CN102116757A - 一种液体电导率测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种液体电导率测量系统及测量方法，可适用于测量水的电导率，其通过单片机驱动信号发生器发出波形信号，如正弦波信号，该信号加在放置在液体中的变压器的初级绕组时，由于水体在通过耦合线圈中间构成一个闭合的回路，所以在水的该单通回路中感应出感应电动势，在该闭合回路中必然会产生电流，当水质的电导率不同时，流过单通回路的电流也不同，这样就在所述变压器的次级绕组上感应出依赖水质电导率变化而变化的交变感应电压，由于交变感应电压和水体电导率是一一对应的关系，所以只要测出交变感应电压值，通过定标就能测出水质的电导率。
Description
技术领域
本发明涉及电导率测量领域，特别涉及一种液体电导率测量系统及测量方法。
背景技术
电导率是物体传导电流的能力。液体比如水的电导率，是表示水的导电性即水的电阻的倒数，通常用它来表示水的纯净度。所以经常通过测量液体的电导率来确定液体的纯净度。
水质的电导率是确定水质好坏的重要参数之一，水的盐度和温度对水的电导率都具有影响。盐度对水的电导率影响是：盐度较低时水溶液的电导率直接和溶解盐浓度成正比，而且盐度越高，电导率越大；并且在相同浓度下，强电解质具有较大的电导率，而弱电解质的电导率就小得多。温度对水的电导率影响是：溶液的电阻是随温度升高而减小，即溶液的浓度一定时，它的电导率随着温度的升高而增加，其增加的幅度约为2％℃-1。另外同一类的电解质，当浓度不同时，它的温度系数也不一样。在低浓度时，电导率的温度之间的关系用下式表示：L1＝L0[1+α(t-t0)+β(t-t0)2]，其中L0为溶液在温度t0时的电导率，α与β为参数。由于第二项β(t-t0)2之值较小，可忽略不计，故在低温时的电导率与温度的关系可用以下近似值L1＝L0[1+α(t-t0)]表示。
在环保要求日益提升的情况下，迫切需要提供一种对液体尤其是对水的电导率的测量系统及方法，测量到其电导率后，方可确定其纯净度为多少。
发明内容
本发明的目的是提供一种液体电导率测量系统及测量方法，实现了对液体电导率的准确测量。
一方面，本发明提供一种液体电导率测量系统，包括单片机和与其连接的信号发生器，所述单片机用以向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器用以在所述单片机的控制下输出波形信号，还包括：
变压器，置于被测的所述液体中，包括第一绕组和第二绕组，其第二绕组连接所述信号发生器的输出端以接收所述波形信号；
放大电路，其输入端连接所述变压器的第一绕组以接收所述波形信号的感应电压并进行放大；
检波电路，其输入端连接所述放大电路的输出端以接收所述放大的波形信号感应电压，检测所述波形信号感应电压的最大值并输出；
A/D转换器，其输入端连接所述检波电路，输出端连接所述单片机，用以将所述检波电路输出的模拟信号转化为数字信号并输出至所述单片机；
所述单片机处理所述A/D转换器输出的感应电压信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。
所述信号发生器为DDS正弦信号发生器。
所述测量系统还包括设置在所述液体中并与所述单片机连接的温度传感器，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。
所述测量系统还包括增益调节电路，其输入端连接所述单片机，其输出端连接所述放大电路，用以对所述波形信号的感应电压进行增益调节。
另一方面，本发明还提供一种液体电导率测量方法，包括以下步骤：
5.1、将变压器置于被测液体中，所述变压器包括第一绕组和第二绕组；
5.2、产生波形信号并将其输出至所述变压器的第二绕组；
5.3、接收所述变压器第一绕组产生的波形信号感应电压并进行放大；
5.4、检测所述步骤5.3放大后的波形信号感应电压的最大值并输出至一A/D转换器，所述A/D转换器将其转化为数字信号并输出；
5.5、依据所述A/D转换器输出的感应电压数字信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。
所述步骤5.2包括以下步骤：
5.2.1、准备单片机和与其连接的信号发生器，所述单片机向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器在所述单片机的控制下输出波形信号；
5.2.2、将所述信号发生器与所述变压器的第二绕组连接，使所述变压器的第二绕组接收所述波形信号。
所述步骤5.2.1中的信号发生器为DDS正弦信号发生器。
所述方法还包括温度补偿步骤：将温度传感器设置在所述液体中并与所述单片机连接，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。
所述方法还包括通过设置增益调节电路对经所述步骤5.3放大的波形信号感应电压进行增益调节的步骤。
采用本发明所述的一种液体电导率测量系统及测量方法，可适用于测量水的电导率，其通过单片机驱动信号发生器发出波形信号，如正弦波信号，该信号加在放置在液体中的变压器的初级绕组时，由于水体在通过耦合线圈中间构成一个闭合的回路，所以在水的该单通回路中感应出感应电动势，在该闭合回路中必然会产生电流，当水质的电导率不同时，流过单通回路的电流也不同，这样就在所述变压器的次级绕组上感应出依赖水质电导率变化而变化的交变感应电压，由于交变感应电压和水体电导率是一一对应的关系，所以只要测出交变感应电压值，通过定标就能测出水质的电导率。
附图说明
图1是本发明所述测量系统的原理框图；
图2是本发明所述信号发生器电路原理图；
图3是本发明所述放大电路原理图；
图4是本发明所述检波电路及A/D转换器的原理图；
图5是本发明所述单片机及温度传感器电路原理图；
图6是本发明所述的电源电路原理图；
图7是本发明所述测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
参见图1，图1显示了本发明所述一种液体电导率测量系统100，包括：
单片机110和与其连接的信号发生器120，所述单片机110用以向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器120用以在所述单片机110的控制下输出波形信号。参见图2，作为一实施例，所述信号发生器120为DDS正弦信号发生器(数字合成正弦信号发生器)，DDS正弦信号发生器在单片机110的控制下发出正弦波信号。DDS正弦信号发生器由DDS直接数字频率合成器U1和运算放大器U2组成。DDS直接数字频率合成器U1通过SPI总路线与单片机110相连，可由单片机110控制产生0～10M，步进0.01Hz、峰峰值0.4V的正弦信号。由于其产生的信号电压都为正，若将其直接放大后驱动变压器130线圈，则其直流分量会烧坏线圈或运算放大器。若想用该信号放大后驱动线圈，则需先将其调整为标准正弦信号，然后放大到合适的峰值后驱动线圈。此处的运放应选择驱动能力较强，信噪比较大的运放，见图2中的运算放大器U2。需要说明的是，作为其他实施例，所述信号发生器120也可以产生其他波形(方波等)，此时就可以选择能产生相应波形的信号发生器120了。
同轴变压器130，置于被测的所述液体中，包括第一绕组和第二绕组，其第二绕组连接所述信号发生器120的输出端以接收所述正弦波信号。
放大电路140，其输入端连接所述变压器130的第一绕组以接收所述正弦波信号的感应电压并进行放大。正弦波信号加在同轴变压器130的第二绕组上，则第一绕组上会感觉出大小依赖于电导率和温度的正弦信号，通常情况下该信号是很微小的，若直接对其进行检波可能会检测不到或是影响测量的准确性。由于测量范围分为几档，电导率变化范围很大，运放电路若采用固定增益很难满足设计的要求，但用手动方法进行增益调整又是不现实，采用数字电位器则可由单片机110根据需要随时对放大电路140的增益进行调整，适应不同的应用场合。参见图3，图3中的放大电路140选用了运算放大器U 5与U11，其采用的数字电位器为U12A和U12B。
检波电路150及与其连接的A/D转换器160(模数转换器)，检波电路150的输入端连接所述放大电路140的输出端以接收所述放大的正弦波信号感应电压，检测所述正弦波信号感应电压的最大值并输出；A/D转换器160的输入端连接所述检波电路150，输出端连接所述单片机110，用以将所述检波电路150输出的模拟信号转化为数字信号并输出至所述单片机110。参见图4，图4中的运算放大器U3、U4和晶体管Q1及相关外围电路组成检波电路150进行检波，并采用了高精度串行A/D转换器160U6进行模数转换。
A/D转换器160将电压信号有模拟信号转化为数字信号后，所述单片机110处理所述A/D转换器160输出的感应电压信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。
参见图5，单片机110是整个硬件电路的中枢，负责控制激励信号的频率，控制放大电路140的增益，检测A/D转换器160采样的值，读取温度传感器180的温度，保存各种参数在其内嵌的存储器中，根据串口接收的指令设置传感器的工作模式、运放增益、检测零点值、以及步进频率值。与其对应的外部接口为串行通信接口，采用RS-232电平。作为一实施例，所述测量系统100还包括设置在所述液体中并与所述单片机110连接的温度传感器180，所述温度传感器180采集所述液体的温度并传输至所述单片机110，所述单片机110根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。这个温度传感器180所起的作用是温度补偿作用。
另外，所述测量系统100还包括增益调节电路170，参见图1，其输入端连接所述单片机110，其输出端连接所述放大电路140，用以对所述正弦波信号的感应电压进行增益调节。
参见图6，所述测量系统100的电源部分要解决的主要问题是单电源供电与激励信号需要采用交流信号的矛盾，双电源运放的电源对称性和稳定性，A/D转换器160电压基准的稳定性等。为能从单电源供电中获取正负电源，需要采用DC-DC模块U10，来控制电源模块V1、V2、V3及V4。
另一方面，本发明还提供一种液体电导率测量方法200，参见图7，包括以下步骤：
201、将变压器置于被测液体中。所述变压器包括第一绕组和第二绕组。
202、产生波形信号并将其输出至所述变压器的第二绕组。
203、接收所述变压器第一绕组产生的波形信号感应电压并进行放大。
204、检测所述放大后的波形信号感应电压的最大值并输出至一A/D转换器转化为数字信号并输出。检测所述步骤203放大后的波形信号感应电压的最大值并输出至一A/D转换器，所述A/D转换器将其转化为数字信号并输出。
205、依据所述A/D转换器输出的感应电压数字信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体的电导率。
所述步骤202包括以下步骤：
2021、准备单片机和与其连接的信号发生器，所述单片机向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器在所述单片机的控制下输出波形信号。作为一实施例，信号发生器为DDS正弦信号发生器。
2022、将所述信号发生器与所述变压器的第二绕组连接，使所述变压器的第二绕组接收所述波形信号。
作为一实施例，所述方法200还包括温度补偿步骤：将温度传感器设置在所述液体中并与所述单片机连接，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。所述方法200还包括通过设置增益调节电路对经所述步骤203放大的波形信号感应电压进行增益调节的步骤。
需要指出的是，本发明所述测量系统100与本发明所述测量方法200在原理和实现过程上是相同或类似的，故其重复部分在次不再赘述。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (9)
1.一种液体电导率测量系统，包括单片机和与其连接的信号发生器，所述单片机用以向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器用以在所述单片机的控制下输出波形信号，其特征在于，还包括：
变压器，置于被测的所述液体中，包括第一绕组和第二绕组，其第二绕组连接所述信号发生器的输出端以接收所述波形信号；
放大电路，其输入端连接所述变压器的第一绕组以接收所述波形信号的感应电压并进行放大；
检波电路，其输入端连接所述放大电路的输出端以接收所述放大的波形信号感应电压，检测所述波形信号感应电压的最大值并输出；
A/D转换器，其输入端连接所述检波电路，输出端连接所述单片机，用以将所述检波电路输出的模拟信号转化为数字信号并输出至所述单片机；
所述单片机处理所述A/D转换器输出的感应电压信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述信号发生器为DDS正弦信号发生器。
3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括设置在所述液体中并与所述单片机连接的温度传感器，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。
4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括增益调节电路，其输入端连接所述单片机，其输出端连接所述放大电路，用以对所述波形信号的感应电压进行增益调节。
5.一种液体电导率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.1、将变压器置于被测液体中，所述变压器包括第一绕组和第二绕组；
5.2、产生波形信号并将其输出至所述变压器的第二绕组；
5.3、接收所述变压器第一绕组产生的波形信号感应电压并进行放大；
5.4、检测所述步骤5.3放大后的波形信号感应电压的最大值并输出至一A/D转换器，所述A/D转换器将其转化为数字信号并输出；
5.5、依据所述A/D转换器输出的感应电压数字信号，并根据标准的电压与电导率的对应关系输出所述液体在当前温度下的电导率。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤5.2包括以下步骤：
5.2.1、准备单片机和与其连接的信号发生器，所述单片机向所述测量系统各单元输出控制命令，所述信号发生器在所述单片机的控制下输出波形信号；
5.2.2、将所述信号发生器与所述变压器的第二绕组连接，使所述变压器的第二绕组接收所述波形信号。
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤5.2.1中的信号发生器为DDS正弦信号发生器。
8.如权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括温度补偿步骤：将温度传感器设置在所述液体中并与所述单片机连接，所述温度传感器采集所述液体的温度并传输至所述单片机，所述单片机根据标准的温度与电导率的关系将被测液体的电导率自动补偿到标准温度时的电导率值。
9.如权利要求5或6或7所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括通过设置增益调节电路对经所述步骤5.3放大的波形信号感应电压进行增益调节的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110706 |