CN104897970A - 基于互补数字电桥的液体电导率测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于互补电桥的液体电导率测量系统。该系统改变了传统平衡电桥的结构，其平衡电桥的四个桥臂分别为待测电阻R_C、标准电阻R_S和两个等效互补电阻R₁和R₂，其互补电阻R₁和R₂采用N级R-2R电阻网络结构。而本系统采用互补式数字电桥，减少了电桥下桥臂分支电阻精度对于测量的影响；互补式电桥的精度只取决R_S，不受R₁和R₂的影响，降低了测量的不确定性。系统主控单元采用互补电阻优化算法，调整R-2R电阻网络与平衡电桥的接入结构；采用内插算法，对平衡电桥的平衡点进行精确计算。该系统是测量精度高，满足高精度液体电导率的测量需求。

Description

基于互补数字电桥的液体电导率测量方法与系统

技术领域

本发明属于仪器仪表测量技术领域，涉及一种液体电导率测量系统与方法。

背景技术

液体电导率测量技术是一项非常重要的工程技术。其主要原理是对液体的电导特性进行测量，对便于对液体组分进行分析，主要用于工业生产用水、人类生活用水、海水特性、电池电解液等测量与检测。

平衡电桥法是电导率高精度测量的主要方法，适合在高级实验室使用。其基本思路是将电导率传感器的作为电桥的一臂，其余三个电阻采用高精度的电阻，高精度电阻具有较好的一致性，有类似的温漂特性，以确保高精度。

通常电导率传感器是由电导池构成的，不同的电导池的电导池常数不同，为了克服电导池常数对测量结果的影响，两个上桥臂均采用电导池，其中一个电导池中放标准溶液，另一个电导池中放待测溶液。系统按照一定的流程进行操作可以计算出电导池常数，并进行补偿。

图1是现有的平衡电桥法测量液体电导率原理图。由平衡电桥原理可得，电桥平衡时待测电阻R_C的计算公式如下：

$R_c=\frac{R_1}{R_2}{R}_s$

即电导率

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{1}{R_c}=\frac{R_2}{R_1}\frac{1}{R_s}=\frac{R_2}{R_1}{\mathrm{\ρ}}_s$

其中，R_S为标准溶液电阻，R₁、R₂为待测电阻，R_C为待测溶液电阻，ρ_C为待测溶液电导率，ρ_S为标准溶液电导率。

采用该电桥测量的时候，有以下问题会影响测量精度：

(1)由于R_S为标准溶液，从上式可以看出，ρ_C的测量精度受到R₁、R₂和R_S精度的影响；

(2)为了实现数字化，R₁通常采用数字电位器，目前数字电位器的抽头数不够，分辨率低，难以满足高精度测量的需要；

(3)为了防止溶液产生极化，影响电阻率的测量，通常采用交流电桥，但交流电桥的波形和频率一般是固定的；

(4)由于溶液非纯阻性，在采用交流电桥测量的时候，存在波形畸变，严重影响测量精度；

(5)激励源、检流计和电桥在电气上不完全隔离，电路干扰可能会影响测量精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电桥式电导率测量方法的不足，提出一种新型的，基于互补电桥式的高精度液体电导率测量系统和方法。

本发明的技术方案是：基于互补数字电桥的液体电导率测量系统，包括激励源、与激励源相连的平衡电桥和数字检流计，还包括主控电路、输入变压器和输出变压器；主控电路分别与激励源和数字检流计相连；

平衡电桥的四个桥臂分别为待测电阻R_C、标准电阻R_S和两个等效互补电阻R₁和R₂，其中待测电阻R_C的第二端与等效互补电阻R₁的第一端，构成一条支路，标准电阻R_S的第二端与等效互补电阻R₂的第一端相连构成一条支路；两条支路上的待测电阻R_C的第一端与标准电阻R_S的第一端相连；输入变压器次级线圈的两端分别连接到R_C与的第一端和等效互补电阻R₁和R₂的第二端，互补电阻R₁和R₂满足以下互补条件：

$\frac{1}{R_1}=\frac{k}{R_{\mathrm{ref}}};$

$\frac{1}{R_2}=\frac{1-k}{R_{\mathrm{ref}}};$

其中，k为可调系数，R_ref为R₁和R₂的参考电阻；

当k给定后，根据电桥平衡原理，待测电阻因此，k值和R_S值决定待测电阻的精度。

互补电阻R₁和R₂采用N级R-2R电阻网络结构，其支路上的电阻分别为2R_ref和R_ref，R-2R电阻网络的首条2R_ref支路与标准电阻R_S的第二端相连；其余2R_ref支路通过双向选择开关跟别与待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端相连；

输出变压器初级线圈的两端分别接标准电阻R_S的第二端和待测电阻R_C的第二端，其次级线圈的两端与数字检流计相连；

主控电路包括信号采集单元、互补电阻计算单元和激励波形产生单元；信号采集单元接收数字检流计的反馈信号，进行同步采样与滤波，激励波形产生单元产生激励信号，将激励信号传递到激励源，互补电阻计算单元根据反馈信号计算等效电阻R₁和R₂的阻值，以便调整R-2R电阻网络结构与平衡电桥的连接结构。

优选的是：数字检流计包括信号调理电路和模拟数字转换电路，经模拟数字转换电路与主控电路相连；输出变压器的初级线圈连接到待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端；次级线圈与信号调理电路相连，变压器的信号经信号调理电路放大后传递到模拟数字转换电路进行模数转换，数字量传递到主控电路。

优选的是：激励源包括数字模拟转换单元、信号双极性变换单元和功率驱动单元，激励信号传递到激励源的数字模拟转换单元，转换成模拟信号后，传递到信号双极性变换单元；信号双极性变换单元将单极性信号转变为双极性信号后传递到功率驱动单元，功率驱动单元经输入变压器与平衡电桥的输入端相连，功率驱动单元驱动变压器产生激励信号，经变压器传递到平衡电桥。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的提供的测量系统和方法较传统的电桥式液体电导率测量系统的精度有较大提高。传统的平衡电桥测量精度取决于R₁、R₂和R_S，而本系统采用互补式数字电桥，减少了电桥下桥臂分支电阻精度对于测量的影响；当k精确给定后，互补式电桥的精度只取决R_S，不受R₁和R₂的影响，降低了测量的不确定性，提高了精度。

(2)互补式数字电桥采用R-2R电阻网络结构，增加R-2R电阻网络结构的阶次N，可以有效提高系统的测量精度。

(3)激励波形可以编程，可以根据不同的溶液特性，设定激励的波形参数，减少极化现象对精度的影响。

(4)采用同步采样和滤波技术，提高了系统的精度和测量的稳定性。

(5)激励源、检流计和电桥在电气上完全隔离，减少了电路的干扰。

(6)采用内插算法，在电桥达到准平衡的时候，预测平衡时的参数，进一步提高精度。

附图说明

图1为平衡电桥法测量液体电导率原理图结构示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明平衡电桥简化结构示意图。

图4本发明基于R-2R电阻网络的平衡电桥结构示意图。

图5主控电路程序流程图。

图6数字检流计同步采样结构示意图。

图7为互补电阻优化算法流程图。

具体实施方式

如图2所示，基于互补数字电桥的液体电导率测量系统，包括激励源、与激励源相连的平衡电桥和数字检流计，还包括主控电路、输入变压器和输出变压器；主控电路分别与激励源和数字检流计相连。

平衡电桥的四个桥臂分别为待测电阻R_C、标准电阻R_S和两个等效互补电阻R₁和R₂，其中待测电阻R_C的第二端与等效互补电阻R₁的第一端，构成一条支路，标准电阻R_S的第二端与等效互补电阻R₂的第一端相连构成一条支路；两条支路上的待测电阻R_C的第一端与标准电阻R_S的第一端相连；输入变压器次级线圈的两端分别连接到R_C与R_S的第一端和等效互补电阻R₁和R₂的第二端。等效互补电阻R₁和R₂的阻值大小满足以下关系：

$\frac{1}{R_1}=\frac{k}{R_{\mathrm{ref}}};$

$\frac{1}{R_2}=\frac{1-k}{R_{\mathrm{ref}}};$

其中，k为可调系数，R_ref为R₁和R₂的参考电阻。

如图4所示，互补电阻R₁和R₂采用N级R-2R电阻网络结构，其支路上的电阻分别为2R_ref和R_ref，R-2R电阻网络的首条2R_ref支路与标准电阻R_S的第二端相连；其余2R_ref支路通过双向选择开关跟别与待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端相连。

其检测原理为：

假设采用N级R-2R电阻网络，D_i代表第i个开关的状态，“0”表示开关接在“A”端，“1”表示开关接在“B”端，则定义：

$k=\frac{n}{2^N}$

其中，

表示接入的组合开关数。

进一步可以得到待测电阻为

$R_c=\frac{n}{2^N-n}{R}_s$

电阻率：

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{1}{R_c}=(\frac{2^N}{n}-1){\mathrm{\ρ}}_s$

也就是说待测溶液电导率由标准溶液的电导率ρ_s、R-2R网络的阶次N、电桥平衡时的开关组合数n决定。

数字检流计包括信号调理电路和模拟数字转换电路，经模拟数字转换电路与主控电路相连；输出变压器的初级线圈连接到待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端；次级线圈与信号调理电路相连，变压器的信号经信号调理电路放大后传递到模拟数字转换电路进行模数转换，数字量传递到主控电路。

激励源包括数字模拟转换单元、信号双极性变换单元和功率驱动单元，激励信号传递到激励源的数字模拟转换单元，转换成模拟信号后，传递到信号双极性变换单元；信号双极性变换单元将单极性信号转变为双极性信号后传递到功率驱动单元，功率驱动单元经输入变压器与平衡电桥的输入端相连，功率驱动单元驱动变压器产生激励信号，经变压器传递到平衡电桥。

主控电路包括信号采集单元、互补电阻计算单元和激励波形产生单元；信号采集单元接收数字检流计的反馈信号，激励波形产生单元产生激励信号，将激励信号传递到激励源，互补电阻计算单元根据反馈信号计算等效电阻R₁和R₂的阻值，以便调整R-2R电阻网络结构。

主控系统的激励波形产生单元可以产生DC-2kHz的激励波形，典型的波形的类型包括方波、梯形波、正弦波，用户可以根据需求定义任意的波形。波形的幅值、频率、相位可以通过编程实现。

激励波形产生单元产生的激励波形经过数字模拟转换单元、信号双极性变换单元和功率驱动单元后，传递到平衡电桥。平衡电桥在激励信号作用下工作。

数字检流计采集平衡电桥待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端的输出，根据这个信号可以判断平衡电桥是否达到了平衡状态。数字检流计采集的信号经信号调理电路放大、模拟数字转换单元进行模数转换后传递到主控电路的信号采集单元。

主控系统的信号采集单元采用同步采集与滤波算法，对采样点进行了筛选。如图6所示，由于待测液体并不表现为纯电阻的特性，在激励波形变化时会产生暂态冲击，影响对电桥平衡的判断。为此对主控系统采样点进行精心选择，避开暂态响应区域N1和N3。

第i个周期检测的电桥输出为：

$\mathrm{\Δe}\left(i\right)=\frac{1}{N_2}\underset{j=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_P\left(j\right)-\frac{1}{N_4}\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{V}_N\left(k\right)$

其中，N₂和N₄为稳定区域对应的时长，V_P和V_N为对应时间点的采样电压值。

连续检测M个周期，得出电桥输出电压的平均值为：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{e}=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δe}\left(i\right)$

电桥输出的符号s定义为：

$s=\mathrm{sign}\left(\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{e}\right)=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{e}>0\\ 0,\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{e}=0\\ -1,\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{e}<0\end{array}\right.$

理论上，当平衡电桥输出为0的时候，电桥才进入平衡状态。主控电路判断s是否为零。若s不为零，说明平衡电桥还未达到平衡，需对R-2R电阻网络的接入结构进行调整。但实际上，在采用数字调节的时候，由于受到分辨率N的限制，很难使完全等于0，而是在平衡点附近波动。若精确判断电桥的平衡特性，需要定位平衡点，采用互补电阻寻优算法，定位平衡点。

如图7所示，互补电桥优化算法中的核心算法是逐位逼近算法。将互补电阻网络中的组合开关数n转化成二进制数，其每一位即表示电阻网络中每一个开关的状态。从R-2R电阻网络的起始支路开始，逐位判断调节，即可实现对互补电阻网络中每个开关状态的改变。

从互补电阻网络的最高位开始逐位调节，如上文所述,D_i表示开关的状态，为“0”表示开关接在“A”端，为“1”表示开关接在“B”端。判断电桥输出电压值s的正负情况。同步采样得到的电压值s为1时，说明待测电阻R_C小于高精度标准电阻R_S，要想调节电桥达到平衡，必须减小与待测电阻R_C同一支路的互补电阻R₁，下一步需要增大组合开关数n，将D_i调整到“B”端，因此开关的状态为1是正确的。同步采样得到的电压值S为-1时，则该位开关状态为1是错误的，应该为0。按照此判断方法，逐位调节互补网络的组合开关数。在调整开关状态的同时，同步判断电桥的平衡状态。判断电桥达到准平衡的条件为：当电桥调节时组合开关数n，对其加1(或减1)之后得到的电桥输出电压值的极性与此时得到的电桥电压值的极性相反。根据以上操作，得到组合开关数n。

如图5所示，根据上述操作，判断电桥进入平衡状态后，为了提高测量精度，对R-2R电阻网络的最后一位进行调整。

采用内插算法，调整平衡点。

$n_1=\frac{V_1*(n+1)-V_2*n}{V_1-V_2}$

其中，其中n为组合开关数，表示有与标准电阻R_S支路连通的开关个数，V₁为组合开关数为n时，数字检流计检测得到的电压值，V₂为组合开关数为n+1时，数字检流计检测得到的电压值。

因此，判断组合开关个数为n₁时，电桥输出为0。根据公式：

${\mathrm{\&rho;}}_c=\frac{1}{R_C}(\frac{2^N}{n_1}-1){\mathrm{\&rho;}}_s$

计算得到待测溶液的电导率。

Claims (4)

1.基于互补数字电桥的液体电导率测量系统，包括激励源、与激励源相连的平衡电桥和数字检流计，其特征在于：还包括主控电路、输入变压器和输出变压器；主控电路分别与激励源和数字检流计相连；

所述平衡电桥的四个桥臂分别为待测电阻R_C、标准电阻R_S和两个等效互补电阻R₁和R₂，其中待测电阻R_C的第二端与等效互补电阻R₁的第一端，构成一条支路，标准电阻R_S的第二端与等效互补电阻R₂的第一端相连构成一条支路；两条支路上的待测电阻R_C的第一端与标准电阻R_S的第一端相连；输入变压器次级线圈的两端分别连接到R_C与R_S的第一端和等效互补电阻R₁和R₂的第二端：

所述互补电阻R₁和R₂采用N级R-2R电阻网络结构，其支路上的电阻分别为2R_ref和R_ref，R-2R电阻网络的首条2R_ref支路与标准电阻R_S的第二端相连；其余2R_ref支路通过双向选择开关跟别与待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端相连；

所述输出变压器初级线圈的两端分别接标准电阻R_S的第二端和待测电阻R_C的第二端，其次级线圈的两端与数字检流计相连；

所述主控电路包括信号采集单元、互补电阻计算单元和激励波形产生单元；信号采集单元接收数字检流计的反馈信号，激励波形产生单元产生激励信号，将激励信号传递到激励源，互补电阻计算单元根据反馈信号计算等效电阻R₁和R₂的阻值，以便调整R-2R电阻网络结构与平衡电桥的连接结构。

2.如权利要求1所述的基于互补数字电桥的液体电导率测量系统，其特征在于：所述数字检流计包括信号调理电路和模拟数字转换电路，经模拟数字转换电路与主控电路相连；输出变压器的初级线圈连接到待测电阻R_C的第二端和标准电阻R_S的第二端；次级线圈与信号调理电路相连，变压器的信号经信号调理电路放大后传递到模拟数字转换电路进行模数转换，数字量传递到主控电路。

3.如权利要求1所述的基于互补数字电桥的液体电导率测量系统，其特征在于：所述激励源包括数字模拟转换单元、信号双极性变换单元和功率驱动单元，激励信号传递到激励源的数字模拟转换单元，转换成模拟信号后，传递到信号双极性变换单元；所述信号双极性变换单元将单极性信号转变为双极性信号后传递到功率驱动单元，功率驱动单元经输入变压器与平衡电桥的输入端相连，功率驱动单元驱动变压器产生激励信号，经变压器传递到平衡电桥。

4.如权利要求1所述的基于互补数字电桥的液体电导率测量系统的测量方法，其特征在于：

S1：主控单元产生激励波，传递到激励源，经输入变压器传递到平衡电桥；

S2：数字检流计对变压器输出进行采样，形成反馈值，传递到主控电路；

S3：主控电路的根据反馈值判断平衡电桥是否达到平衡状态，若平衡电桥已达到平衡状态则执行步骤S5的动作，否则执行步骤S4的动作；

S4：进行R-2R电阻网络的优化计算，调整R-2R电阻网络与待测电阻R_C和标准电阻R_S的连接结构，并重复步骤S3；其优化计算的方法为：

判断平衡电桥的输出为正时，增加标准电阻R_S支路接入的R-2R电阻网络的2R_ref支路；

判断平衡电桥的输出为负时，增加待测电阻R_C支路接入的R-2R电阻网络的2R_ref支路；

S5：采用内插算法计算电桥平衡时，R-2R电阻网络的组合开关数，调整平衡点： $n_1=\frac{V_1*(n+1)-V_2*n}{V_1-V_2}$

其中，n为组合开关数，表示有与标准电阻R_S支路连通的开关个数，V₁为组合开关数为n时，数字检流计检测得到的电压值，V₂为组合开关数为n+1时，数字检流计检测得到的电压值；

S6：根据步骤S5中计算得到的n₁值，计算等效互补电阻R₁和R₂，从而计算电导率。