CN106053545A - 电导率分析仪系统及其控制方法 - Google Patents

电导率分析仪系统及其控制方法 Download PDF

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CN106053545A CN201610446788.8A CN201610446788A CN106053545A CN 106053545 A CN106053545 A CN 106053545A CN 201610446788 A CN201610446788 A CN 201610446788A CN 106053545 A CN106053545 A CN 106053545A
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程晓亮
李巍
于磊
徐友顺
张瑞
习宏权
郭晶晶
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Abstract

本发明公开一种电导率分析仪系统，其特征在于，由控制器模块、电导率电极、电导率信号处理模块、温度采集模块、电源模块、RS485通信模块、RS232通信模块构成；其中电导率信号处理模块由ICL8038方波发生器、OPA2704运放反馈电路、AD637真有效值电路构成；所述的电导率分析仪系统的控制方法，其特征在于，所述控制器模块(1)的工作流程包括初始化子程序、A/D转换采样子程序、控制算法子程序、控制量输出子程序、通信接口子程序。本发明克服了以往数据传输速度慢的缺陷，选用了意法半导体公司出品的STM32F103系列微处理器，32位数据串行处理，提高了数据处理的速度，保证了数据的实时性传输，具有较高的稳定性和测量准确度。

Description

电导率分析仪系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电导率分析技术领域，具体涉及一种电导率分析仪系统及其控制方法。
背景技术
二次供水作为高层用户供水的“最后一公里”，由于其管理主体不明确，甚至存在无人管理的情况，很多管理单位难以保证二次供水设施的定期清洗消毒。此外，由于二次供水设施本身的特点，如设施材质、水的存放时间、外界环境条件和人为等多方面影响，极易产生二次污染，影响供水范围内用水户饮水安全。
测量溶液的电导率的方法有很多种。从施加在电导率传感器上的激励信号的角度来看，包括直流激励信号和交流激励信号两大类。直流激励会带来严重的极化误差(将在第二章中进行分析)，一般采用交流激励为主，所采用的波形也多为双极性正弦波或方波。从使用的电导率传感器数量的角度来看，国内普遍使用双电极测量模式，而国外大都采用准确度和精度更高的四电极测量模式，在这种模式中，电流电极和电压电极各有一对，两者分开施加或测量，避免了相互干扰，能较好的提高电导率测量的精度。从使用的传感器类型的角度来看，有圆柱形电极，有平行双电极，其中平行双电极的边缘电场不均匀导致了电极常数需要使用标准溶液进行标定，而圆柱形的电极具有更加稳定均一的电场，电极常数更加稳定。从电导率测量原理上划分，大致有四种形式：
(1)平衡电桥法：电桥方法的精度比较高，适合高级实验室使用。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，并且具有较好的一致性，有类似的温漂特性，以确保高精度，采用此种测量原理的仪器有雷磁27型和D5906电导率仪器。
(2)电阻分压法：电导率传感器与固定电阻(分档可调，适应不同的量程) 串联，在施加激励信号之后，从固定电阻或者电导率传感器两侧获得电压。电压信号经由模拟信号链路处理之后，送往ADC模块采样转换，最后由MCU处理得到电导率数值。采用此种测量原理的仪器有DD-11，DDS-11A电导率仪器。(3)运放法：运算放大器的性能越来越强，可以满足高精度的设计要求，而无需使用分立元件来构建电路。运放一般配置成反相比例放大器，反馈电阻为分档可调，电导率传感器接入运算放大器的反相输入端。运放的输出端将输出和施加在电导率传感器上的激励信号成比例的输出信号。采用此种测量原理的仪器有工业电导率仪DDG-5205。
(4)频率法：利用555等构成的多谐振荡电路将电导率转换成频率信号，电极作为多谐振荡器的一部分(以电阻的身份接入)，这种方式结构简单，精度一般。温度对迁移数有较强的影响，而离子的迁移率依赖于电解质的浓度和温度，温度越高，离子的迁移率就会升高，离子的电导也越高。因此必须进行温度补偿，常见的几种补偿方法有恒温方法、手动温度补偿方法、自动温度补偿方法。随着微控制器的不断发展，自动温度补偿的成本也越来越低，实施起来也越方便。自动温度补偿中还细分了热敏电阻补偿法、参比补偿法、逐点逼近补偿等方法。
针对现有的电导率计，采集数据不是很准确，一方面，是测量时电极产生的极化电压影响测量结果，本课题采用了频率为2.6KHZ，幅值为±2V的交流方波激励信号，有效的克服了电导率电极在测量时产生的极化误差，提高了电极测量的精度。另一方面，在电路中产生的纹波影响了A/D的转换结果，本课题在AD637的外围电路中采取Sallen-Key二阶低通滤波器，有效的滤除纹波，提高了数据采集的准确性。
发明内容
针对现有电导率分析仪，数据传输速度慢，本发明选用了意法半导体公司出品的STM32F103系列微处理器，32位数据串行处理，提高了数据处理的速度，保证了数据的实时性传输。
为实现该技术目的，本发明的技术方案如下：
电导率分析仪系统由控制器模块1、电导率电极2、电导率信号处理模块3、温度采集模块4、电源模块5、RS485通信模块6、RS232通信模块7构成；其中电导率信号处理模块3由ICL8038方波发生器8、OPA2704运放反馈电路9、AD637真有效值电路10构成；电导率分析仪系统的原理示意图如图1所示。
图中各模块说明如下：
控制器模块1：该控制模块采用最新一代的嵌入式ARM处理器芯片STM32F103CB，该芯片具有高性能、低功耗、成本低等优势，通过搭配相应的外围电路即可完成相关功能。STM32F103CB控制模块如图2所示。
电导率电极2：采用HACH电导率电极，该电极的K≈1，测量范围为5～10000μS/cm，测量范围较宽；电导率分析仪的测量原理是将两块平行的电极，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电动势，然后测量极板间流过的电流，根据欧姆定律，电导率G——电阻R的倒数，是由电压和电流决定的。
电导率信号处理模块3：由ICL8038方波发生器电路8、OPA2704运放反馈电路9、AD637真有效值电路10组成。其中ICL8038方波发生器电路8为电导率电极提供频率为2.6KHZ，幅值为±2V的交流方波激励信号，有效的克服了电导率电极在测量时产生的极化误差，提高了电极测量的精度；OPA2704运放反馈电路9，利用运放间电压与电阻的线性关系，求出输入电压的值，从而得到电导率的电导量；AD637真有效值电路10，将OPA2704的输出的交流电压的有效值提取，提取的有效值为直流信号，提供给ARM芯片做A/D转换；其中AD637的外围电路采用Sallen-Key二阶低通滤波器，有效的滤除纹波，提高了数据采集的准确性。ICL8038方波发生器电路8如图3所示，OPA2704运放反馈电路9如图4所示，AD637真有效值电路10如图5所示。
温度采集模块4：温度对电导率测定的准确性影响较大，其原因是由于温度旳变化，引起了众多影响电导率值得因素变化，为了准确的测量电导率值，在仪器上添加了的温度补偿的功能；由PT100温度传感器和TL062运算放大器组 成的温度测量电路可以准确的测量当前温度；温度采集模块如图6所示。
电源模块5分为四各部分：如图7所示，12V转5V的LM7805电路如图7(a)所示；5V转3.3V的AMS1113-3.3电路(该电路给STM32F103CB芯片提供工作电压)如图7(b)所示；5V转—5V的ICL7660电路(该电路给AD549提供±5V的工作电压)如图7(c)所示；12V转-12V的ICL7662电路(该电路给AD637提供±12V的工作电压)如图7(d)所示。
RS485通信模块6：支持MODBUS协议，方便下位机多节点与上位机通信，RS485模块如图8所示。
RS232通信模块7：电路板增加RS232模块，提高了系统的兼容性，便于用户使用，RS232通信模块如图9所示。
所述控制器模块1的工作流程包括初始化子程序、A/D转换采样子程序、控制算法子程序、控制量输出子程序、通信接口子程序，其结构图如图10所示；
所述控制器模块1的控制方法步骤依次为启动系统初始化子程序自校准；A/D转换采样子程序，测量PH值；控制算法子程序、控制量输出子程序以及通信接口子程序，如图11所示；
所述A/D转换采样子程序的步骤依次包括启动A/D采样、等待采样完成、软件滤波校正、关闭A/D采样、分析警告范围及处理，如图12所示；
A/D转换采样主要涉及ADC的几个寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采样事件寄存器(ADC_SMPR)、ADC规则序列寄存器(ADC_SQR)以及ADC规则数据寄存器(ADCDR)。在ADC采样子程序中，数据采样模块主要是对输入信号进行采样，首先把模拟信号采集过来，然后单片机通过计算获得参数值后，将其存入相应的存储单元，对该参数值与其报警上限和下限值进行比较，如果该参数值超过系统所设置报警范围，则发出报警信息。
void ADC1_configuration(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure；
ADC_InitStructure.ADC_Mode＝ADC_Mode_Independent；//独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode＝DISABLE；//连续多通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode＝DISABLE；//单次转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv＝ADC_ExternalTrigConv_N
one；//转换由软件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign＝ADC_DataAlign_Right；//右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel＝1；//扫描通道数
ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure)；
ADC_Cmd(ADC1,ENABLE)；//使能或者失能指定的ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC1)；//重置指定的ADC1的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1))；//等待ADC1校准寄存器初始化
ADC_StartCalibration(ADC1)；//开始校准ADC1
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1))；//等待ADC1校准完成
}
所述控制算法子程序是整个控制器模块软件的核心部分，根据水的电导值的非线性特点，基于改进的数字Pro控制算法，采用分段式变增益Pro控制算法进行计算。此算法的思想是:根据电导率值的特性曲线，用五段相接的直线构成的折线来近似电导率值的特性曲线，本文根据这个特点设计了分段式变增益P。电导率值的高增益区控制器采用较低的比例增益，不同的低增益区控制器采用不同的高比例增益，使开环总增益为一个常数，最后与被控对象的非线性特性相补偿，实现了对电导率过程的最优控制。
分段式变增益PID控制算法中，程序首先利用采集到的数据输入判断控制器处于哪一段的增益中，然后到PID处理程序中，调用以前整理好的KP、TI、TD的参数，根据现在值、PID参数、设定值然后使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的 控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，最后得到输出控制量。控制算法的流程图如图13所示：其中KD＝KpTd/T,KI＝KpTD/T，α＝Tf/(T+Tf)。
有益效果：
1、传感器采用HACH出品的电导率电极准确性和稳定性较高，该电极的K≈1，测量范围为5～10000μS/cm，测量范围较宽。
2、微处理器采用意法半导体公司出品的STM32F103增强版芯片，该款芯片集成了A/D转换电路，有效的精简了电路，数据处理速度快。
3、电导率信号处理电路由ICL8038方波发生器电路、OPA2704运放反馈电路、AD637真有效值电路组成；其中ICL8038电路为电导率电极提供频率为2.6KHZ，幅值为±2V的交流方波激励信号，有效的克服了电导率电极在测量时产生的极化误差，提高了电极测量的精度；OPA2704运放组成的反馈电路，利用运放间电压与电阻的线性关系，求出输入电压的值，从而得到电导率的电导量；AD637真有效值电路，将OPA2704的输出的交流电压的有效值提取，提取的有效值为直流信号，提供给ARM芯片做A/D转换；其中AD637的外围电路采用Sallen-Key二阶低通滤波器，有效的滤除纹波，提高了数据采集的准确性。
4、本发明克服了以往数据传输速度慢的缺陷，选用了意法半导体公司出品的STM32F103系列微处理器，32位数据串行处理，提高了数据处理的速度，保证了数据的实时性传输，具有较高的稳定性和测量准确度。
附图说明
图1是本发明的模块结构图。
图2是本发明的控制器STM32F103CB模块的电路图。
图3是本发明的ICL8038方波发生器的电路图。
图4是本发明的OPA2704运放反馈电路图。
图5是本发明的AD637真有效值电路图。
图6是本发明的温度采集模块电路图。
图7是本发明的电源模块电路图：
a)12V转5V的LM7805电路图；b)5V转3.3V的AMS1113-3.3电路；c)5V转-5V的ICL7660电路；d)12V转—12V的ICL7663电路。
图8是本发明的RS485通信模块电路图。
图9是本发明的RS232模块电路图。
图10是本发明的系统控制器模块的工作流程图。
图11是本发明的系统控制方法的主流程图。
图12是本发明的A/D采样子程序流程图。
图13是本发明的控制算法子程序流程图。
具体实施方式
下面结合各附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
本发明为电导率分析仪系统，由控制器模块1、电导率电极2、电导率信号处理模块3、温度采集模块4、电源模块5、RS485通信模块6、RS232通信模块7构成；其中电导率信号处理模块3由ICL8038方波发生器8、OPA2704运放反馈电路9、AD637真有效值电路10构成；电导率分析仪系统的原理示意图如图1所示。
图中各模块说明如下：
控制器模块1：该控制模块采用最新一代的嵌入式ARM处理器芯片STM32F103CB，该芯片具有高性能、低功耗、成本低等优势，通过搭配相应的外围电路即可完成相关功能。STM32F103CB控制模块如图2所示。
电导率电极2：采用HACH电导率电极，该电极的K≈1，测量范围为5～10000μS/cm，测量范围较宽；电导率分析仪的测量原理是将两块平行的电极，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电动势，然后测量极板间流过的电流，根据欧姆定律，电导率G——电阻R的倒数，是由电压和电流决定的。
电导率信号处理模块3：由ICL8038方波发生器电路8、OPA2704运放反馈电路9、AD637真有效值电路10组成。其中ICL8038方波发生器电路8为电导率电极提供频率为2.6KHZ，幅值为±2V的交流方波激励信号，有效的克服了电导率电 极在测量时产生的极化误差，提高了电极测量的精度；OPA2704运放反馈电路9，利用运放间电压与电阻的线性关系，求出输入电压的值，从而得到电导率的电导量；AD637真有效值电路10，将OPA2704的输出的交流电压的有效值提取，提取的有效值为直流信号，提供给ARM芯片做A/D转换；其中AD637的外围电路采用Sallen-Key二阶低通滤波器，有效的滤除纹波，提高了数据采集的准确性。ICL8038方波发生器电路8如图3所示，OPA2704运放反馈电路9如图4所示，AD637真有效值电路10如图5所示。
温度采集模块4：温度对电导率测定的准确性影响较大，其原因是由于温度旳变化，引起了众多影响电导率值得因素变化，为了准确的测量电导率值，在仪器上添加了的温度补偿的功能；由PT100温度传感器和TL062运算放大器组成的温度测量电路可以准确的测量当前温度；温度采集模块如图6所示。
电源模块5分为四各部分：如图7所示，12V转5V的LM7805电路如图7(a)所示；5V转3.3V的AMS1113-3.3电路(该电路给STM32F103CB芯片提供工作电压)如图7(b)所示；5V转—5V的ICL7660电路(该电路给AD549提供±5V的工作电压)如图7(c)所示；12V转-12V的ICL7662电路(该电路给AD637提供±12V的工作电压)如图7(d)所示。
RS485通信模块6：支持MODBUS协议，方便下位机多节点与上位机通信，RS485模块如图8所示。
RS232通信模块7：电路板增加RS232模块，提高了系统的兼容性，便于用户使用，RS232通信模块如图9所示。
本发明的电导率分析仪系统的控制器模块1的工作流程包括初始化子程序、A/D转换采样子程序、控制算法子程序、控制量输出子程序、通信接口子程序，其结构图如图10所示；
所述控制器模块1的控制方法步骤依次为启动系统初始化子程序自校准；A/D转换采样子程序，测量PH值；控制算法子程序、控制量输出子程序以及通信接口子程序，如图11所示；
所述A/D转换采样子程序的步骤依次包括启动A/D采样、等待采样完成、软件滤波校正、关闭A/D采样、分析警告范围及处理，如图12所示；
A/D转换采样主要涉及ADC的几个寄存器:如ADC控制器(ADC_CR)、ADC的采样事件寄存器(ADC_SMPR)、ADC规则序列寄存器(ADC_SQR)以及ADC规则数据寄存器(ADCDR)。在刀D采样子程序中，数据采样模块主要是对输入信号进行采样，首先把模拟信号采集过来，然后单片机通过计算获得参数值后，将其存入相应的存储单元，对该参数值与其报警上限和下限值进行比较，如果该参数值超过系统所设置报警范围，则发出报警信息。
void ADC1_configuration(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure；
ADC_InitStructure.ADC_Mode＝ADC_Mode_Independent；//独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode＝DISABLE；//连续多通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode＝DISABLE；//单次转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv＝ADC_ExternalTrigConv_N
one；//转换由软件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign＝ADC_DataAlign_Right；//右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel＝1；//扫描通道数
ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure)；
ADC_Cmd(ADC1,ENABLE)；//使能或者失能指定的ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC1)；//重置指定的ADC1的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1))；//等待ADC1校准寄存器初始化
ADC_StartCalibration(ADC1)；//开始校准ADC1
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1))；//等待ADC1校准完成
}
所述控制算法子程序
控制算法是整个控制器模块软件的核心部分，根据水的电导值的非线性特点，基于改进的数字Pro控制算法，采用分段式变增益Pro控制算法进行计算。此算法的思想是:根据电导率值的特性曲线，用五段相接的直线构成的折线来近似电导率值的特性曲线，本文根据这个特点设计了分段式变增益P。电导率值的高增益区控制器采用较低的比例增益，不同的低增益区控制器采用不同的高比例增益，使开环总增益为一个常数，最后与被控对象的非线性特性相补偿，实现了对电导率过程的最优控制。
分段式变增益PID控制算法中，程序首先利用采集到的数据输入判断控制器处于哪一段的增益中，然后到PID处理程序中，调用以前整理好的KP、TI、TD的参数，根据现在值、PID参数、设定值然后使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，最后得到输出控制量。控制算法的流程图如图13所示：其中KD＝KpTd/T,KI＝KpTD/T，α＝Tf/(T+Tf)。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.电导率分析仪系统，其特征在于，由控制器模块(1)、电导率电极(2)、电导率信号处理模块(3)、温度采集模块(4)、电源模块(5)、RS485通信模块(6)、RS232通信模块(7)构成；其中电导率信号处理模块(3)由ICL8038方波发生器(8)、OPA2704运放反馈电路(9)、AD637真有效值电路(10)构成；
所述控制器模块(1)采用最新一代的嵌入式ARM处理器芯片STM32F103CB，通过搭配相应的外围电路即可完成相关功能；
所述电导率电极(2)采用HACH电导率电极，该电极的K≈1，测量范围为5～10000μS/cm，测量范围较宽；
所述电导率信号处理模块(3)由ICL8038方波发生器电路(8)、OPA2704运放反馈电路(9)、AD637真有效值电路(10)组成；其中ICL8038方波发生器电路(8)为电导率电极提供频率为2.6KHZ，幅值为±2V的交流方波激励信号；OPA2704运放反馈电路(9)，利用运放间电压与电阻的线性关系，求出输入电压的值，从而得到电导率的电导量；AD637真有效值电路(10)将OPA2704的输出的交流电压的有效值提取，提取的有效值为直流信号，提供给ARM芯片做A/D转换；其中AD637的外围电路采用Sallen-Key二阶低通滤波器，有效的滤除纹波，提高了数据采集的准确性；
所述温度采集模块(4)：由PT100温度传感器和TL062运算放大器组成的温度测量电路可以准确的测量当前温度；
所述电源模块(5)分为四各部分：12V转5V的LM7805电路；5V转3.3V的AMS1113-3.3电路；5V转—5V的ICL7660电路；
所述RS485通信模块(6)：支持MODBUS协议，方便下位机多节点与上位机通信；
所述RS232通信模块(7)：电路板增加RS232模块，提高了系统的兼容性，便于用户使用。
2.如权利要求1所述的电导率分析仪系统的控制方法，其特征在于，所述控制器模块(1)的工作流程包括初始化子程序、A/D转换采样子程序、控制算法子程序、控制量输出子程序、通信接口子程序；
所述控制器模块(1)的控制方法步骤依次为启动系统初始化子程序自校准；A/D转换采样子程序，测量PH值；控制算法子程序、控制量输出子程序以及通信接口子程序；
所述A/D转换采样子程序的步骤依次包括启动A/D采样、等待采样完成、软件滤波校正、关闭A/D采样、分析警告范围及处理。
3.如权利要求2所述的电导率分析仪系统的控制方法，其特征在于，A/D转换采样主要涉及ADC的几个寄存器:如ADC控制器、ADC的采样事件寄存器、ADC规则序列寄存器以及ADC规则数据寄存器；在ADC采样子程序中，数据采样模块主要是对输入信号进行采样，首先把模拟信号采集过来，然后单片机通过计算获得参数值后，将其存入相应的存储单元，对该参数值与其报警上限和下限值进行比较，如果该参数值超过系统所设置报警范围，则发出报警信息；
所述控制算法子程序：根据水的电导值的非线性特点，基于改进的数字Pro控制算法，采用分段式变增益Pro控制算法进行计算。
4.如权利要求2所述的电导率分析仪系统的控制方法，其特征在于，所述采用分段式变增益Pro控制算法的思想是:根据电导率值的特性曲线，用五段相接的直线构成的折线来近似电导率值的特性曲线，根据这个特点设计了分段式变增益P，电导率值的高增益区控制器采用较低的比例增益，不同的低增益区控制器采用不同的高比例增益，使开环总增益为一个常数，最后与被控对象的非线性特性相补偿，实现了对电导率过程的最优控制。
5.如权利要求2所述的电导率分析仪系统的控制方法，其特征在于，分段式变增益PID控制算法中，程序首先利用采集到的数据输入判断控制器处于哪一段的增益中，然后到PID处理程序中，调用以前整理好的KP、TI、TD的参数，根据现在值、PID参数、设定值然后使用微分先行PID控制和输出限幅相结合的控制方法，分别计算比例项，积分项和微分项，最后得到输出控制量。
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