的电导率可通过测量副线圈L2两端的感应电势e获取。

如图3所示，LM555芯片连接成多谐振荡器，产生频率f＝250Hz的交流方波。电压跟随器(LM258)降低电导池的输入阻抗，提高信号稳定性。

如图4所示，D1、D2是两个反向并联的二极管，其作用是将电压信号值限定在+0.7V～—0.7V之间。A1为电压跟随器。Ga为电导池，采用电磁感应的电导率传感器，主线圈通入交变电流，根据电磁感应原理，在副线圈中得到与溶液电导率成正比的感应电动势。随电导率变化的电压信号进入集成运算放大器A2中，放大倍数由反馈电阻Rf决定，满足算式：

K = \frac{1}{Ra} = \frac{V 0}{RfVi}

式中：Ra为Ga的等效电阻值；Vo为输出电压，Vi为输入电压(给定值50mV)。

如图5所示，A/D转换数据处理单元的电路为：A/D转换器ICL7135的22引脚与脉冲产生器54AC163D的15引脚相连，脉冲产生器54AC163D的3、4、6、8引脚与地相连，脉冲产生器54AC163D的1、5、7、10引脚与电源VCC相连，A/D转换器ICL7135的3、24引脚接地，7引脚经电容与8引脚相连，9引脚经地线、电容与10引脚相汇经由电阻输出，6引脚经由两个电阻与5引脚相连，6引脚经电阻、电容、电阻与5引脚相连，4引脚反向接二极管经由电阻接地，数字多路开关74LS157的8、15引脚接地，数字多路开关1、2、3、5、11、14引脚分别与A/D转换器ICL7135的12、13、14、15、16引脚相连。

ICL7135的输出不是三状态的，不可直接与总线相连。因其内部无时钟电路，必须外接时钟发生电路和基准电压。使用54AC163D产生时钟脉冲，得到12分频的电路。转换结果通过四2选1数字多路开关74LS157读入单片机。单片机通过对ICL7135的R/H信号和BUSY信号进行控制和检测，控制ICL7135完成A/D转换任务。

如图6所示，LED显示单元的电路为：单片机的接口P3.0和单片机的接口P3.1与LED显示单元的接口相连，单片机的P3接口剩余的五根I/O线与A/D转换器ICL7135的五根位选线D1—D5相连，A/D转换器ICL7135的B1、B2、B4、B8、R/H和BUSY引脚与单片机的P1接口相连。

AT89C2051的P1口用作BCD码及控制信号的输入。P3.0和P3.1作为单片机与LED的接口，工作于串行口状态。P3口剩余的I/O线作为读取A/D转换数据的位选线。图中用P3.2和P3.4控制A/D转换的启动和读数。LED接口电路采用串行口静态显示方式。串行数据从P3.0(RXD)输出，P3.1(TXD)输出同步脉冲驱动LED。温度测量通道使用热敏电阻NTC、差动运放电桥和软件补偿算法。

如图7所示，系统的软件平台基于C51系列单片机和ICES系列单片机仿真调试软件系统，主要功能是使用中断控制多路选择开关、A/D转换和驱动LED显示，并且计算温度补偿和电导率值，以及仪表自动校零。

电导检测装置在零输入时应该是零显示，但实际使用中仪表显示不为零，究其原因主要源由运放的零漂和电导池电缆的分布电容。现有电导装置采用电容补偿电路和低零漂电路技术，但实际效果并不理想。本发明充分利用微处理器数字化技术的特点，采用仪表上电充分预热后，读入仪表的零误差(零输入时的非零输出误差)，存入EEPROM中。电导检测装置实时运行时，单片机将实时测量值减去EEPROM中的零误差后作为真正的测量值，完成零误差的软件补偿。

Claims

1.一种便携式智能水质电导检测装置，其特征在于单片机分别与方波产生器、温度传感器、键盘、显示器、多路选择开关、A/D转换器相连，方波产生器依次与电压跟随器、电导池、运放电桥、多路选择开关、A/D转换器相连，温度传感器依次与电导池、信号放大器、电容滤波器、多路选择开关、A/D转换器相连，方波产生器由电池供电，通过LM555芯片构成的多谐振荡器产生频率f＝250HZ的交流方波，经高通滤波器生成250HZ交流电，温度传感器为热敏电阻NTC，热敏电阻NTC与电磁感应电导率传感器集成在一起，所述的电导池采用基于电磁感应的电导率传感器，电磁感应电导率传感器由两个变压器模块组成，变压器磁芯采用软磁铁氧体高导磁材料，其外部喷涂20微米聚四氟乙烯分散体涂层封装。

2.根据权利要求1所述的一种便携式智能水质电导检测装置，其特征在于所述的A/D转换数据处理单元的电路为：A/D转换器ICL7135的22引脚与脉冲产生器54AC163D的15引脚相连，脉冲产生器54AC163D的3、4、6、8引脚与地相连，脉冲产生器54AC163D的1、5、7、10引脚与电源VCC相连，A/D转换器ICL7135的3、24引脚接地，7引脚经电容与8引脚相连，9引脚经地线、电容与10引脚相汇经由电阻输出，6引脚经由两个电阻与5引脚相连，6引脚经电阻、电容、电阻与5引脚相连，4引脚反向接二极管经由电阻接地，数字多路开关74LS157的8、15引脚接地，数字多路开关1、2、3、5、11、14引脚分别与A/D转换器ICL7135的12、13、14、15、16引脚相连。

3.根据权利要求1所述的一种便携式智能水质电导检测装置，其特征在于所述的LED显示单元的电路为：单片机的接口P3.0和单片机的接口P3.1与LED显示单元的接口相连，单片机的P3接口剩余的五根I/O线与A/D转换器ICL7135的五根位选线D1—D5相连，A/D转换器ICL7135的B1、B2、B4、B8、R/H和BUSY引脚与单片机的P1接口相连。