CN1696716A - 工作频率可调的液体电导测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作频率可调的液体电导测量方法及其装置。方法采用直接数字合成集成电路得到频率可调的正弦信号为测量传感器提供激励，在对传感器施加一个幅度稳定的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号送到模拟乘法器进行模拟乘法运算，用一个低通滤波器对模拟乘法器的输出进行滤波得到与被测液体电导对应的直流信号。装置具有电导测量电路板和电导探头，本发明采用锁定放大技术，适用于微弱电导测量，工作频率可调，可在0－1.25MHz频率范围内对液体电导进行测量。

Description

工作频率可调的液体电导测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种工作频率可调的液体电导测量方法及其装置。

背景技术

液体的电导是液体的基本物理参数之一。液体电导测试技术广泛应用于含液物系的化工、生物、医学、环保、水利、冶金、电力等行业的科研与生产过程。

电导测试技术所针对的被测液体种类繁多，不同的液体的电导特性差异很大。常见的电导测量装置多为对传感器施加固定频率交流激励的通用型仪器，而液体在不同频率的信号激励下的交流响应往往不同，所以工作于固定频率的电导测量装置对某些种类的液体电导进行测量时灵敏度和分辨率比较低。

由于导电液体在直流电压作用下会发生极化现象，电导测量装置都是对被测液体施加交流激励来进行测量的。从原理上说，所有测量交流阻抗的方法均可测量电导，常见的有电桥法、分压法、运放法及脉冲法。工程上应用最多的电导测量方法是分压法，其优点是结构简单、量程切换方便、容易构成宽测量范围的装置等，其缺点是测量精度和灵敏度偏低(1％以上)。交流电桥法常用于高要求的实验室测量，其缺点是调整测量范围不方便。传统的液体电导测量装置在测量时工作于固定的工作频率，但液体的电导在不同频率信号激励下是不同的，采用单一频率的正弦信号对不同液体的电导进行测量很难得到高分辨率的测量结果。

虽然现有的电导测试系统对提高系统灵敏度提出了很多改进和优化措施，如提高激励信号的幅值、选用高增益的低噪声放大器、提高A/D转换器的分辨率等，但由于其设计原理的局限，对微弱的电导的测量仍然难以胜任。其根本原因在于，当传感器的输出信号变化非常微弱时，信道噪声成为显著的干扰源，信道噪声的幅值与有用信号的幅值相近或更大的情况下是不可能通过提高放大倍数来改善系统灵敏度的。

发明内容

本发明的目的是提供一种工作频率可调的液体电导测量方法及其装置。

它采用直接数字合成集成电路得到频率可调的正弦信号为测量传感器提供激励，在对传感器施加一个幅度稳定的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号送到模拟乘法器进行模拟乘法运算，用一个低通滤波器对模拟乘法器的输出进行滤波得到与被测液体电导对应的直流信号。

它具有电导测量电路板和电导探头，电导测量电路板的电路为：振荡器I依次与低通滤波电路I、放大电路I、测量电桥、放大电路II、模拟乘法器、低通滤波电路II、放大电路III、模数转换电路、单片机相接，单片机与振荡器I及振荡器II相接，振荡器II依次与低通滤波电路II及模拟乘法器相接。本发明工作频率可调，可在0-1.25MHz频率范围内对液体电导进行测量。

本发明的优点：

1)采用锁定放大技术，适用于微弱电导测量，本测量装置采用专门用于微弱小信号处理的锁定放大技术，从原理上保证了系统有较高的灵敏度和较大的动态范围。锁定放大电路采用平衡调幅的交流电压源作为电导传感器激励源，一方面削弱了采用直流信号作为系统激励源时难以解决的电极化问题，与常规的电导测量电路相比系统的信噪比大为提高；

2)采用直接数字合成集成电路产生驱动传感器的正弦激励信号和模拟乘法器的正弦参考信号，工作频率在0-1.25MHz之间调整。两片直接数字合成集成电路采用同一有源时钟驱动，以保证激励信号与参考信号频率严格一致。

附图说明

图1是工作频率可调的液体电导测量装置结构示意图；

图2是工作频率可调的液体电导测量装置电路板方框图；

图3是本发明的振荡器I原理图；

图4是本发明的低通滤波器I原理图；

图5是本发明的放大器I原理图；

图6是本发明的模拟乘法器原理图；

图7是本发明的低通滤波器III电路原理图。

具体实施方式

本发明采用锁定放大原理实现液体电导的高分辨率测量，即是在对传感器施加一个幅度稳定的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号同频率的参考信号进行模拟乘法运算，由于传感器输出信号的有效成分为与参考信号同频率的正弦信号，二者乘积的差频部分为直流信号。而各种噪声信号与参考信号的乘积为高频信号，通过低通滤波可有效抑制噪声信号的影响，得到高分辨率的测量结果。采用锁定放大原理可以有效抑制信号放大电路的噪声，传感器信号放大电路引入的信道噪声不会恶化测量电路输出信号的信噪比，从而可以通过提高传感器信号放大电路的增益实现高分辨率的测量。

若经过放大的传感器输出信号和参考信号分别为：

S(t)＝x(t)+N(t)＝A sin(ωt+θ+Φ)+N(t)   (1)

y(t)＝B sin(ωt+θ)                      (2)

则它们的互相关函数为：

$R_{\mathrm{sy}}\left(0\right)=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}S\left(t\right)y\left(t\right)d_t=\frac{1}{2}\mathrm{AB}\cos \left(\mathrm{\Φ}\right)---\left(3\right)$

从(3)式可以看出，噪声成分由于与参考信号没有相关性对相关运算的结果没有影响。锁相放大器就是通过在信号处理电路中引入一个相关环节极大地提高电路的噪声抑制能力。由于放大电路引入的信道噪声也因与参考信号没有相关性而被相关环节充分抑制，所以可以通过提高放大电路的增益来提高系统的分辨率而不需担心放大电路引入噪声。

如图1所示，工作频率可调的液体电导测量装置具有电导测量电路板和电导探头。电导测量电路板的电路为：振荡器I依次与低通滤波电路I、放大电路I、测量电桥、放大电路II、模拟乘法器、低通滤波电路II、放大电路III、模数转换电路、单片机相接，单片机与振荡器I及振荡器II相接，振荡器II依次与低通滤波电路II及模拟乘法器相接。本发明工作频率可调，可在0-1.25MHz频率范围内对液体电导进行测量。

本发明采用专门用于强噪声背景下的小信号提取的锁定放大技术把系统信噪比提高80dB以上。锁定放大电路的核心功能是对传感器输出信号进行相敏解调，相敏解调可以通过开关电路、乘法电路及数字信号处理系统来实现。本发明采用模拟乘法器集成电路AD835实现解调，电路实现简单、实用。

振荡器I和II分别以一片直接数字合成集成电路AD7008为核心构成。两片AD7008采用同一有源时钟驱动，单片机向两片AD7008的频率寄存器写入相同数据，可保证振荡器I和II的输出信号频率严格相同。振荡器I的输出经过低通滤波器I滤波和放大器I放大后给电导测量传感器提供激励。

电导传感器电路的结构为两个有效阻抗的串联分压电路，由电导探头连接导线、电极、被测溶液的等效阻抗构成的综合阻抗和一个采样电阻串联而成。电导传感器的有效输出是一个微弱的正弦信号，由于传感器在高频信号激励下不能视为一个纯电阻以及热噪声的影响，传感器的实际输出包含一些噪声成分。传感器的输出经过放大器II放大后送到模拟乘法器的输入端I。

如图3所示，振荡器I是以直接数字合成集成电路AD7008为核心构成。以直接数字合成集成电路AD7008核心构成，AD7008第3脚、第17脚、第28脚、第39脚接5V电源，AD7008第7脚、第18脚、第29脚、第37脚、第43脚、第8脚、第9脚、第10脚、第11脚、第12脚、第13脚、第14脚、第15脚接数字地，AD7008第1脚、第2脚、第4脚、第31脚分别通过电阻(R1)、(R2)、(R3)及(R5)接数字地，AD7008第5、6引脚分别通过电容(C1)、(C2)接5V电源，AD7008的第19脚、第20脚、第21脚、第22脚、第23脚、第24脚、第25脚、26脚分别与单片机数据总线的AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7相接，AD7008的第16脚与单片机的/WR脚相接，AD7008的第27脚与单片机第1脚相接，AD7008第32脚、第33脚、第34脚、第35脚、第36脚、第38脚分别与单片机第2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚相接，AD7008的第30脚与有源时钟的第5引脚相接，AD7008其它脚悬空。有源时钟的第4脚接电源地，有源时钟的第8脚接5V电源，有源时钟其它脚悬空。R1、R2为50欧姆金属膜电阻，R3、R6为1000欧姆金属膜电阻，C1、C2为0.1uF瓷片电容。

振荡器II是以直接数字合成集成电路AD7008为核心构成，其工作原理与振荡器I相同。

经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的同频率的参考信号进行模拟乘法运算，由于传感器输出信号的有效成分为与参考信号同频率的正弦信号，二者乘积的差频部分为直流信号，而各种噪声信号与参考信号的乘积为高频信号。模拟乘法器的输出端与低通滤波器III的输入端相接，低通滤波器III的输出为其幅度与传感器的有效输出成线性关系的直流信号。此直流电压信号的大小反映了被测液体电导的大小。此直流信号被模数转换电路采样，模数转换电路的输出的数字量由单片机存储、数字滤波并通过RS232接口传送到上位计算机。

如图4所示，低通滤波器I的电路结构为：电阻R1的第一脚接输入信号，R1的第2脚与C1的第一脚及L1的第一脚相接，L1的第二脚与L2的第一脚及C2的第一脚相接，L2的第2脚与C3的第1脚、R2的第1脚相接，C1的第2脚、C2的第2脚、C3的第2脚、R2的第2脚接地。L2的第2脚同时做为滤波器的输出引线。

低通滤波器II与低通滤波器I电路结构及元件参数相同。

如图5所示，放大器I以集成电路芯片NE592为核心构成。NE592的第14脚接输入信号正端，第1脚接输入信号的负端；第4脚依次通过电阻R核电感L与第12脚相接；第10脚接+5V电源，第5脚接-5V电源；第8脚接电容C16的第1脚，C16的第2脚与电阻R19的第1脚相接；第10脚接电容C17的第1脚，C17的第2脚与电阻R20的第1脚相接；电阻R19的第2脚及电阻R19的第2脚接地；C16的第2脚为滤波器的正输出端，C17的第2脚为滤波器的正输出端。

放大器II、放大器III的电路结构与放大器I相同。

如图6所示，模拟乘法器以集成电路AD835为核心构成。AD835的第3脚接-5V电源，第6脚接+5V电源；第1脚和第2脚分别接放大器II的正输出端、负输出端；

第8脚和第7脚分别接放大器III的正输出端、负输出端；第5脚接电阻R1的第1脚，R1的第2脚接电阻R2的第1脚并与AD835的第4脚相接，电阻R2的第2脚接地。

如图7所示，低通滤波器III的电路为典型的三阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为20Hz.。

Claims (3)

1.一种工作频率可调的液体电导测量方法，其特征在于，它采用直接数字合成集成电路得到频率可调的正弦信号为测量传感器提供激励，在对传感器施加一个幅度稳定的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号送到模拟乘法器进行模拟乘法运算，用一个低通滤波器对模拟乘法器的输出进行滤波得到与被测液体电导对应的直流信号。

2.一种工作频率可调的液体电导测量装置，其特征在于它具有电导测量电路板和电导探头，电导测量电路板的电路为：振荡器I依次与低通滤波器I、放大器I、传感器、放大器III、模拟乘法器、低通滤波器III、A/D转换器、单片机相接，单片机与振荡器I、振荡器II相接，振荡器II依次与低通滤波器II、放大器II及模拟乘法器相接。

3.根据权利要求1所述的一种频率可调的液体电导测量装置，其特征在于所说的振荡器I：以直接数字合成集成电路AD7008为核心构成，AD7008第3脚、第17脚、第28脚、第39脚接5V电源，AD7008第7脚、第18脚、第29脚、第37脚、第43脚、第8脚、第9脚、第10脚、第11脚、第12脚、第13脚、第14脚、第15脚接数字地，AD7008第1脚、第2脚、第4脚、第31脚分别通过电阻(R1)、(R2)、(R3)及(R5)接数字地，AD7008第5、6引脚分别通过电容(C1)、(C2)接5V电源，AD7008的第19脚、第20脚、第21脚、第22脚、第23脚、第24脚、第25脚、26脚分别与单片机数据总线的AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7相接，AD7008的第16脚与单片机的/WR脚相接，AD7008的第27脚与单片机第1脚相接，AD7008第32脚、第33脚、第34脚、第35脚、第36脚、第38脚分别与单片机第2脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚相接，AD7008的第30脚与有源时钟的第5引脚相接，AD7008其它脚悬空。有源时钟的第4脚接电源地，有源时钟的第8脚接5V电源，有源时钟其它脚悬空。

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