CN103630581B - 一种新型水质电导率在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种新型水质电导率在线检测装置，该装置包括依序连接的传感器、屏蔽电缆和变送器；所述的传感器通过屏蔽电缆与变送器上的传感器接口连接，传送电导、温度信号；所述的变送器对电导、温度信号分别处理，并输出小于100mV的水质及温度模拟信号；并将该水质和温度模拟信号由A/D数模转换电路处理后输出水质和温度数字信号至单片机；所述的单片机接收水质和温度数字信号进行温度补偿处理，同时传送至RS485电路；所述的RS485电路提供对外通讯接口，传输水质和温度数字信号。该装置提高传感器的结构稳定性、抗干扰能力，且进一步减小变送器体积，并使其更加紧凑和易于集成和安装；采用数字信号输出，彻底解决二次采集和信号转换带来的误差；提高装置的测量精度。<!--1-->
Description
技术领域
本发明涉及一种水质检测装置。
背景技术
现有水质电导率在线检测装置通常由电导率传感器、温度传感器、信号传输电缆、信号放大及变送电路、内置或外接显示器组成。其传感器（二极式）的基本结构为一个金属圆筒状外电极，该外电极内套一个与外电极相对绝缘的金属内电极，它们共同组成电导测量回路。通过外部加载一定电压来测量内、外电极间介质（水）的导电性，然后经过变送电路放大、换算处理得出水的电导率（us/cm）或电阻率（MΩ.cm）；同时，内电极中间被嵌入一个热敏电阻使得内电极兼有温度传感器的功能，介质温度也同时被测量，以上电导值和温度值可以被单独以模拟或数字量方式被输送至外部接收或显示装置，亦可通过变送电路上的芯片将电导值换算成25℃下的标准电导值后再输出。通过调整内、外电极的尺寸和间隙可以获得不同常数的传感器以适配不同纯度水质的测量，通常间隙越小、有效作用面积越大，传感器的灵敏度越高，可测量的水质纯度也越高。
传统的电导率在线检测装置的不足之处在于：
一、传感器结构不可靠；
传统的电导率传感器内外电极使用嵌套结构，之间采用单密封圈密封、隔离，外电极与其顶部的安装适配器之间也使用单密封圈密封，然后在顶部用密封胶同时将内、外电极、安装适配器、内部引出线缆一起，密封、固定成为一个整体，这种结构有2个缺陷：
1、单密封圈结构的封水效果相对不可靠，水一旦渗入传感器内部将导致传感器失效；
2、对于高灵敏度测量的传感器而言，其内电极较粗、较长，质量也较大，单密封圈结构使其不易定位，即使顶部封胶也不能完全避免内电极晃动，从而导致传感器系数不固定，测量误差加大。
二、抗干扰能力不强；
特别是信号传输线缆容易受外部空间磁场干扰，电源部分也容易受干扰，因开关电源EMC指标不良或参数变化带来测量值波动。
三、变送器体积偏大，不利高度集成化安装使用；
多数电导率变送器都被设计成仪表形式，即变送、显示一体，并采用面板式开孔安装，这种结构不利于系统小型化、集成化装配使用，尤其是在系统中使用多路测量时问题更加突出。
四、变送器信号输出多为模拟量（4-20mA），传输距离受限，且上位机采集、A-D转换过程易产生误差；
五、测量精度不高；
特别是大多数变送器通过单片机和外围电路通讯，经过两次A/D和D/A转换，分别将水质温度信号从探头上的模拟量转换为内部数字量，再将内部数字量转换为外部4-20mA模拟量输出后，严重影响了测量精度。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种新型水质电导率在线检测装置。该装置提高传感器的结构稳定性、可靠性；提高装置的抗干扰能力；减小变送器体积，并使其更加紧凑和易于集成和安装；采用数字信号输出，彻底解决二次采集和信号转换带来的误差；提高装置的测量精度。
为实现上述目的，本发明技术方案为：
一种新型水质电导率在线检测装置，该装置包括依序连接的传感器、屏蔽电缆和变送器；所述传感器的探头包括有水质探头和温度探头，该传感器通过屏蔽电缆与变送器上的传感器接口连接，传送电导、温度信号；所述的变送器对电导、温度信号分别处理，并输出小于100mV的水质及温度模拟信号；并将该水质和温度模拟信号由A/D数模转换电路处理后输出水质和温度数字信号至单片机；所述的单片机接收水质和温度数字信号进行温度补偿处理，同时传送至RS485电路；所述的RS485电路提供对外通讯接口，传输水质和温度数字信号。
进一步的，依据水质不同，单片机将自动控制变送器在传感器探头上施加不同交变频率的测试电压。
进一步，所述传感器的内电极与外电极之间、以及外电极与安装适配器之间均使用双O型圈密封。
进一步，所述传感器内电极中间嵌入PT1000电阻的温度探头。
进一步，所述的屏蔽电缆为高性能双层双屏蔽低分布电容柔性电极线缆。
进一步，所述的变送器采用导轨式安装，采集卡式设计。
本发明与现有产品相比的不同之处及优点在于：
1、传感器结构不同
传感器在内、外电极，以及外电极、安装适配器之间使用双O圈设计后，即使在顶部不封胶的前提下，传感器仍可在高达8bar压力下正常工作（明显高于多数产品的5-6bar上限）；
2、屏敝电缆不同
本发明采用高性能双层双屏蔽低分布电容柔性电极线缆提高抗干扰能力。该电缆屏蔽线可以大幅提升信号在由传感器到变送器传输过程中的抗干扰能力；
3、变送器设计不同
1）本发明变送器采用导轨式安装，采集卡式设计，具有体积更小，更利于多路测量的高度集成化安装的优点；
2）半双工数字信号输出——彻底解决二次采集和信号转换带来的误差，且可以兼容绝大多数PLC、集成电路系统的信号采集；
3）采用多种组合措施和电路设计原理，大幅提高装置的测量精度。
a）采用最小的uA级工作电流降低自身温升，及配合本发明传感器的温度探头采用高精度PT1000铂电阻（有别于多数仪表采用的PT100铂电阻或NTC热敏电阻），两种直接和间接方式大幅提高温度测量精度。
b）水质部分通过在双O型圈高密封性水质探头上施加有别于常规仪表的0-100mV极低幅度交变测试电压，和按不同水质自动调整测试电压频率，最大程度减小水的极化效应，从而大幅提高装置测量精度。
c)电路针对高性能双层双屏蔽低分布电容柔性电极线缆的特性进行了特异性优化，增加了特别RC参数元件，进一步抑制外界干扰和还原水质信号原始特性，从而最大程度消除外界干扰。
d）另外，电路部分仅采用一次高精度A/D数模转换电路，将探头上检测到的模拟量信号直接转换成数字量，并经单片机处理后以RS485数字信号方式直接输出，从而克服了纯模拟电路仪表精度差不具备数字量接口缺点，也避免了常规原理仪表两次A/D和D/A转换导致的测量精度丢失。
附图说明
图1是本发明水质电导率在线检测装置结构示意图；
图2是本发明水质电导率在线检测装置工作原理示意图；
图3是本发明传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的一种新型水质电导率在线检测装置，该装置包括依序连接的传感器1、屏蔽电缆2和变送器3。
如图3所示，本发明传感器1的内电极4与外电极5之间、以及外电极5与安装适配器6之间均使用双O型圈7、8密封，内电极两点定位（封胶后为三点），结构更加稳固。传感器的探头包括有水质探头和温度探头，传感器内电极4中间嵌入PT1000铂电阻温度探头9。传感器1通过特定管件接于流体（水）管路10上，以使被测介质可以持续流经、接触传感器表面，传感器的电导、温度信号再通过屏蔽电缆2传送至变送器3，变送器3通过其内置的水质和温度测试信号电路和运放电路对电导、温度信号做进一步放大、处理，最后转换为数字量水质和温度信号，并可通过变送器3上的接口进行输出。
如图2所示，所述的传感器1通过屏蔽电缆2与水质和温度测试信号电路上的传感器接口连接，传送电导、温度信号。该屏蔽电缆2为高性能双层双屏蔽低分布电容柔性电极线缆。
所述的变送器3通过水质和温度测试信号电路对电导、温度信号通过光耦继电器进行分别接入处理。依据水质不同，由单片机内置程序自动控制变送器在传感器的探头上施加不同交变频率的测试电压。探头上的水质和温度信号经运放电路分别处理后输出小于100mV的水质及温度模拟信号。该水质和温度模拟信号由A/D数模转换电路处理后输出水质和温度数字信号至单片机。本发明变送器3采用导轨式安装，采集卡式设计。
所述的单片机接收水质和温度数字信号进行温度补偿处理，可以通过液晶显示器（可外接）显示相关测量数值，同时传送至RS485电路。依据水质不同，单片机将自动调整施加在传感器探头上的测试电压的频率（范围为几十Hz至几KHz），液晶按键面板可设置仪表功能参数。
所述的RS485电路提供对外通讯接口，传输水质和温度数字信号。通过该接口和相关软件可实现上位机控制仪表功能。
本系统的电源电路提供+5V供电、模拟电路Vcc供电和+2.5V参考电压源。
Claims (1)
1.一种新型水质电导率在线检测装置，其特征在于：该装置包括依序连接的传感器、屏蔽电缆和变送器；所述的：
传感器：通过屏蔽电缆与变送器上的传感器接口连接，传送电导、温度信号；该传感器的探头包括有水质探头和温度探头；
变送器：对电导、温度信号分别处理，并输出小于100mV的水质及温度模拟信号；并将该水质和温度模拟信号由A/D数模转换电路处理后输出水质和温度数字信号至单片机；
单片机：接收水质和温度数字信号进行温度补偿处理，同时传送至RS485电路；
RS485电路：提供对外通讯接口，传输水质和温度数字信号；
其中，依据水质不同，单片机将自动控制变送器在传感器探头上施加不同交变频率的测试电压；所述传感器的内电极与外电极之间、以及外电极与安装适配器之间均使用双O型圈密封；所述传感器内电极中间嵌入PT1000铂电阻温度探头；所述的屏蔽电缆为高性能双层双屏蔽低分布电容柔性电极线缆；所述的变送器采用导轨式安装，采集卡式设计。
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