CN103115948A - 一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，包括多电极玻璃管、多通道切换器、挡位切换器、温度采集器、微控制器及PC上位机。多通道切换器用于切换多电极玻璃管上的多个独立通道，挡位切换器负责调节合适当前液面的挡位，温度采集器用来采集环境和通道温度，微控制器用来产生激励信号、协调各个模块之间的控制关系以及采集计算各液面的电导率值，最后微控制器将各液面的电导率和温度值通过串口传输到PC上位机进行显示和分析。该装置使得多个通道之间无公共端、完全独立，避免了溶液内多个激励信号相互影响而造成的误差。其结构简洁，有较好的测量精度，制作成本低廉。

Description

一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置

技术领域

本发明涉及自动测量控制技术领域，特别是一种对不均匀溶液的不同液面电导率同时进行自动测量的装置。 

技术背景

目前市场上的溶液电导率测量仪器大多是针对均匀溶液进行电导率的测量，一般的测量方法是将一对电极插入到测量溶液中，通过在电极之间不断施加激励信号的方法，换算出该段液面的电导率值。即使是一般的多通道的测量仪器，也只是单纯地复制上述单通道的模式，由于其多对电极通常有公共端并且不独立，造成其多对电极之间都同时存在激励信号。这种方法一般适用于测量一种或多种均匀溶液电导率的场合。 

但是在某些工业应用场合，对一种溶液进行不均匀加热，由于溶液的各部分温度、浓度不同，需要对该种不均匀溶液中的多段液面的电导率同时进行实时测量。如果使用上述方法，把多个普通设备或多通道设备的电极同时安装在一种溶液的不同液面进行测量，由于多对电极之间的多个激励信号的相互干扰影响，会对测量结果产生较大的偏差，而且测量所需的设备仪器复杂繁多、占用体积大、成本较高。 

发明内容

本发明的目的是针对上述所存在的问题和市场应用需求而提供的一种不均匀溶液的多段液面电导率的测量装置。其结构简洁、测量精度较高、制作成本较低。 

实现本发明目的的具体技术方案如下： 

一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，特点是该装置包括多电极玻璃管、多通道切换器、挡位切换器、温度采集器、微控制器及PC上位机，其中： 

所述多电极玻璃管由一端开口的长玻璃管以及可移动的数对电极组成，每对电极分布在玻璃管的不同高度上，电极的面积固定，同时数对电极之间无公共端，完全独立；溶液即装在玻璃管中。 

所述多通道切换器具有多路选1路的模拟电子开关。它的多路通道与多电极玻璃管中的数对电极相连；它的输入与微控制器中DAC输出的正弦激励信号相连；在其输入和输出之间，有多个开关对应控制多路通道与输入、输出的联通和断开。 

另外，多通道切换器对外部引出数个控制引脚，根据引脚上的电平来决定多个开关的状态，从而可从多路通道中选择1路与输入和输出相互联通，这样就可以切换数对电极与激励信号的连断，也就可以保证在同一时刻液体内只有一对电极输出激励信号，不存在相互干扰的情况。 

所述挡位切换器由一个I-V转换器以及低通滤波器组成，其中，I-V转换器的输入连接多通道切换器的输出电流，其反馈电阻由一个多选1模拟电子开关来选择多个不同范围的电阻，根据模拟电子开关的数个控制引脚上的电平来决定所选择的反馈电阻，从而可以调节转换器的放大倍数，也就完成了多个挡位之间的切换；模拟电子开关的控制引脚连接微控制器的IO。 

之后，I-V转换器的输出即是放大后的电压信号，通过低通滤波器用来去除放大后信号中的高频和开关切换造成的噪声。 

所述温度采集器由热敏电阻和数字温度传感器组成，测量环境温度和通道温度，其结果将以数字信号的方式传给微控制器。 

所述微控制器包括IO、片内定时器、片内DAC、片内ADC以及UART接口，利用片内DAC生成一个固定周期为T的正弦激励信号到多通道切换器的输入；根据通道控制方法，来循环切换各个通道；当切换到一个通道后，利用片内ADC对挡位切换器的输出进行采集，根据换挡算法，调节到适合当前通道的挡位，再次进行ADC采集，根据测量算法，对采集到的数据进行计算校正，得到当前通道的电导率值，即当前液面的电导率值； 

所述PC上位机通过微控制器的UART接口，接收到的各液面的电导率值和温度值，并进行显示和分析。 

所述通道控制方法是：利用微控制器的片内定时器，周期地变换联通到多通道切换器中的控制引脚上的IO的电平，使得激励信号循环周期地联通到每路独立的通道上，即每段液面之间的电极上；同时根据保存的挡位，将多通道切换器切换到相应挡位；每组通道的联通时间为一固定时间t（ms），其中t为激励信号周期T的整数倍，即t=N*T（ms），这就是每个通道ADC的采样时间；由于T一般在几毫秒内，所以一次循环切换多个通道的时间在几十毫秒内，从而保证了测量的实时性。 

当激励信号被切换到新通道后，或者由于换挡需要切换多通道切换器中的反馈电阻时，需要等待4个周期后开始ADC采样，这样可以防止开关对信号的扰动以及电极之间的干扰。 

所述换挡算法是：设挡位切换器中J个反馈电阻，则对应有J个挡位W_j（uS）(j=1,2...J)，并且J个挡位满足W₁＞W₂…＞W_j的关系；设多通道切换器现被切换在挡位W_j；根据 

${\mathrm{RMS}}_G=\sqrt{\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_t^M{(V_t-D)}^2}---\left(1\right)$

计算出液面在当前挡位W_j下的RMS_G；其中V_t为ADC所采集到第i个点的数字电压值，M 为在固定时间t内总共采集的点数，D为信号中的直流数字电平值； 

预先取与W_j-1挡位和W_j+1挡位的反馈电阻R_j-1和R_j+1相等的两个测试电阻，当电极分别连接这两个测试电阻时，测得的有效均方根值分别记作RMS_Max和RMS_Min，作为为两个判别阀值。 

若此时被测液面的RMS_G满足RMS_Min＜RMS_G＜RMS_Max，则保存当前挡位W_j；若RMS_G＜RMS_Min，则将挡位保存为W_j+1（j=J时，保存挡位W_j）；若RMS_G＞RMS_Min，则将挡位保存为W_j-1（j=1时，保存挡位W₁）。根据保存的挡位，改变联通到挡位切换器中控制引脚上的IO的电平，将挡位切换器切换到相应挡位。 

在不同挡位下不断执行上述过程，直到满足RMS_Min＜RMS_G＜RMS_Max时（j=1和J时无需满足），就完成了一个通道的自动换挡功能。 

所述测量算法是：当切换到某个通道来测量某个液面时，利用换挡算法将挡位切换器调整到合适挡位后，先通过微控制器的ADC采集到的数据，计算当前液面的有效均方根值RMS_G； 

预先取与当前挡位下的反馈电阻值相等的测试电阻作，当电极连接这个测试电阻时，测得的有效均方根值记作RMS_c，作为参考值；则当前液面的电导率测量值可以表示为 

$G=\frac{{\mathrm{RMS}}_G}{R_j*{\mathrm{RMS}}_c}---\left(2\right)$

其中R_j是当前挡位下的反馈电阻的阻值； 

校正方法：采用线性校正，先考虑固定一个通道和一个挡位的情况，设液面电导率校正值为G₀，根据式（2）得到的电导率测量值为G，它们之间应该满足下式 

G₀＝k_ijG+b_ij    (3) 

其中，k_ij为第l个通道（l=1,2...L）在第j个挡位(j=1,2...J)下的一阶校正系数，b_ij为第l个通道在第j个挡位下的零阶校正系数。在室温下，取在第j个挡位范围内的两种标准溶液，记其溶液电导率标准值分别为G_p1和G_p2，使用式（2）得到的其电导率计算值分别为G_c1和G_c2，将其分别代入式（3）中，可得 

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{ij}}=\frac{G_{p1}-G_{p2}}{G_{c1}-G_{c2}}\\ b_{\mathrm{ij}}=\frac{G_{p2}{G}_{c1}-G_{p1}{G}_{c2}}{G_{c1}-G_{c2}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

这样就得到了第l个通道在第j个挡位下的2个校正系数，将其带回式（3）中，并令校正后的溶液电导率值为G_ij，则有 

$G_{\mathrm{ij}}=\frac{G_{p1}-G_{p2}}{G_{c1}-G_{c2}}G+\frac{G_{p2}{G}_{c1}-G_{p1}{G}_{c2}}{G_{c1}-G_{c2}}---\left(5\right)$

对于其他通道、其他挡位可用类该方法求得相对应的校正系数k_ij、b_ij，总共应该有L*J组校正系数。 

本发明的多个独立通道设计实现了一路激励信号对多段液面循环测量，避免了多个激励信号相互影响而造成的误差；挡位自动切换的设计使得测量结果更为精确；微控制器的可编程特性减少了外围模块复杂度，也进一步降低了该装置的制作成本。 

附图说明

图1为本发明的多电极玻璃管示意图； 

图2为本发明的多通道切换器结构框图； 

图3为本发明的挡位切换器结构框图； 

图4为本发明的结构框图。 

具体实施方式

实施例 

参阅图1，本实施例的多电极玻璃管内盛放有不均匀溶液，每组电极的位置可以在玻璃管上移动，电极的面积固定且相同，同时8组电极之间无公共端，完全独立。 

参阅图2，本实施例的多通道切换器由一个数字控制、双通道8选1模拟开关构成（采用ADG707芯片），它可根据3个控制引脚A2、A1、A0上的电平，从8路通道中选出一路SxA（x=1,2，...8），将SxA与DA引脚相连，就是多通道切换器的输入；同时也将SxB与DB引脚相连，就是多通道切换器的输出。 

参阅图3，本实施例的挡位切换器由一个4挡位的I-V转换器和一个2阶巴特沃斯低通滤波器组成。其中，I-V转换器的4个可选的反馈电阻设为R₁=10K欧，R₂=100K欧，R₃=1M欧以及R₄=10M欧；由一个数字模拟开关（采用ADG708芯片）连接到IV转换器的反馈部分，根据2个控制引脚A1、A0的电平，从4路通道中选出一路Sx（x=1,2,3,4）与D引脚相连，也就是I-V转换器的输出反馈端上。 

参阅图4，本实施例包括装有8对电极的玻璃管、多通道切换器、挡位切换器、温度采集器（采用DS18b20数字传感器和503ET型NTC热敏电阻）以及微控制器（采用STM32F103RCT芯片）。其中，微控制器具有16位片内定时器、12位片内DAC、12位片内ADC、DMA以及UART等功能。 

首先，微控制器使用DMA传输使得其片内DAC能周期性地输出一个0.75V到2.25V的500Hz正弦波到多通道切换器的输入引脚上，作为激励信号使用；同时微控制器使用3个IO连接到多通道切换器的3个控制引脚上，利用通道控制方法，周期性地改变3个IO的电平，就可以实时切换8个通道与激励信号的连接。 

其次，多通道切换器的8个通道就与玻璃管上的8对电极相连，多通道切换器的输出为流过一段液面的电流，它与挡位切换器的输入相连。挡位切换器的2个控制引脚与微控制器的2个IO相连，根据换挡算法，微控制器可实时调节挡位切换器的4个挡位，4个挡位根据4个反馈电阻值可得W₁=0.1mS,W₂=10uS,W₃=1uS以及W₄=0.1uS。挡位切换器的输出是经过挡位调整后放大、滤波后的信号，它与微控制器的片内ADC引脚相连。 

再者，当切换到第l个通道后，根据换挡算法，计算出两个阀值，取RMS_Max=1130,RMS_Min=110，作为每个挡位的上限和下限阀值。之后，微控制器的12位ADC采用100Khz的采样率对挡位切换器的输出进行10个周期采样。根据测量算法中所需的参数，其中，信号周期为T=1/500=2ms,采样周期个数N=10个，采样率p=100Kps，所以单个通道一次的采样点个数M=p*N*T=2000个，直流分量近似于激励信号的直流分量D=3/2=1.5V=2048(数字电压)，将以上参数代入式（1）中，得到当前液面的电导率的RMS值为 

${\mathrm{RMS}}_G=\sqrt{\frac{1}{2000}{\mathrm{\Σ}}_t^{2000}{(V_t-2048)}^2}---\left(6\right)$

其中V_t是ADC所测到的实际数字电压值。 

微控制器将不断调节挡位切换器的控制引脚来调节挡位，使得RMS_G满足110<RMS_G<1130的条件。 

这时，微控制器的片内ADC再对挡位切换器的输出进行10个周期采样和RMS计算。经过测算得到参考值RMS_c＝1097，代入到式（2）中，最后得到当前液面的电导率值为 

$G=\frac{{\mathrm{RMS}}_G}{R_j*{\mathrm{RMS}}_c}=\frac{W_j}{1097}\sqrt{\frac{1}{2000}{\mathrm{\&Sigma;}}_t^{2000}{(V_t-2048)}^2}---\left(7\right)$

其中，W_j是当前挡位切换器所在的挡位值。 

在实际使用中，为了简化校正系数，使用正比例关系，即令式(3)中的b=0。这样使用一种标准液的情况下，就可以得到该挡位W_j下的该通道的校正系数，实际测得k_j=1.22。将k_j代入到式（5)中，可得到当前液面在W_j挡位下的校正电导率 

G_j＝kG＝1.22G     （8） 

其中，G为式（7）中得到的计算值。 

当多通道切换器切换到其他通道后，利用上述过程，即可算出其他液面的校正电导率值。 

最后，微控制器将8个通道的电导率计算值和从温度采集器传来的温度值，采用modbus协议，通过片内UART转RS232接口传到PC上位机进行显示和记录。  

Claims (4)

1.一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，其特征在于该装置包括多电极玻璃管、多通道切换器、挡位切换器、温度采集器、微控制器及PC上位机，其中： 

所述多电极玻璃管由一端开口的长玻璃管以及可移动的数对电极组成，每对电极分布在管的不同高度，电极的面积固定，同时数对电极之间无公共端，完全独立； 

所述多通道切换器设有数路选一路的模拟电子开关，其数路通道引脚与多电极玻璃管中的数对电极相连；其输入与微控制器中DAC输出的正弦激励信号相连；数个控制引脚与微控制器的IO相连，用于控制其内部的数个开关所对应的数路通道与其输入和输出的联通和断开； 

所述挡位切换器由一个I-V转换器和低通滤波器组成，其中，I-V转换器的输入连接多通道切换器的输出，由一个模拟电子开关来选择不同范围的电阻，根据电子开关的控制引脚上的电平来决定反馈电阻，模拟电子开关的控制引脚连接微控制器的IO；I-V转换器的输出信号通过低通滤波器后作为挡位切换器的输出； 

所述温度采集器由热敏电阻和数字温度传感器组成，测量环境温度和通道温度，其结果以数字信号的方式传给微控制器； 

所述微控制器包括IO、片内定时器、片内DAC、片内ADC以及UART接口，利用片内DAC生成一个固定周期为T的正弦激励信号到多通道切换器的输入；根据通道控制方法，来循环切换各个通道；当切换到一个通道后，利用片内ADC对挡位切换器的输出进行采集，根据换挡算法，调节到适合当前通道的挡位，再次进行ADC采集，根据测量算法，对采集到的数据进行计算校正，得到当前通道的电导率值，即当前液面的电导率值； 

所述PC上位机通过微控制器的UART接口，接收到的各液面的电导率值和温度值，并进行显示和分析。 

2.根据权利要求1所述的不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，其特征在于所述通道控制方法是：利用微控制器的片内定时器，周期地变换联通到多通道切换器的控制引脚上的IO的电平，使得激励信号循环周期地联通到每路独立的通道上，即每段液面之间的电极上；每组通道的联通时间为一固定时间t（ms），其中t为激励信号周期T的整数倍，即t=N*T（ms）。 

3.根据权利要求1所述的不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，其特征在于所述换挡算法是： 

设挡位切换器的当前挡位为W_j，利用微控制器的ADC采集的数据，计算当前液面的有效均方根值                                                  其中V_t为ADC所采集到第i个点的数字电压值，M为在固 定时间t内总共采集的点数，D为信号中的直流数字电平值； 

预先取与相邻两挡位下的反馈电阻值相等的两个测试电阻，当电极分别连接这两个测试电阻时，测得的有效均方根值分别记作RMS_Max和RMS_Min，作为为两个判别阀值；将当前液面的RMS_G与RMS_Max和RMS_Min进行比较：当RMS_G＜RMS_Min，则将挡位保存为W_j+1；当RMS_G＞RMS_Min，则将挡位保存为W_j-1；当RMS_Min＜RMS_G＜RMS_Max，则保存当前挡位W_j；之后，根据保存的挡位，改变联接到I-V转换器的电子开关的控制引脚上的IO的电平，将挡位切换器切换到相应挡位； 

在不同挡位下不断执行上述过程，直到满足RMS_Min＜RMS_G＜RMS_Max时，即完成了测量一段液面的自动换挡。 

4.根据权利要求1所述的不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，其特征在于所述测量算法是： 

当切换到某个通道来测量某个液面时，利用换挡算法将挡位切换器调整到合适挡位后，先通过微控制器的ADC采集到的数据，计算当前液面的有效均方根值RMS_G； 

预先取与当前挡位下的反馈电阻值相等的测试电阻，当电极连接这个测试电阻时，测得的有效均方根值记作RMS_c，作为参考值；计算当前液面的电导率测量值为   其中R_j是当前挡位下的反馈电阻的阻值； 

再利用线性校正的方法，根据G₀＝k_ijG+b_ij对G进行校正，得到当前液面的电导率校正值G₀，即为当前液面的电导率值；其中k_ij和b_ij为当前通道、当前挡位下的2个校正系数，能够通过标准液测得。 

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