CN101696994B - 海水淡化用电导率在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海水淡化用电导率在线检测装置。现有检测装置采用分立式安装结构，成本较高。本发明包括电导率传感器；海水淡化系统的进、出水口分别与海水测量池出水口连接和淡化水测量池的进水口连接，两个测量池均为封闭式结构，电导率传感器穿过测量池顶盖设置，电导率传感器与信号采集电路输入端连接，信号采集电路输出端与嵌入式控制器输入端信号连接，嵌入式控制器与触摸显示器通过串口连接；嵌入式控制器输出控制端与超声波控制器信号连接，超声波控制器分别与超声波发生装置连接。本发明操作简便，直观，检测装置易于维护，能够实现海水淡化中电导率参数在线检测、系统定期校准和传感器电极自动清洗功能。

Description

海水淡化用电导率在线检测装置

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种在线检测装置，具体涉及一种应用于海水淡化系统中电导率在线检测的装置。

背景技术

随着社会和经济的发展，水资源危机已经成为全球范围内面临的一个重要问题。海水淡化，已经成为一些国家和地区重要的水源来源。在海水淡化过程中，水质参数的在线检测是保证海水淡化系统正常运行和衡量淡化水质量是否合格的重要手段。目前，海水淡化系统的在线检测参数主要有pH、电导率、温度、流量、压力等。其中电导率是海水淡化中必不可少的水质检测参数之一。

目前还没有针对海水淡化这一特殊应用场合专用的集成水质检测仪表。现有电导率检测装置主要采用普通的电导率检测仪表，采用分立式安装结构，如采用美国GF signet电导率测量仪表，每一个测量点必须对应使用一个电导率仪表，成本较高；对于在线检测，没有电极清洗措施，抗污染性能差，长期使用将导致系统测量精度下降。本装置采用了交流变频激励技术、温度补偿技术、系统校准技术，有效的克服了极化效应、电容效应与温度因素所带来的测量误差，提高了测量的精度；采用了超声清洗技术、集成控制与显示技术，提高电极的使用寿命，降低成本。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足，提供一种海水淡化用电导率在线检测装置。

本发明包括海水测量池、淡水测量池、海水电导率传感器、淡水电导率传感器、海水超声波发生装置、淡水超声波发生装置、超声波控制器、信号采集电路、嵌入式控制器、触摸显示器。

海水测量池为封闭式结构，出水口与海水淡化系统的进水口连接；海水电导率传感器穿过海水测量池的顶盖垂直设置，海水超声波发生装置设置在海水测量池内的底部；

淡水测量池为封闭式结构，进水口与海水淡化系统的出水口连接；淡水电导率传感器穿过淡水测量池的顶盖垂直设置，淡水超声波发生装置设置在淡水测量池内的底部；

海水淡化系统为目前采用的海水淡化系统，属于成熟现有技术。

信号采集电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一数字电阻器、第二数字电阻器和A/D转换芯片；第一运算放大器和第二运算放大器均采用LF444CN芯片，第一数字电阻器和第二数字电阻器均采用数字电阻器AD7376，A/D转换芯片采用A/D转换器MAX1270。

海水电导率传感器的信号输出端分别与第一运算放大器的负向输入端、第一数字电阻器的引脚1信号连接，第一运算放大器的正向输入端接地，第一运算放大器的输出端分别与第一数字电阻器的引脚14、A/D转换芯片的引脚15信号连接；

淡水电导率传感器的信号输出端分别与第二运算放大器的负向输入端、第二数字电阻器的引脚1信号连接，第二运算放大器的正向输入端接地，第二运算放大器的输出端分别与第二数字电阻器的引脚14、A/D转换芯片的引脚16信号连接。

A/D转换芯片的总线输出端与嵌入式控制器的总线输入端信号连接，嵌入式控制器与触摸显示器通过串口连接；嵌入式控制器输出控制端与超声波控制器的输入端信号连接，超声波控制器的输出端分别与海水超声波发生装置和淡水超声波发生装置信号连接。

本发明针对海水淡化电导率检测特殊应用设计了专用电导率检测装置。实现了海水与淡化水检测集成控制与显示以及电导率传感器电极的自动清洗功能。相对于目前的分立式仪表的解决方案，降低了成本，延长了使用寿命。在使用过程中操作简便，直观，检测装置易于维护，能够实现海水淡化中电导率参数在线检测，系统定期校准和传感器电极自动清洗功能。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图；

图2是海水电导率传感器信号处理原理图；

图3是淡水电导率传感器信号处理原理图；

图4是A/D转换电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种海水淡化用电导率在线检测装置包括海水测量池2、淡水测量池7、海水电导率传感器GF2823 1、淡水电导率传感器GF2821 6、海水超声波发生装置3、淡水超声波发生装置5、超声波控制器8、信号采集电路11、嵌入式控制器9、触摸显示器10。

海水测量池2为封闭式结构，出水口与海水淡化系统4的进水口连接；海水电导率传感器1穿过海水测量池2的顶盖垂直设置，海水超声波发生装置3设置在海水测量池2内的底部；

淡水测量池7为封闭式结构，进水口与海水淡化系统4的出水口连接；淡水电导率传感器6穿过淡水测量池7的顶盖垂直设置，淡水超声波发生装置5设置在淡水测量池7内的底部。

信号采集电路11包括第一运算放大器12、第二运算放大器14、第一数字电阻器13、第二数字电阻器15和A/D转换芯片16；第一运算放大器12和第二运算放大器14均采用LF444CN芯片，第一数字电阻器13和第二数字电阻器15均采用数字电阻器AD7376，A/D转换芯片16采用A/D转换器MAX1270。

如图2和图4所示，海水电导率传感器1的信号输出端分别与第一运算放大器12的负向输入端、第一数字电阻器13的引脚1信号连接，第一运算放大器12的正向输入端接地，第一运算放大器12的输出端分别与第一数字电阻器12的引脚14、A/D转换芯片16的引脚15信号连接；

如图3和图4所示，淡水电导率传感器6的信号输出端分别与第二运算放大器14的负向输入端、第二数字电阻器15的引脚1信号连接，第二运算放大器14的正向输入端接地，第二运算放大器14的输出端分别与第二数字电阻器15的引脚14、A/D转换芯片16的引脚16信号连接。

如图4所示，嵌入式控制器9采用AT91RM9200控制芯片，A/D转换器MAX1270的引脚1、引脚11与+5V电源连接，第一电容C1的一端与+5V电源连接、另一端接地；

A/D转换器MAX1270的引脚2、引脚4和引脚12均接地；第二电容C2的一端与A/D转换器MAX1270的引脚21连接、另一端接地；第三电容C3的一端与A/D转换器MAX1270的引脚23连接、另一端接地。A/D转换器MAX1270的引脚5与嵌入式控制器AT91RM9200的引脚G15连接；A/D转换器MAX1270的引脚7与嵌入式控制器AT91RM9200的引脚G14连接；A/D转换器MAX1270的引脚10与嵌入式控制器AT91RM9200的引脚G13连接。A/D转换器MAX1270的引脚6与嵌入式控制器AT91RM9200的引脚G16连接；A/D转换器MAX1270的引脚13与淡水温度信号T_o1连接；A/D转换器MAX1270的引脚14与海水温度信号T_o2连接；A/D转换器MAX1270的引脚15与淡水电导率信号V_o1连接；A/D转换器MAX1270的引脚16与海水电导率信号V_o2连接。

嵌入式控制器9与触摸显示器10通过串口连接；嵌入式控制器9输出控制端与超声波控制器8的输入端信号连接，超声波控制器8的输出端分别与海水超声波发生装置3和淡水超声波发生装置5信号连接。

本发明具有三种工作状态：自动检测状态、校准状态、清洗状态。其具体的工作过程如下：

1、当装置处于自动检测状态时：

(1)信号采集。

正弦激励源采用通用的DDS芯片AD9833及其外围电路实现。

温度信号采集电路采用现有的PT1000温度采集电路实现。

其中，信号采集电路中，淡水电导率传感器GF2821和海水电导率传感器GF2823等效为电阻，控制第一数字电阻器和第二数字电阻器的阻值改变来切换电导率测量量程。正弦激励源产生激励信号通过电导率传感器后得到电导率信号V_i1和V_i2，经过运算放大电路后，得到放大后的电导率电压信号V_o1和V_o2，接入A/D转换电路。

淡水电导率信号采集支路中，激励信号经淡水电导率传感器GF2821后得到淡水电导率信号V_i1与第二运算放大器LF444CN的引脚5连接，第二数字电阻器AD7376的引脚1、14分别与第二运算放大器LF444CN的引脚2、1相连。第二运算放大器LF444CN的引脚3接地，第二运算放大器LF444CN的引脚4和11分别与电源的-15V和+15V相连，第二运算放大器LF444CN的引脚1与A/D转换器MAX1270的引脚15相连。第二数字电阻器AD7376的引脚3、6、10、12分别与电源-15V、+5V、+5V、+15V相连。第二数字电阻器AD7376的引脚4接地，第二数字电阻器AD7376的引脚7、9、11分别与嵌入式控制器AT91RM9200的引脚G15、G14、G13相连，第二数字电阻器AD7376的引脚5与嵌入式控制器AT91RM9200的F13相连。

海水电导率信号采集支路中，激励信号经海水电导率传感器GF2823后得到海水电导率信号V_i2与第一运算放大器LF444CN的引脚6连接，第一数字电阻器AD7376的引脚1、14分别与第一运算放大器LF444CN的引脚6、7相连。第一运算放大器LF444CN的引脚5接地，第一运算放大器LF444CN的引脚4和11分别与电源的-15V和+15V相连，第一运算放大器LF444CN的引脚7与A/D转换器MAX1270的引脚16相连。第一数字电阻器AD7376的引脚3、6、10、12分别与电源-15V、+5V、+5V、+15V相连。第一数字电阻器AD7376的引脚4接地，第一数字电阻器AD7376的引脚7、9、11分别与嵌入式控制器AT91RM9200的引脚G15、G14、G13相连，第一数字电阻器AD7376的引脚5与嵌入式控制器AT91RM9200的F16相连。

(2)A/D转换。

采集到的两路温度和两路电导率电压信号经过A/D转换电路处理。在n个周期内对电压信号Vo采样得到n个电导率电压信号Vo的幅值V₁、V₂…V_n，最后将四路采样结果输入到嵌入式控制器。

(3)数字滤波。

在嵌入式控制器中，对于每一路A/D采集得到的n个数值，采用数字滤波的方法滤除粗大误差。具体的滤波方法如下：对n个数值从小到大排序，A₁，A₂…A_n，去掉最大的w个和最小的v个数值，对剩余的n-w-v个数值求平均值得到有效的电导率电压信号幅值。计算公式为：

$\mathrm{Vo}=\frac{A_w+A_{w+1}+...+A_{n-v}}{n-v-w}---\left(1\right)$

(4)数值计算。

根据当前采集到的温度电压信号值T₀查表获得当前温度值T

根据电导率信号比值法测量原理，可以通过公式(2)可以求出电导率值。

$\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vi}}=\frac{\mathrm{Rf}}{\mathrm{Rx}}---\left(2\right)$

公式(2)中，Vi为激励源输入电压值，Vo为电导率信号输出电压值，Rf为运放电路反馈电阻值，Rx为电导率传感器等效电阻值。电导率可以由下式得出：

$G=\frac{k}{R_x}=\frac{V_o}{\mathrm{Vi}*R_f}*k---\left(3\right)$

这里k为电导率传感器电极常数。

(5)温度补偿。

通过温度补偿将当前温度下电导率值转换为25℃下电导率标准值后，在触摸显示器上实时显示出来。温度补偿公式如下：

k₂₅＝k_t/[1+α(t-25)]            (4)

其中，k_t和k₂₅分别为测量温度在t℃和25℃下时的电导率值，温度系数α取值为0.018，t为当前测量温度。

2、当装置处于校准状态时：

(1)获取校准参数。

从测量池中取出传感器电极，放入准备好的电导率标准溶液中，测得其电导率值为X₁，通过触摸显示器输入当前校准值Y₁并保存。更换不同的校准液来测量，最终得到一组电导率测量数据为X₁、X₂…X_n，同理得到相应的校准值Y₁、Y₂…Y_n。

(2)曲线拟合。

测量值X₁、X₂…X_n和校准值Y₁、Y₂…Y_n之间存在着某种函数关系，采用曲线拟合的方式得到二者之间的线性关系式：

aX+b＝Y                (5)

公式(5)为装置本次校准的校准公式。其中，a，b为常数，X为电导率测量值，Y即是校准后得到的值，作为最终测量结果实时显示出来。

3、当装置处于清洗状态时：

(1)输入参数。

装置自动锁存当前电导率测量结果，用户通过触摸显示器输入清洗时间参数T。

(2)开始清洗。

程序读取清洗参数，由嵌入式控制器发出指令，启动超声波控制器DGD300-III，进而控制测量池底部超声波发生装置开始工作，电导率传感器电极清洗开始。同时程序中定时器开始计时。

(3)清洗结束。

当定时器计时满时，超声波控制器DGD300-III自动关闭，测量池底部超声波发生装置停止工作，电导率传感器电极自动清洗结束，装置返回自动检测状态。

Claims (1)

1.海水淡化用电导率在线检测装置，包括海水测量池、淡水测量池、海水电导率传感器、淡水电导率传感器、海水超声波发生装置、淡水超声波发生装置、超声波控制器、信号采集电路、嵌入式控制器、触摸显示器，其特征在于：

海水测量池为封闭式结构，出水口与海水淡化系统的进水口连接；海水电导率传感器穿过海水测量池的顶盖垂直设置，海水超声波发生装置设置在海水测量池内的底部；

淡水测量池为封闭式结构，进水口与海水淡化系统的出水口连接；淡水电导率传感器穿过淡水测量池的顶盖垂直设置，淡水超声波发生装置设置在淡水测量池内的底部；

信号采集电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一数字电阻器、第二数字电阻器和A/D转换器MAX1270；第一运算放大器和第二运算放大器均采用LF444CN芯片，第一数字电阻器和第二数字电阻器均采用数字电阻器AD7376；

海水电导率传感器的信号输出端分别与第一运算放大器的负向输入端、第一数字电阻器的引脚1信号连接，第一运算放大器的正向输入端接地，第一运算放大器的输出端分别与第一数字电阻器的引脚14、A/D转换器MAX1270的引脚15信号连接；

淡水电导率传感器的信号输出端分别与第二运算放大器的负向输入端、第二数字电阻器的引脚1信号连接，第二运算放大器的正向输入端接地，第二运算放大器的输出端分别与第二数字电阻器的引脚14、A/D转换器MAX1270的引脚16信号连接；

嵌入式控制器采用AT91RM9200控制芯片，A/D转换器MAX1270的引脚1、引脚11与+5V电源连接，第一电容C1的一端与+5V电源连接、另一端接地；A/D转换器MAX1270的引脚2、引脚4和引脚12均接地；第二电容C2的一端与A/D转换器MAX1270的引脚21连接、另一端接地；第三电容C3的一端与A/D转换器MAX1270的引脚23连接、另一端接地；A/D转换器MAX1270的引脚5与嵌入式控制器的引脚G15连接；A/D转换器MAX1270的引脚7与嵌入式控制器的引脚G14连接；A/D转换器MAX1270的引脚10与嵌入式控制器的引脚G13连接；A/D转换器MAX1270的引脚6与嵌入式控制器的引脚G16连接；A/D转换器MAX1270的引脚13与淡水温度信号T_o1连接；A/D转换器MAX1270的引脚14与海水温度信号T_o2连接；A/D转换器MAX1270的引脚15与海水电导率信号V_o1连接；A/D转换器MAX1270的引脚16与淡水电导率信号V_o2连接；

嵌入式控制器与触摸显示器通过串口连接；嵌入式控制器输出控制端与超声波控制器的输入端信号连接，超声波控制器的输出端分别与海水超声波发生装置和淡水超声波发生装置信号连接。

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