CN110672679A - 土壤电位梯度测量仪 - Google Patents

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Abstract

一种土壤电位梯度测量仪，包括双积分的A/D转换电路、数据处理及数字显示电路；所述双积分的A/D转换电路包括ICL7135电路、CLK及负5V电路、基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和采集探头输入电路，所述ICL7135电路分别与CLK及负5V电路、基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和基准电容和采集探头输入电路连接；所述数据处理及数字显示电路由单片机和显示模块组成，单片机的输入端口接收双积分的A/D转换电路的输出端传送的控制数码，单片机的输出端口与显示模块连接。本发明为测定土壤中的电位差的数字毫压表，其利用测得的土壤电位差与杂散电流的关系实现对土壤中金属构筑物的监测保护。

Description

土壤电位梯度测量仪
技术领域
本发明属于土地电位梯度的测试装置，特别涉及一种土壤电位梯度测量仪。
背景技术
土壤中存在不按照规定途径移动的电流，即杂散电流。它来自外加电流阴极 保护系统，轨道交通系统，DC开矿以及焊接系统，高压DC、AC传输线路。杂散 电流有动态与静态之分，随时间变化大小或方向的为动态杂散电流，不发生改 变的为静态杂散电流。这种在土壤中的杂散电流会通过地下金属构筑物的某一 部位进入地下金属构筑物，并在地下金属构筑物中移动一段距离后在从地下金 属构筑物中离开回到土壤中，这些电流离开地下金属构筑物的地方就会发生腐 蚀，也因此被称为杂散电流腐蚀。
形成杂散电流腐蚀的原因是土壤中存在电位梯度。存在电位梯度，那么金属 内部的自由电子会在电场力的作用发生定向移动，使金属阳离子与电子分离， 从而造成对埋地金属构筑物的腐蚀。另外由于存在着电位梯度，电场会迫使部 分电流从地下金属构筑物中流出并流入土壤和其它地下金属构筑物中，然后再 使电流从地下金属构筑物中流出，流向大地再返回到电源的负极，形成对地下 金属构筑物的杂散电流腐蚀。
发明内容
本发明专利的目的就在于提供一种土壤电位梯度测量仪，该测量仪为测定土 壤中的电位差的数字毫压表，其利用测得的土壤电位差与杂散电流的关系实现 对土壤中金属构筑物的监测保护。
如上构思，本发明的技术方案是：一种土壤电位梯度测量仪，其特征在于： 包括双积分的A/D转换电路、数据处理及数字显示电路；所述双积分的A/D转 换电路包括ICL7135电路、CLK及负5V电路、基准电压的控制电路、积分反积 分电容电路和采集探头输入电路，所述ICL7135电路分别与CLK及负5V电路、 基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和基准电容和采集探头输入电路连 接；所述数据处理及数字显示电路由单片机和显示模块组成，单片机的输入端 口接收双积分的A/D转换电路的输出端传送的控制数码，单片机的输出端口与 显示模块连接。
所述ICL7135电路的CREF+和CREF-两脚之间连接基准电容C6。
所述ICL7135电路设计以采集2000mV的信号，VCC＝5V；GND＝0V为标准设计 的。
所述CLK及负5V电路由CD4060BM芯片和负5V电源发生电路组成，CD4060BM 芯片的输出端与负5V电源发生电路的输入端连接且CD4060BM芯片与和负5V电 源发生电路分别与ICL7135电路连接。
所述基准电压的控制电路为ICL7135电路提供基准电压。
所述采集探头输入电路包括测量模拟值的探头正极Probe+和探头负极 Probe-，探头正极Probe+与ICL7135电路上的脚ICL7135_IN+连接且连接线路 上连接电阻R12和R13，探头负极Probe-与ICL7135电路上的脚ICL7135_IN- 连接，两条连接线路之间连接电阻R11和电容C11。
所述数据处理及数字显示电路的单片机采用STC10F04XE其PO端口连接到 显示模块的数据端子用于传输LCD显示数据、RST端口连接到模拟开关控制端子 来控制电压输入、P1.0端口接ICL7135电路的CLK端产生时钟信号、P1.3端口 接ICL7135电路的使能端控制A/D是否能够工作、P1.1、P1.2和P1.4端口接 ICL7135电路的UNR欠量程状态输出端、18脚和19脚外接12MHZ晶振，P2.4-P2.7 接ICL7135输出的BCD码4个端口。
所述数据处理及数字显示电路的显示模块采用LCD1602，其中1脚接GND； 2脚接+5V；3脚VL接10K变阻器再接地，用于调节显示的对比度；4脚RS是其 数据,指令选择控制端；5脚RW是读写端；6脚E是其使能端，由单片机控制；7-14 脚是LCD1602的数据和指令传输终端，接到单片机的P0口；15脚接+5V；16脚 接地，提供背光灯。
所述CD4060BM芯片是一个14级二进制串行计数器。
本发明为测定土壤中的电位差的数字毫压表，其利用测得的土壤电位差与 杂散电流的关系实现对土壤中金属构筑物的监测保护。
使用本发明，包括便携式Cu/CuSO4参比电极可直接用来对土壤进行电位梯 度测量。在测量土壤电位时，将Cu/CuSO4电极体轻轻地放到土壤表面，只要使 CuSO4电极的最下端和土壤有接触即可，在测量过程中应尽量靠近埋在土壤中的 地下管道，这样可以很大程度的减小管地电位的影响。
附图说明
图1是本发明的使用方法示意图；
图2是ICL7135电路原理图；
图3是CLK及负5V电路的电路图；
图4是基准电压的控制电路图；
图5是积分反积分电容连接图；
图6是基准电容电路图；
图7是采集探头输入电路图；
图8是数据处理及数字显示电路的控制流程图；
图9是数据处理及数字显示电路的单片机原理图；
图10是显示模块LCD1602管脚图；
图11是数据处理及数字显示电路的输出显示流程图；
图12显示模块LCD1602的原理图；
图13是本发明的程序流程图。
具体实施方式
一种土壤电位梯度测量仪，包括双积分的A/D转换电路、数据处理及数字 显示电路；所述双积分的A/D转换电路包括ICL7135电路、CLK及负5V电路、 基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和采集探头输入电路，所述ICL7135 电路分别与CLK及负5V电路、基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和基 准电容和采集探头输入电路连接；所述数据处理及数字显示电路由单片机和显 示模块组成，单片机的输入端口接收双积分的A/D转换电路的输出端传送的控 制数码，单片机的输出端口与显示模块连接。
如图2、6所示：ICL7135电路是双积分的A/D转换电路的核心，是一款精 度为四位半的双积分A/D转换器，其双积分精度可达到20000±1的计数精度， 该具有转换精度高、抗干扰能力强，能够与为控制器系统相连接。
在本发明中的ICL7135的电路设计以采集2000mV的信号，VCC＝5V；GND＝0V 为标准设计的。
ICL7135电路的CREF+和CREF-两脚之间连接基准电容C6。
如图3所示：CLK及负5V电路由CD4060BM芯片和负5V电源发生电路组成， CD4060BM芯片的输出端与负5V电源发生电路的输入端连接且CD4060BM芯片与 和负5V电源发生电路分别与ICL7135电路连接。
CD4060BM芯片是一个14级二进制串行计数器，利用外部4M晶振产生4MHz 的频率。当RST(CD4060BM芯片的12号引脚)为高时，对Q(4-14)进行清零 (无信号输出)；当RST为低时，进入计数器模式。CD4060BM芯片的Qn输出频 率为：
Figure BDA0001715870200000041
本电路Q6脚输出125KHZ，满足ICL7135电路CLK的需求。同时提供负5V 电压发生电路的输入端。
负5V电压发生电路工作原理，如图3所示，当三极管截止的时候，电容C4 和二极管D3导通，C4在正在充电，假设这时电容C4的正极为+5V，负极为0V (这时正极引脚-负极引脚＝+5V)；而当三极管导通时，电容C4的正极接地为 0V，因为电容两端的电压不能突变(电容C4的正极引脚-负极引脚仍然满足+5V) 的原因，所以电容C4负极的电压为-5V，并且电容C4负极电压低于电容C5负 极电压的时候二极管D1导通，稳压管D2进入稳压状态，其中电容C5充当储能 加滤波的作用。
Q6控制Q1(8050三极管)的集电极和发射极之间以125KHz的频率导通和 截止，在ICL7135_V-产生一个稳压在-5V的负电压，提供给ICL7135(注：在外 部没有负电源的情况下采用该电路，如果外部有负电源的情况下可以忽略该电 路，直接接上-5V电源。)。
如图4所示：基准电压的控制电路作用为给ICL7135电路提供稳定的、精 度高的、温漂小的基准电压，改变该基准电压可对测量值进行比例调节。根据 数据手册资料提供的测量最大值为20000个脉冲数(COUNT)，采集电压VIN的量 程与基准电压VREF之间的关系为：
VIN＝2VREF
脉冲数量关系为：
Figure BDA0001715870200000042
当VIN＞2VREF时会超出最大量程，根据上式可知当VREF取得较大时灵敏度不 高，精度较高，反之VREF取值较小时灵敏度会很高且精度不高。在该基准电压的 不稳定将会导致ICL7135采集的到的数据误差大、不稳定的数据，该电路影响 电压采集装置的性能和质量。
当需要200mV的采集装置，所以设置基准电压VREF为100毫伏。
如图5所示：积分电容C8品质影响电压采集装置在测量一个稳定不变化的 直流电压源时，会因为电容自身消耗部分电荷而且消耗电荷时大小不固定，而 造成积分和反积分时的脉个数无法达到固定的比例。在连续测量时得出的结果 会发生跳动的情况，且误差会较大。该电容的电压采集装置的品质和质量，按 照ICL7135的数据手册提供的资料显示，该积分电容的性能不好将会导致非线 性误差的增加，这个电容需要采用介质损耗系数非常小的聚丙烯电容或者聚四 氟乙烯，C8所选择的电容可以选择聚四氟乙烯、聚丙烯电容，对于要求不高的 可采用聚酯电容。
如图7所示：采集探头输入电路包括测量模拟值的探头正极Probe+和探头 负极Probe-，探头正极Probe+与ICL7135电路上的脚ICL7135_IN+连接且连接 线路上连接电阻R12和R13，探头负极Probe-与ICL7135电路上的脚ICL7135_IN- 连接，两条连接线路之间连接电阻R11和电容C11。
ICL7135电路上的ICL7135_IN+和ICL7135_IN-两脚之间支持最大为(VCC- 到VCC+)的耐压值即(-5V到+5V)。
探头上各种不同最大电压值的外部电路电阻R11和R12接入的计算：
例如：因为该芯片最大的计数量程是20000(固定的)，而且设置VREF＝100mV 时。
通过公式VIN＝2VREF关系计算，VIN＝200mV，那么在R11上的电压最大应为 200mV。通过图3-7联立方程组代入上图中电阻的数值，计算 得出Probe探头可以测量±2V以内的电压数值。
通过上述关系我们可以通过改变VREF或者VIN的值来确定要测量的最大值，一 般情况下很少通过改变VREF来改变测量值的最大值，而是通过改变R11和R12这两 个外部电阻的关系，保证R11上的最大电压在VIN＝2VREF＝200mV范围内即可保证 测量探头上电压的转换比例和精度计数保持不变。
这样为了能够达到200mV范围内的测量，那么根据上面的计算公式
Figure BDA0001715870200000052
可以计算得出R12＝0Ω，这样即可设计200mV精度的测量装置。
如图8、9所示：所述数据处理及数字显示电路的单片机采用STC10F04XE 其PO端口连接到显示模块LCD1602的数据端子用于传输LCD显示数据、RST端 口连接到模拟开关控制端子来控制电压输入、P1.0端口接ICL7135电路的CLK 端产生时钟信号、P1.3端口接ICL7135电路的使能端控制A/D是否能够工作， 当输出为高电平时，A/D处于连续转换状态，输出为低电平时，A/D停止转换。 P1.1、P1.2和P1.4端口接ICL7135电路的UNR欠量程状态输出端、OVR超量程 状态输出端，POL负极性信号输出端。可以通过判断P1.2口信号的高低电平， 来判断输入信号是否超出量程，高电平则表示输入信号已经超过A/D转换器所 能测的信号的量程，低电平则表示信号输入正常。可以通过判断P1.4口信号的 高低电平，来判断输入信号的正负极性，为低电平表示输入信号为负，为高则 输入信号为正；18脚和19脚外接12MHZ晶振，P2.4-P2.7接ICL7135输出的BCD 码4个端口。
如图10、11所示：所述数据处理及数字显示电路的显示模块采用LCD1602，LCD1602可以同时显示32个字符。LCD1602各引脚介绍如下：
第1脚——VSS为地电源；
第2脚——VDD接5V正电源；
第3脚——VL是液晶显示器的对比度调节端，连接正电源时对比度最弱， 接地时对比度高，对比度过高时出现“重影”现象，使用中的对比度可以用一 个10K的电位器调节；
第4脚——RS是寄存器选择；
第6脚——E是使能端；
第5脚——R/W是读/写信号端；
第7～14脚——D0～D7为8位双向数据线；
第15脚——背光源正极；
第16脚——背光源负极；
由于液晶显示过程的惯性，在每个指令执行前，模块的占用标志必须保证 为低电平，以表明它没有被占用来有效地执行指令。它必须先输入显示字符的 地址，表明模块应该在什么地方显示角色。表1、2为该屏的指令组。
表1为LCD-1602的内部显示地址，表中，当写入地址是41H时，直接写入 41H不能将光标放在第二行的第二个字符中，因为显示地址的写入需要最多有效 位D7始终为高，要写入的最终数据必须为01000001B加10000000B等于 11000001B即C1H。
Figure BDA0001715870200000061
表1
LCD1602内置英文字符和数字字体，输入相应的ASCII值，则可以显示正确 的控制命令。本设计由单片机将测得电压数据传输到LCD1602显示屏并进行控 制从而得到被测电压以数字的形式显示的目的。
表2为LCD1602的指令组
如图12所示：显示模块LCD1602的1脚接GND；2脚接+5V；3脚VL接10K 变阻器再接地，用于调节显示的对比度；4脚RS是其数据,指令选择控制端；5 脚RW是读写端；6脚E是其使能端，由单片机控制；7-14脚是LCD1602的数据和 指令传输终端，接到单片机的P0口；15脚接+5V；16脚接地，提供背光灯。
如图13所示，当开始运行之后，首先判断BUSY是否为高电平，如果为低 电平则返回上一步，如果为高电平则INTO触发，TO计数器开始计数，接着进行 下一步再一次对BUSY进行判断，如果为高电平，则返回上一步，反之则通过V＝T0 计数值-1001得到所需测得电压，接着对这个电压进行正负判断，如果电压值大 于零，则在显示屏显示“+”号；如果电压值小于零，则在显示屏显示“-”号。 接着对数值再进行判断来确定显示用毫伏显示还是伏值显示，如果数值大于 9999，则用伏值显示，显示屏上在测得数值后显示“V”,如果数值小于9999， 则用毫伏值显示，显示屏上在测得数值后显示“mV”，一个周期到这结束，等 待下一次数据然后返回开始阶段。
如图1所示：本发明的使用方法是：本发明可直接用来对土壤进行电位梯 度测量。在测量土壤电位时，将Cu/CuSO4电极体轻轻地放到土壤表面，只要使 CuSO4电极的最下端和土壤有接触即可，在测量过程中应尽量靠近埋在土壤中的 地下管道，这样可以很大程度的减小管地电位的影响。测量的距离大约为1米， 接下来就可以进行电位测量。
本仪器的技术指标是：输入测量电位，0-1999.9毫伏，测量精度0.1毫伏， 液晶屏显示。
Cu/CuSO4参比电极是测试土壤电位系统中重要的组成部分之一。它主要用 于测量地下金属管道的自然电位和阴极保护电位，并测量土壤中的电位差。使 用时，用自来水水浸泡Cu/CuSO4参比电极24小时，但在放入水中时应该注意 Cu/CuSO4的电极应完全浸入水中，否则会影响测量精度。

Claims (9)

1.一种土壤电位梯度测量仪，其特征在于：包括双积分的A/D转换电路、数据处理及数字显示电路；所述双积分的A/D转换电路包括ICL7135电路、CLK及负5V电路、基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和采集探头输入电路，所述ICL7135电路分别与CLK及负5V电路、基准电压的控制电路、积分反积分电容电路和基准电容和采集探头输入电路连接；所述数据处理及数字显示电路由单片机和显示模块组成，单片机的输入端口接收双积分的A/D转换电路的输出端传送的控制数码，单片机的输出端口与显示模块连接。
2.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述ICL7135电路的CREF+和CREF-两脚之间连接基准电容C6。
3.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述ICL7135电路设计以采集2000mV的信号，VCC＝5V；GND＝0V为标准设计的。
4.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述CLK及负5V电路由CD4060BM芯片和负5V电源发生电路组成，CD4060BM芯片的输出端与负5V电源发生电路的输入端连接且CD4060BM芯片与和负5V电源发生电路分别与ICL7135电路连接。
5.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述基准电压的控制电路为ICL7135电路提供基准电压。
6.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述采集探头输入电路包括测量模拟值的探头正极Probe+和探头负极Probe-，探头正极Probe+与ICL7135电路上的脚ICL7135_IN+连接且连接线路上连接电阻R12和R13，探头负极Probe-与ICL7135电路上的脚ICL7135_IN-连接，两条连接线路之间连接电阻R11和电容C11。
7.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述数据处理及数字显示电路的单片机采用STC10F04XE其PO端口连接到显示模块的数据端子用于传输LCD显示数据、RST端口连接到模拟开关控制端子来控制电压输入、P1.0端口接ICL7135电路的CLK端产生时钟信号、P1.3端口接ICL7135电路的使能端控制A/D是否能够工作、P1.1、P1.2和P1.4端口接ICL7135电路的UNR欠量程状态输出端、18脚和19脚外接12MHZ晶振，P2.4-P2.7接ICL7135输出的BCD码4个端口。
8.根据权利要求1所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述数据处理及数字显示电路的显示模块采用LCD1602，其中1脚接GND；2脚接+5V；3脚VL接10K变阻器再接地，用于调节显示的对比度；4脚RS是其数据,指令选择控制端；5脚RW是读写端；6脚E是其使能端，由单片机控制；7-14脚是LCD1602的数据和指令传输终端，接到单片机的P0口；15脚接+5V；16脚接地，提供背光灯。
9.根据权利要求4所述的土壤电位梯度测量仪，其特征在于：所述CD4060BM芯片是一个14级二进制串行计数器。
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