CN109188099B - 一种液体电导率检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体电导率检测系统，包括交流信号激励源、基准电阻、信号处理单元、液体电阻和信号采集单元，所述信号采集单元与信号处理单元相连接，信号处理单元还连接基准电阻、液体电阻和交流信号激励源，液体电阻的另一端接地，基准电阻的另一端连接交流信号激励源，本发明的液体电导率检测系统无需检测交流信号有效值，简化了整个检测流程，降低了硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电导率检测系统，具体是一种液体电导率检测系统。
背景技术
在目前液体电导率检测仪中，普遍采用了交流信号作为其检测的激励源，在对它进行检测时，一般都是采用直接测量法对交流信号进行微观分解，该方法认为在极短时间△t内，交流信号是一个恒定不变的值，通过对交流信号进行连续采样，得出其有效值，在要求精度不高的情况下，这种办法是可行的，但是在对精度有要求的场合中，这种近似的办法并不能满足要求。当然，除了这种方式外，还可使用专门的交流信号采集芯片来获取其有效值，但由于这种芯片价格都比较昂贵，会导致应用成本大幅增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种液体电导率检测系统，以解决背景技术中提到的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种液体电导率检测系统，包括交流信号激励源、基准电阻、信号处理单元、液体电阻和信号采集单元，所述信号采集单元与信号处理单元相连接，信号处理单元还连接基准电阻、液体电阻和交流信号激励源，液体电阻的另一端接地，基准电阻的另一端连接交流信号激励源。
作为本发明的优选方案：所述交流信号激励源包括运算放大器U2A和运算放大器U2B，运算放大器U2A的脚3接地，运算放大器U2A的脚2连接电阻R1、电容C1、电容C5和运算放大器U2B的脚7，电容C5的另一端连接电阻R10，电阻R10的另一端连接激励源信号POL-PULSE和电阻R9，运算放大器U2A的脚1连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电容C1、电容C6和电阻R8，电容C6的另一端连接电阻R1的另一端和运算放大器U2B的脚6，运算放大器U2B的脚5通过电阻R7接地。
作为本发明的优选方案：所述运算放大器U2A和运算放大器U2B均为LM324D芯片内部的运放模块。
作为本发明的优选方案：所述信号处理单元包括运算放大器U2D和芯片U5，运算放大器U2D的脚12连接激励源信号POL-PULSE，运算放大器U2D的脚13连接芯片U5的脚14、运算放大器U2D的脚14和电阻R18，电阻R18的另一端连接电阻R17和运算放大器U2C的脚10，运算放大器U2C的脚8连接运算放大器U2C的脚9和芯片U5的脚12，芯片U5的脚13连接运算放大器U3A的脚3，运算放大器U3A的脚2连接二极管D2的阳极、电阻R15和电阻R12，电阻R12的另一端连接电阻R11和二极管D3的阳极，电阻R11的另一端通过电阻R14连接二极管D5的阴极、二极管D4的阴极、电阻R15和电阻R13，二极管D3的阴极连接二极管D5的阳极和运算放大器U3B的脚7，二极管D2的阴极连接二极管D4的阳极和运算放大器U3A的脚1，电阻R13的另一端连接电阻R5和电容C11，电阻R5的另一端连接电容C10和运算放大器U3C的脚10，运算放大器U3C的脚8连接电容C11的另一端、电阻R6和电阻R4，电阻R4的另一端连接电容C2和芯片U3D的脚12，芯片U3D的脚14连接芯片U3D的脚13并输出直流信号POL-AD-IN。
作为本发明的优选方案：所述运算放大器U2C和运算放大器U2D均为LM324D芯片内部的运放模块。
作为本发明的优选方案：所述运算放大器U3A、运算放大器U3B、运算放大器U3C和运算放大器U3D均为LM324D芯片内部的运放模块。
作为本发明的优选方案：所述芯片U5的型号为CD4052。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的液体电导率检测系统无需检测交流信号有效值，简化了整个检测流程，降低了硬件成本。
附图说明
图1是本发明的检测流程图。
图2为交流信号激励源的产生电路图。
图3为信号处理电路的电路图。
图4为信号采集单元的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，实施例1：一种液体电导率检测系统，包括用于产生激励源信号的交流信号激励源、基准电阻、用于信号处理功能的信号处理单元、液体电阻和用于采集信号的信号采集单元，所述信号采集单元与信号处理单元相连接，信号处理单元还连接基准电阻、液体电阻和交流信号激励源，液体电阻的另一端接地，基准电阻的另一端连接交流信号激励源。本设计所采用的电导率计算公式如下：
其中，R为电导电极的两个电极在待测液体中所对应区域的电阻，K为电导电极常数，从公式中可以看，要测量电导率σ，只需测量R即可。测量流程图如图1所示。
实施例2：在实施例1的基础上，本设计的交流信号激励源如图2所示，包括运算放大器U2A和运算放大器U2B，运算放大器U2A的脚3接地，运算放大器U2A的脚2连接电阻R1、电容C1、电容C5和运算放大器U2B的脚7，电容C5的另一端连接电阻R10，电阻R10的另一端连接激励源信号POL-PULSE和电阻R9，运算放大器U2A的脚1连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电容C1、电容C6和电阻R8，电容C6的另一端连接电阻R1的另一端和运算放大器U2B的脚6，运算放大器U2B的脚5通过电阻R7接地。在该电路中，采用一片运放芯片LM324来产生一个正弦波信号，通过改变电阻R8和电容C6的值，可对正弦波的幅值和周期进行调整，电容C5用于隔直，避免直流分量进入激励源对待检测液体产生影响，电阻R10和R9进行分压，用于对幅值进行进一步调整，最终激励源信号我们定义为：POL-PULSE，它的函数表达式为：POL-PULSE＝S＝A·sinωt，其中，A为正弦波信号的幅值，ω为角速度，
与周期成反比，在此电路中，幅值A和周期T由电阻和电容来决定。
实施例3，在实施例2的基础上，本设计的信号处理电路如图3所示，包括运算放大器U2D和芯片U5，运算放大器U2D的脚12连接激励源信号POL-PULSE，运算放大器U2D的脚13连接芯片U5的脚14、运算放大器U2D的脚14和电阻R18，电阻R18的另一端连接电阻R17和运算放大器U2C的脚10，运算放大器U2C的脚8连接运算放大器U2C的脚9和芯片U5的脚12，芯片U5的脚13连接运算放大器U3A的脚3，运算放大器U3A的脚2连接二极管D2的阳极、电阻R15和电阻R12，电阻R12的另一端连接电阻R11、二极管D3的阳极，电阻R11的另一端通过电阻R14连接二极管D5的阴极，二极管D4的阴极，电阻R15和电阻R13，二极管D3的阴极连接二极管D5的阳极和运算放大器U3B的脚7，二极管D2的阴极连接二极管D4的阳极和运算放大器U3A的脚1，电阻R13的另一端连接电阻R5和电容C11，电阻R5的另一端连接电容C10和运算放大器U3C的脚10，运算放大器U3C的脚8连接电容C11的另一端、电阻R6和电阻R4，电阻R4的另一端连接电容C2和芯片U3D的脚12，芯片U3D的脚14连接芯片U3D的脚13并输出直流信号POL-AD-IN。
激励源信号POL-PULSE经电压跟随器和基准电阻R18后，进入待检测液体，R-POL为电导电极两极之间液体的电阻，从上图中可以看出，基准电阻和R-POL对激励源信号POL-PULSE进行了分压，分压后的信号进入模拟开关CD4052的一个输入端0x，与此同时，激励源也进入了CD4052的另一个输入端1x，CD4052的控制信号POL-SW由CPU提供，当POL-SW为低电平时，CD4052的输出x＝0x,当POL-SW为高电平时，CD4052的输出x＝1x，也就是说可以通过POL-SW的信号来控制输出端x与输入端0x，1x之间的切换。CD4052的输出信号x经过后的整流和滤波电路后，得到直流信号POL-AD-IN，进入采集电路。
实施例4，在实施例3的基础上，本设计的信号采集电路如图4所示，图中，ADS1100为16位单通道AD转换器，ADS-VREF为5V基准电压，POL-AD-IN经AD采样后，由ADS-SDA,和ADS-SCL串行接口读入CPU完成信号采集。
本发明的工作原理是：本设计不需要对交流信号的幅值A进行准确测量，原理如下，
1：CPU控制POL-SW信号为高电平此时，CD4052的输出信号x接至激励信号源POL-PULSE,此后，经过全波整流和滤波电路之后，信号变为：
其中K1为全波整流电路所带来的损耗系数,A为激励正弦波信号的幅值。
2：CPU控制POL-SW信号为低电平此时，CD4052的输出信号x接至激励信号源分压后的POL-PULSE,即：
此后，经过全波整流和滤波电路之后，信号变为：
其中K1为全波整流电路所带来的损耗系数,A为激励正弦波信号的幅值。
3：由于x1和x2均为直流电压，可直接由CPU控制AD采集后得到其准确值，由表达式①和表达式②中我们可以看到，K，A，POL-PULSE这三个信号都是恒定值，通过两公式相除可以得到以下表达式：
进而得到：
通过电导率计算公式：
即：
其中，x1和x2通过AD采集可以很容易得到，R18已知，K为电导电极常数。
4：在以上检测方中，完全不必考虑交流信号A和计算常数K(这两个值需要通过复杂硬件电路和软件算法来得到)，另外，由于两个信号x1和x2在后续处理中共用了硬件电路，通过表达式③这种除法，有效消除了这部分电路本身由于温度、器件精度等带来的误差，保证了最终数据的准确性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种液体电导率检测系统，包括交流信号激励源、基准电阻、信号处理单元、液体电阻和信号采集单元，其特征在于，所述信号采集单元与信号处理单元相连接，信号处理单元还连接基准电阻、液体电阻和交流信号激励源，液体电阻的另一端接地，基准电阻的另一端连接交流信号激励源；交流信号激励源包括运算放大器U2A和运算放大器U2B，运算放大器U2A的脚3接地，运算放大器U2A的脚2连接电阻R1、电容C1、电容C5和运算放大器U2B的脚7，电容C5的另一端连接电阻R10，电阻R10的另一端连接激励源信号POL-PULSE和电阻R9，运算放大器U2A的脚1连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电容C1、电容C6和电阻R8，电容C6的另一端连接电阻R1的另一端和运算放大器U2B的脚6，运算放大器U2B的脚5通过电阻R7接地；运算放大器U2A和运算放大器U2B均为LM324D芯片内部的运放模块；信号处理单元包括运算放大器U2D和芯片U5，运算放大器U2D的脚12连接激励源信号POL-PULSE，运算放大器U2D的脚13连接芯片U5的脚14、运算放大器U2D的脚14和电阻R18，电阻R18的另一端连接电阻R17和运算放大器U2C的脚10，运算放大器U2C的脚8连接运算放大器U2C的脚9和芯片U5的脚12，芯片U5的脚13连接运算放大器U3A的脚3，运算放大器U3A的脚2连接二极管D2的阳极、电阻R15和电阻R12，电阻R12的另一端连接电阻R11和二极管D3的阳极，电阻R11的另一端通过电阻R14连接二极管D5的阴极、二极管D4的阴极、电阻R15和电阻R13，二极管D3的阴极连接二极管D5的阳极和运算放大器U3B的脚7，二极管D2的阴极连接二极管D4的阳极和运算放大器U3A的脚1，电阻R13的另一端连接电阻R5和电容C11，电阻R5的另一端连接电容C10和运算放大器U3C的脚10，运算放大器U3C的脚8连接电容C11的另一端、电阻R6和电阻R4，电阻R4的另一端连接电容C2和芯片U3D的脚12，芯片U3D的脚14连接芯片U3D的脚13并输出直流信号POL-AD-IN；运算放大器U2C和运算放大器U2D均为LM324D芯片内部的运放模块；运算放大器U3A、运算放大器U3B、运算放大器U3C和运算放大器U3D均为LM324D芯片内部的运放模块；芯片U5的型号为CD4052。
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