CN101398405A - 一种水质电导率智能传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质电导率智能传感器，所述传感器包括：温度电导率探头，用于传感水体的温度和电导率；信号调理模块，与所述温度电导率探头连接，与所述温度电导率探头构成传感电路，并且对输出信号进行滤波和放大；微处理器，与所述信号调理模块连接，用于对所述信号调理模块输入的信号数字化，并采用IEEE1451标准进行通道标定与校准；总线接口模块，与所述微处理器连接，用于网络化与即插即用功能；电源模块，在微处理器的控制下给所述传感器各部分电路供电，实现低功耗特点。本发明能够消除探头极化效应、抗污染、测量范围大，价格便宜，且具有自校准补偿、自诊断、即插即用、能耗管理功能、集成度高的特点。

Description

一种水质电导率智能传感器

技术领域

本发明涉及水质检测领域，特别是涉及一种检测水体电导率的水质电导率智能传感器。

背景技术

水的电导率反映了其所含无机酸、碱、盐的量，且受温度的影响，该指标常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。不同类型的水有不同的电导率，因此监测和控制影响水体环境正常进行的水质参数具有重大的理论和现实意义。

我国水质在线自动监测技术起步较晚，目前国内的电极式电导率探头一般都为两电极式，其缺点是一旦探头表面被污染，就会直接影响测量结果。而在水环境监测中，电导率仪探头需长期置于水环境(江、河、湖、海)中，水中的一些浮游生物或污物可能会附着在探头表面，集约化水产养殖这种问题更为严重，造成结果的不准确。且这种两电极技术测量过程中电极既是电流电极，又是电压电极。实际上，只要电极上有电流流过溶液，与电极的接触面上就会产生极化电压，测量就会产生一定的误差。

目前，国内外一些公司开发出四电极电导率探头，四电极电导率探头流经电压电极的电流极小，并且采用频率为10KHz的正弦波激励电流，能有效防止电极极化；且能减少水体对探头的污染所引起的测量误差。HANNA公司生产的型号为HI 7635和HI 7636两种工业用四环电导电极，此电极抗污染，量程大，具有较高的精度，支持工业在线测量，但不具有智能性，需要配备专门变送仪表。国内外电导率传感器普遍存在造价高、功能单一、集成度和智能化程度低的问题。

测量水质电导率所采用的传感器为电化学分析仪器，由于电化学分析仪器复杂性，在目前已公布的专利文献中尚未有涉及到能够实现水质参数监测具有现场总线通信功能的智能传感器装置的内容。

随着控制、计算机、通信和网络的不断发展，测控仪表正朝着智能化、网络化、集成化的方向发展，研制一种水质电导率智能传感器，使之不仅集成先进的四环电极探头，同时集成现场总线通信功能的变送调理电路，此传感器具有广泛的应用价值和市场前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除探头极化效应、抗污染、测量范围大，价格便宜，且具有自校准补偿、自诊断、即插即用、能耗管理功能一体化特点的用于检测水体电导率的水质电导率智能传感器。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种水质电导率智能传感器，所述传感器包括：温度电导率探头，用于传感水体的温度和电导率；信号调理模块，与所述温度电导率探头连接，与所述温度电导率探头构成传感电路，并且对输出信号进行滤波和放大；微处理器，与所述信号调理模块连接，用于对所述信号调理模块输入的信号数字化，并采用IEEE 1451标准进行通道标定与校准；总线接口模块，与所述微处理器连接，用于网络化与即插即用功能；电源模块，在微处理器的控制下给所述传感器各部分电路供电，实现低功耗特点。

其中，所述温度电导率探头包括一体化的温度探头和电导率探头。

其中，所述电导率探头包括：绝缘体，所述绝缘体上设置有两个电流电极，在所述电流电极之间设置有两个电压电极，所述绝缘体外部设置有绝缘保护套。

其中，所述交流电极还依次连接有正弦电路和恒流电路，所述正弦电路用于产生正弦波电流，所述恒流电路用于稳定电流波形。

其中，所述信号调理模块包括：峰值检波电路，用于获取所述电导率信号的峰值信号。

其中，所述电源模块稳压后给微处理器供电，同时受微处理器控制给所述传感器各部分电路供电。

其中，所述微处理器模块内嵌IEEE 1451标准的STIM模块，具有TEDS表格，实现电导率测量标定与自补偿功能，直接输出工程量。

其中，所述总线接口模块在硬件实现上采用RS485总线，在软件协议上支持IEEE 1451规范，实现即插即用功能。

上述技术方案具有如下优点：

1、本发明使用专门设计的四环电导电极，此电极性能较市场广泛使用的二电极电导率探头具有一系列的优势。它能有效防止电极极化，延长电极寿命，确保测量数据的准确性，减少水体对探头的污染所引起的测量误差。

2、本发明由于将温度探头和电导率探头集成为一个总的温度电导率探头，由此可以同时对一个测点进行温度和电导率测量，保证被测点位置上的同一性和参数在时间上的实时性，适应了自动化监控技术的检测要求。

3、本发明采用单片机技术和电化学测试技术相结合，简化了硬件电路，扩充了测量功能，并采用IEEE 1451的自补偿方法。两个参数获取的同时性得到保证，通过内嵌的补偿方法，提高测量精度。

4、本发明抛弃传统传感器输出4-20mA模拟电流标准信号模式因分辨率低而限制测量范围的问题，而采用全数字总线传送，扩充了测量范围。

5、本发明采用基于IEEE 1451标准的网络化智能传感器，利用STIM模块和电子数据表格进行传感器数据的读入和执行器参数的设定来实现传感器的“即插即用”功能。并支持RS485总线连接。

6、本发明支持低功耗运行，并具有能量监测和自动诊断功能；实现微型化与一体化设计，设备防水性好、可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例的一种水质电导率智能传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种电导率探头的结构是一体；

图3是本发明实施例的一种电压-电流四端法电路原理图；

图4是本发明实施例的一种正弦电路的电路原理图；

图5是本发明实施例的一种恒流电路的电路原理图；

图6是本发明实施例的一种峰值检波电路的电路原理图；

图7本发明实施例的一种水质电导率检测的程序流程图。

其中，1：绝缘体；2：电压电极；3：电流电极；4：绝缘保护套；5：温度探头；6：水位观察孔；7：密封圈；8：集成电路；9：四芯电缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1所示，图1是本发明水质电导率智能传感器的硬件设计总体原理图。为了增强系统的集成度，微处理器采用了美国TI公司的MSP 430作为主控芯片。当然，也可以选用其它能够实现数据处理、控制的芯片。

其中，传感器敏感部分是一个由温度探头和电导率探头连成为一体而组成的温度电导率探头；电导率探头结构如图2所示，它采用电流-电压四环电极法，包括两个电流电极和两个电压电极，测量原理是在两个电流电极施加一个交流信号并通过电流，在流体介质里建立起电场，并两个电压电极上感应出电压，通过测量感应电极间的电位降，得出对应的水体的电导率，因为感应电极间的电位降与溶液的电导率成正比。此电极感应电极间的电位降与电极表面污染或电路电阻无关，从而避免了因电极表面污染或钝化的影响，消除极化误差，适用于各种长短电缆等等，而这些正是二电极电导率探头所无法消除的缺点。所谓电流-电压四环电极法，是指测试系统包括2个电流端和2个电压端。圆环形电极固定在圆柱形绝缘体1的外表面，外面两个电极为电流电极3，中间的两个电极为电压电极2。整个圆柱型绝缘体连同四个电极被完全浸没在待测水溶液中。电极的外部有一个筒形的绝缘保护套4，对电极有保护的作用，可以延长电极使用寿命。温度探头5设置在绝缘体1的最底端。另外，绝缘体1在最上面一个电流电极3的上面还设置有水位观察孔6，用于观察水位。绝缘体1的上端通过密封圈7与集成电路8连接，集成电路8内集成了微处理器、总线接口模块、信号调理模块等电路。集成电路8通过一条四芯电缆9引出，四芯电缆9连接供电、接地、RS485正负极。在两个电流电极施加一个交流信号并通过电流，在流体介质里建立起电场有两个电压电极来感应产生的电压。使用交流信号的目的在于消除电极极化作用，提高测量的准确性。通过检测2个电压端的电势差，就可换算出介电材料(水体)的电导率。同时连接温度和电导率探头，同步变送采集两路信号，利用微处理器自动校准通道差异，提高电导率智能传感器的一致性，同时利用同步获取的温度信号，自动补偿电导率测量值，提高电导率测量精度。

电流电极的输入激励信号为正弦信号。激励信号的产生电路包括依次连接的正弦信号发生的正弦电路和恒流电路。正弦电路和恒流电路分别如图4、图5所示。正弦电路所用的芯片为集成函数发生器8038，8038能输出锯齿波，方波，正弦波、三角波四种不同的波形，此处使用的是正弦波。电路的振荡频率f＝0.3/[(R₁₀+1/2R_p1)C]。调节R_p1，R_p2可使正弦波的失真达到较理想的程度。恒流电路的目的在于输出稳定的电流波形。要使恒流源工作稳定，采样电阻R52需采用高性能的电阻，放大器采用高增益、低漂移、低噪声且频率特性好的运算放大器。T1、T2采用高跨度和小穿透电流且频率特性好的三极管。

由于电流极输入的是正弦波信号，电压极检测的信号也为正弦信号，因此，在进行AD转换前，须对此电压信号先进行处理。信号调理模块主要作用是把不同性质的、不同输入阻抗信号通过放大、滤波等电子技术变换到标准信号。本发明的信号调理模块包括峰值检波电路。例如激励电流为10KHz的正弦电流，探头输出的信号须在经过峰值检波后再经过放大。峰值检波电路采用二极管包络测峰法，通过此电路，检测出正弦波的峰值，最后信号输入到放大电路对信号进行放大。峰值检波电路如图6所示，利用二级管波形幅度检测的方法，得到信号的正峰值。直流峰值电压信号输入MSP430片内的模数转换器(ADC，Analog to Digital Converter)，实现数字化。IEEE1451标准(IEEE Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors andActuators)的网络化智能传感器，它包括智能传感器接口模块(STIM，Smart Transducer Interface Module)即通过传感器电子数据表格(TEDS，Transducer Electronic Data Sheet)进行传感器数据的读入和参数的设定从而实现传感器的“即插即用”功能。本发明的电导率智能传感器实现IEEE 1451的STIM模块。STIM核心是内含一个支持IEEE 1451标准的传感器电子数据表格(TEDS)和一个智能总线接口。其中TEDS是可把对传感器的标定，以及数据的校正等工作转化为微处理器承担的例行任务，它是智能传感器自校准、自补偿等智能功能的基础。总线形式：本发明不采用IEEE1451.2中的TII接口，而是采用应用更为广泛的RS485总线。总线接口连接了热拔插电路，可以实现智能传感器接口模块的热拔插。为了方便传感器电子数据表格内容的升级与更新，系统采用异步串行口来下载只读电子数据表格TEDS至MSP430的片内Flash。使用MSP430片内Flash作为可变TEDS的存储空间。

本实例中，所采用的温度探头5感应头型号为热电阻，量程：0-100℃，精度：0.2℃。

本发明中，微控制器采用的型号是美国TI公司的MSP430系列单片机集成电路芯片。MSP430系列单片机是TI公司研发的16位超低功耗单片机，非常适合各种功率要求低的场合，特别适合于电池应用的场合或手持设备。该单片机在1.8V-3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1-400μA之间；含有P₀-P₆共7个I/O口、2个定时器TimerA、Timer B、1个看门狗，内部集成2K的ROM和60K的RAM，可十万次重复编程；MSP430系列ROM和60K的RAM，可十万次重复编程；MSP430系列单片机均为工业级的产品，运行环境温度为-40℃-+85℃；而MSP430系列单片机一般单价只有几十元。由此可以看出，MSP430系列单片机的性价比高，完全能够满足系统开发的需要。

MSP430单片机具有12位8路A/D转换器功能和DMA控制单元，可以分别为系统采样电路和数据传输部分采用，使得系统的硬件电路更加集成化、小型化。并且转换后的结果在微控制器内部进行，根据温度、电导率之间的相互影响进行拟合，通过软件的方法来消除传感器自身由于工作环境改变而引起的变化，因此数据客观准确。

在STIM方面，主要实现TEDS数据结构设计。其中TEDS是IEEE 1451标准的核心内容之一，它是一种嵌入于STIM模块内的表格。它完整定义了STIM模块各个部分逻辑信息存储和互操作格式，也是对STIM各通道传感器数据进行校正的基础数据结构。一个符合标准的传感器自身带有内部信息，包括：制造商、数据代码、序列号、使用的极限以及校准系数等。当系统上电时，这些数据可以提供给NCAP(Network Capable Application Process，网络适配器)以及系统其它部分。

TEDS分为8个可寻址部分，其中两个必备的电子数据表格是：Meta-TEDS和Channel-TEDS，其余可按需选择。Meta-TEDS，描绘TEDS信息、数据结构及支持的通道数和通道极限时间参数等有关STIM的总体信息；每个STIM通道包括1个Channel-TEDS，主要用来对每个通道具体信息，如描述通道物理属性、纠正类型、返回数据类型和格式通道的定时信息等。由于用到传感器自校正功能，故此发明也用到Calibration-TEDS电子数据表格。一般TEDS占用的存储空间较小，用单片机中FLASH是存放TEDS最理想的地方。

在总线接口方面，通过总线接口模块与上位机或其它设备进行通讯，本发明设计了RS485总线连接。下面介绍一下单片机MSP430与RS485接口芯片SN75LBC184的连接与通讯。

由于微处理器MSP430单片机不能直接连接RS485接口，因此还须加上RS485的转换电路。RS485转换电路设计选用美国TI公司生产的一种RS485接口芯片SN75LBC184芯片。

SN75LBC184它采用单一电源Vcc，电压在+3-+5.5V范围内都能正常工作。它与普通的RS485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电压。因此，它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可以保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍(≥24KΩ)，故可以在总线上连接64个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰产生。

本发明单片机与RS485接口芯片SN75LBC184的通信，选用PC机的COM2接口，但COM2的9个端口只使用其中的RTS、RXD、TXD与GND四个端口，以构成简易的四线通信线路，四位一体的光电耦合器TLP521让单片机与SN75LBC184芯片之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性质。基本工作原理：当单片机P3.4＝0时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压(+5V)，选中RS485接口芯片的DE端，允许发送。当单片机P3.4＝1时，光电耦合器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压(0V)，选中RS485接口芯片的RE端，允许接收。SN75LBC184的R端(接收端)和D端(发送端)的原理与上述类似。考虑到线路的特殊情况(如某一节点的RS485芯片被击穿短路)，为防止总线中其他分机的通信受到影响，在SN75LBC184的信号输出端串联了2个20Ω的电阻R1和R5，这样本发明的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS485网络传输线的始端和末端应接一个与120Ω的匹配电阻R3，以减少线路上传输信号的反射。

另外，本实施例的水质电导率智能传感器还包括电源模块，电源模块与微处理器连接，该模块直接输入供电电压，通过电阻分压方法，满足A/D输入电压要求，为供电状况自诊断提供依据。另外，电源模块与微处理器之间还设置有电源管理模块：一方面通过稳压电路提高输入电压适应范围，增强芯片电压的稳定性，另一方面与微处理器配合，实现对硬件电路各模块的脉冲式供电，使电导率智能传感器在超低功耗下运行。

软件部分：整个软件部分流程图如图7所示。上电初始化硬件状态，调出存储在FLASH中的TEDS参数，自诊断程序测量电源电压、探头接口等信号，判断是否存在故障。之后为了降低功耗，微处理器控制外设进入休眠状态，等待任务触发。在定时触发采集请求下，进行A/D数据采集和并调用STIM标定和校准程序，温度探头实现电导率标定和温度补偿。另外方面通过串行接口接收外部设置参数、触发测量、读出参数与测量结果的请求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种水质电导率智能传感器，其特征在于，所述传感器包括：

温度电导率探头，用于传感水体的温度和电导率；

信号调理模块，与所述温度电导率探头连接，与所述温度电导率探头构成传感电路，并且对输出信号进行滤波和放大；

微处理器，与所述信号调理模块连接，用于对所述信号调理模块输入的信号数字化，并采用IEEE1451标准进行通道标定与校准；

总线接口模块，与所述微处理器连接，用于网络化与即插即用功能；

电源模块，在微处理器的控制下给所述传感器各部分电路供电，实现低功耗特点。

2、如权利要求1所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述温度电导率探头包括一体化的温度探头和电导率探头。

3、如权利要求2所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述电导率探头包括：

绝缘体，所述绝缘体上设置有两个电流电极，在所述电流电极之间设置有两个电压电极，所述绝缘体外部设置有绝缘保护套。

4、如权利要求3所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述交流电极还依次连接有正弦电路和恒流电路，所述正弦电路用于产生正弦波电流，所述恒流电路用于稳定电流波形。

5、如权利要求1所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述信号调理模块包括：

峰值检波电路，用于获取所述电导率信号的峰值信号。

6、如权利要求1所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述电源模块稳压后给微处理器供电，同时受微处理器控制给所述传感器各部分电路供电。

7、如权利要求1所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述微处理器模块内嵌IEEE1451标准的STIM模块，具有TEDS表格，实现电导率测量标定与自补偿功能，直接输出工程量。

8、如权利要求1所述的水质电导率智能传感器，其特征在于，所述总线接口模块在硬件实现上采用RS485总线，在软件协议上支持IEEE1451规范，实现即插即用功能。

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