CN112255460A

CN112255460A - 一种用于消除电导率分析仪信号噪声的方法及装置

Info

Publication number: CN112255460A
Application number: CN202011163862.8A
Authority: CN
Inventors: 程晓亮
Original assignee: Tianjin Embedtec Co Ltd
Current assignee: Tianjin Embedtec Co Ltd
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-01-22

Abstract

本发明公开了一种用于消除电导率分析仪信号噪声的方法及装置，其中装置包括电导率信号放大电路、基线扣除电路和自适应电路，自适应电路包括单片机和数字电位器，电导率信号放大电路的输入端与电导率传感器相连，电导率信号放大电路与基线扣除电路中的比较电路正相输入端相连，比较电路反相输入端与数字电位器相连，比较电路输出端与信号处理电路相连；电导率传感器中设有暗电流检测装置，暗电流检测装置与单片机输入端相连，单片机输出端与数字电位器相连。本发明的优点和有益效果是：将数字电位器替代机械电位器，可以通过暗电流的实时变化，来控制数字电位器的电阻值，从而实时的调整扣除的基线，保证基线扣除的精确程度。

Description

一种用于消除电导率分析仪信号噪声的方法及装置

技术领域

本发明涉及水质分析系统中的电导率分析技术领域，具体涉及用于消除电导率分析仪信号噪声的方法及装置。

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。鉴于此种情况，在日常的生产和生活过程中，对水质状况的实时分析是十分必要的。而电导率是溶液在线监控的重要指标之一，能够准确的测量监控溶液的电导率，进而分析溶液的成分有着十分重要的意义。

测量溶液的电导率的方法种类很多。从施加在传感器上的激励信号的角度进行观察，大致包括两大类：直流激励信号和交流激励信号。直流激励会带来严重的极化误差，一般应用较少。因此采用交流激励方式为主流，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。

(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。

(3)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。

(4)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。

经过大量的调研和实验，运放法在信号处理方面，具备良好的一致性，采样精度较高；但在信号处理过程中，出现一定的噪声，该噪声对最终采集的模拟信号造成了一定的干扰，该噪声严重的影响电导率分析仪的测试性能。电导率分析仪长期实时的监测水样的状况，电导率传感器同时需要长期放置水样中，特别是污染较严重的水质中，电导率传感器的探头会逐渐吸附一定的杂质，这些杂质会对仪器的信号处理造成一定的影响，在运算放大器的前级产生一定的暗电流，暗电流转换成电压信号进入到运放放大器，从而产生了一定的信号噪声。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种用于消除电导率分析仪信号噪声的方法，消除由于传感器污染而引起的暗电流。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于消除电导率分析仪信号噪声的方法，电导率传感器测量到的电导率信号经过I/V转化为第一电压信号输入电导率信号放大电路，电导率信号放大电路与基线扣除电路中的比较电路正相输入端相连，比较电路反相输入端与自适应电路相连；电导率传感器中引入暗电流检测装置，暗电流检测装置将暗电流转化成第二电压信号，第二电压信号输入自适应电路，自适应电路包括单片机和数字电位器，单片机接收第二电压信号并将其转换为串行数据字发送给数字电位器，数字电位器根据串行数据字控制电阻值，使得比较电路反相输入端的电压值是暗电流的扣除基线，暗电流产生的电压信号经过比较器后，只有电压幅值大于反相端电压时，该信号才识别为有效信号，传递给下一级信号处理电路，从而暗电流产生的基线被扣除掉。

第二电压传送到单片机中进行数模转换，转换的数字量为8位，单片机将这8位数字量通过SPI总线传至数字电位器，数字电位器收到8位数字量按高低顺序分别传至D0 D7，从而控制数字可变电位器的阻值。

单片机产生的8位数字量D0 D7，再加上两个地址位A0 A1,通过SPI总线的MOSI端口，将这10位串行数据字传送到数字电位器AAD8402的SDI(串行数据输入端)，这10位数据字的格式是：

A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

其中，A1和A2是地址，D7 D0是离子电压的数字量，A1A0为00，01时对应RDAC1和RDAC2。

单片机的时钟线SCLK连接到数字电位器的时钟线CLK处，单片机的片选端CS连接到数字电位器的CS处，当CS使能时，在时钟的每个上升沿，数据载入寄存器中，其中数字电位器使用的50MHZ时钟，在0.25μs内将RDAC1的数据装完。

数字电位器可视为可变电阻器(VR)A1端开路，W可将VR的标称阻值(RAB)分成256个分支点，对RDAC1锁存器的8位数据字译码，可确定256个可能分支点中的一个，滑动触点W滑到某一位置(DX)，相对B端的输出电阻RWB的计算公式为：RWB＝DX/256×RAB+RW，其中RW为50Ω，RAB为10KΩ，DX＝RDAC1的锁存8位数据。

本发明还提供一种用于消除电导率分析仪信号噪声的装置，包括电导率信号放大电路、基线扣除电路和自适应电路，自适应电路包括单片机和数字电位器，电导率信号放大电路的输入端与电导率传感器相连，电导率信号放大电路与基线扣除电路中的比较电路正相输入端相连，比较电路反相输入端与数字电位器相连，比较电路输出端与信号处理电路相连；电导率传感器中设有暗电流检测装置，暗电流检测装置与单片机输入端相连，单片机输出端与数字电位器相连。

本发明的优点和有益效果是：将数字电位器替代机械电位器，可以通过暗电流的实时变化，来控制数字电位器的电阻值，从而实时的调整扣除的基线，保证基线扣除的精确程度；相比机械式可变电位器，在调试的过程中精度容易控制；电阻值可随着环境温度的变化而自行调节；频繁的调试不影响寿命。

附图说明

图1为本发明实施提供的一种用于消除电导率分析仪信号噪声的装置的结构示意图。

图2为本发明实施提供的一种暗电流检测装置的结构示意图。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种用于消除电导率分析仪信号噪声的装置，包括电导率信号放大电路、基线扣除电路和自适应电路，电导率传感器测量到的电导率信号经过I/V转化为第一电压信号输入电导率信号放大电路，电导率信号放大电路与基线扣除电路中的比较电路正相输入端相连，比较电路反相输入端与自适应电路相连，比较电路输出端与信号处理电路相连；电导率传感器中引入如图2所示的暗电流检测装置，暗电流检测装置将暗电流转化成第二电压信号，第二电压信号输入自适应电路，自适应电路包括单片机和数字电位器，单片机接收第二电压信号并将其转换为串行数据字发送给数字电位器，数字电位器根据串行数据字控制电阻值，使得比较电路反相输入端的电压值是暗电流的扣除基线，暗电流产生的电压信号经过比较器后，只有电压幅值大于反相端电压时，该信号才识别为有效信号，传递给下一级信号处理电路，从而暗电流产生的基线被扣除掉。

第二电压Vo传送到单片机中进行数模转换，转换的数字量为8位，单片机将这8位数字量通过SPI总线传至数字电位器，数字电位器收到8位数字量按高低顺序分别传至D0D7，从而控制数字可变电位器的阻值。

A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

单片机的时钟线SCLK连接到AD8402的时钟线CLK处，单片机的片选端CS连接到AD8402的CS处，当CS使能时，在时钟的每个上升沿，数据载入寄存器中，其中AD8402使用的50MHZ时钟，在0.25μs内将RDAC1的数据装完。

AD8402可视为可变电阻器(VR)A1端开路，W可将VR的标称阻值(RAB)分成256个分支点，对RDAC1锁存器的8位数据字译码，可确定256个可能分支点中的一个，滑动触点W滑到某一位置(DX)，相对B端的输出电阻RWB，的计算公式为：RWB＝DX/256×RAB+RW,其中RW为50Ω，RAB为10KΩ，DX＝RDAC1的锁存8位数据。

上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种用于消除电导率分析仪信号噪声的方法，其特征在于，电导率传感器测量到的电导率信号经过I/V转化为第一电压信号输入电导率信号放大电路，电导率信号放大电路与基线扣除电路中的比较电路正相输入端相连，比较电路反相输入端与自适应电路相连；电导率传感器中引入暗电流检测装置，暗电流检测装置将暗电流转化成第二电压信号，第二电压信号输入自适应电路，自适应电路包括单片机和数字电位器，单片机接收第二电压信号并将其转换为串行数据字发送给数字电位器，数字电位器根据串行数据字控制电阻值，使得比较电路反相输入端的电压值是暗电流的扣除基线，暗电流产生的电压信号经过比较器后，只有电压幅值大于反相端电压时，该信号才识别为有效信号，传递给下一级信号处理电路，从而暗电流产生的基线被扣除掉。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二电压传送到单片机中进行数模转换，转换的数字量为8位，单片机将8位数字量通过SPI总线传至数字电位器，数字电位器收到8位数字量按高低顺序分别传至D0 D7，数字电位器根据8位数字量调整电阻值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述单片机产生的8位数字量D0 D7，再加上两个地址位A0 A1，通过SPI总线的MOSI端口，将10位串行数据字传送到数字电位器数字电位器的串行数据输入端，10位数据字的格式是：

A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述数字电位器的A1端开路，滑动触点W可将可变电阻器的标称阻值RAB分成256个分支点，对RDAC1锁存器的8位数据字译码，可确定256个可能分支点中的一个，滑动触点W滑到某一位置DX，相对B端的输出电阻RWB的计算公式为：RWB＝DX/256×RAB+RW，其中RW为50Ω，RAB为10KΩ，DX＝RDAC1的锁存8位数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单片机的时钟线SCLK连接到数字电位器的时钟线CLK处，单片机的片选端CS连接到数字电位器的CS处，当CS使能时，在时钟的每个上升沿，数据载入寄存器中，其中数字电位器使用的50MHZ时钟，在0.25μs内将RDAC1的数据装完。

6.一种用于消除电导率分析仪信号噪声的装置，其特征在于，包括电导率信号放大电路、基线扣除电路和自适应电路，自适应电路包括单片机和数字电位器，电导率信号放大电路的输入端与电导率传感器相连，电导率信号放大电路与基线扣除电路中的比较电路正相输入端相连，比较电路反相输入端与数字电位器相连，比较电路输出端与信号处理电路相连；电导率传感器中设有暗电流检测装置，暗电流检测装置与单片机输入端相连，单片机输出端与数字电位器相连。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述单片机通过SPI总线的MOSI端口，与数字电位器数字电位器的串行数据输入端相连。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述单片机的时钟线SCLK连接到数字电位器的时钟线CLK处，单片机的片选端CS连接到数字电位器的CS处。