CN2195761Y

CN2195761Y - 智能电导仪

Info

Publication number: CN2195761Y
Application number: CN 94208460
Authority: CN
Inventors: 吕继业; 许钧才; 胡丽娜; 刘合军
Original assignee: No4 Design And Research Inst Ministry Of Nuclear Industry
Current assignee: No4 Design And Research Inst Ministry Of Nuclear Industry
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1995-04-26
Anticipated expiration: 2004-04-15

Abstract

一种智能电导仪，由模拟测量电路单元和数字电路单元组成。模拟测量电路中的电导测量电路包括测量电极、方波发生器、量程自动切换电路、电容补偿电路、电流-电压转换电路和整流输出电路。本仪表具有量程自动切换、高精度大范围分布电容补偿、数字式温度补偿等优点。该仪表功能强，操作方便，仪表精度保证在每一个量程范围内为1％，同时具有上下限报警信号输出。可广泛用于化工、医药、电力、冶金等生产过程的水处理行业。

Description

本实用新型涉及一种测量电导率的装置，用于测量各种水及水溶液的电导率和含盐量，特别涉及一种智能电导仪。

国内目前生产的电导仪产品均为模拟式仪表，其测量精度一般为2～5％，仪表的功能少，温度补偿范围小，精度低，传送距离短，电极常数补偿范围窄，无量程自动切换和非线性修正，也没有采用单片机技术实现电导仪智能化。市售的电导仪，其精度只有1.5～5％，报警误差为4％，传输距离为40米。中国专利87214783.5所公开的装置，其测量电路采用分压法，这种方法的输出信号为非线性的。另外，该专利所述的仪表无量程自动切换，无电容补偿，使用功能和应用范围有限。

本实用新型的目的在于提供一种测量精度高、稳定性和可靠性好、使用范围宽的多功能智能电导仪。

本实用新型的智能电导仪，包括机架、机壳、面板、模拟测量电路板和数字电路板，其特点是模拟测量电路板上的模拟测量电路单元由电导测量电路、温度测量电路和电压－电流转换电路组成。电导测量电路由测量电极、方波发生器、量程切换电路、电容补偿电路、电流－电压转换电路和整流输出电路组成。方波发生器与量程切换电路相连，量程切换电路的一路输出与测量电极的一端相连，另一路输出与电容补偿电路相连，电容补偿电路的输出端与电流－电压转换电路相连，测量电极的另一端与电流－电压转换电路相连，电流－电压转换电路与整流输出电路相连，整流输出电路与模数转换电路相连。温度测量电路由热电阻、不平衡电桥和放大输出电路组成。热电阻与不平衡电桥相连接，不平衡电桥与放大输出电路相连，放大输出电路与模数转换电路相连接。数字电路板上的数字电路由单片机系统、模数及数模转换电路、显示及操作电路和开关量输出电路组成。

本实用新型由于引入单片机系统，使它的功能大为增加，并使其测量精度、稳定性和灵敏度等性能有较大的改进和提高。仪表可同时测量和显示电导和温度两个参数。单片机可对采样数据进行数字滤波抑制由于外界干扰引起的波动。仪表具有定时自动校验功能，能自动消除由于长期运行或元器件老化引起的漂移。

本实用新型有下列附图：

图1智能电导仪的结构示意图

图2智能电导仪的框图

图3电导测量电路和温度测量电路的框图

图4电导测量电路的电路原理图

图5运行程序的框图

下面结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

本实用新型的结构示意图见图1。图1中，1为面板，2为机架，3为机壳，4为模拟电路板，5为数字电路板，6为电源，7为端子板，8为显示器，9为操作键。

本仪表是一种以单片机为核心的智能化仪表，其组成框图见图2。仪表的工作概况如下：

模拟测量电路12将由电极10来的电导信号和由热电阻11来的温度信号分别进行测量放大，并转换为0～2V直流电压信号。该信号经A／D转换器13，转换为数字信号，通过光电隔离电路14和接口电路送入单片机15，再由单片机进行数字滤波、标度变换、温度补偿、非线性修正等运算后，将所得之电导值及温度值送数码管显示器16。同时送D／A转换器18，再经电流转换电路19转换为4～20mA直流模拟信号，作为仪表的输出信号。另外，单片机系统15还将所得之电导值与所设定的上限、下限值进行比较。当出现越限进，通过报警电路20发送越限报警接点信号。仪器还可通过面板上的操作按键17进行参数设定、显示切换、消除报警音响等操作，通过切换驱动单元21进行量程自动切换。图2中，22为电源。

模拟测量电路包括电导测量电路、温度测量电路和电压、电流转换电路三部分。电导测量电路的框图见图3，它是由测量电极23、方波发生器24、量程切换电路25、电容补偿电路28、电流－电压转换电路26和整流输出电路27组成。温度测量电路则是由热电阻29、不平衡电桥30和放大输出电路31组成。

电导测量实际上就是测量溶液中带电离子在外加电场作用下的导电性能。本仪表采用直接测量方法，即在溶液中插入一对电极（又称电导池），外加驱动电压，在两电极间流过一电流。仪表的转换电路将这一电流转换为相应的电压信号。该电压值是与液体的电导率成正比的。具体测量电路见图4。

在电导测量中，可引起测量误差的因素很多，主要因素包括电极极化、温度影响及导线间分布电容等。

为消除这些误差，本仪表在测量电路采用如下措施：

1.采用了图4中A₁运算放大器构成的方波发生器。该放大器输出的交流方波电压信号，经稳压后接入同相放大器A₂的输入端。该放大电路的输出阻抗小，减小在量程切换时负载变化对方波电源的影响，保证了电压的稳定性，并可根据不同的测量范围，调整方波电压的大小。电极驱动电压采用1KHZ方波电压。

2.在测量电路中，增加了一级量程切换电路，该电路的放大器A₃的一组输入电阻与继电器的接点相串连，通过单片机驱动继电器，改变闭合接点，从而改变加在测量电极上的电压，实现量程自动切换。每台仪表测量范围可分为2～4档，当测量值低于某一测量值时，由单片机控制自动切换到下一档，反之，切换到上一档，每档的误差均不大于该档最大值的1％。因此，一台仪表可以使用在较宽的测量范围内，并能保证测量值的测量精度。

3.仪表测量电路中增加了专门用于分布电容补偿的电容补偿电路16，可将由分布电容引起的测量误差全部补偿掉，使传感器到二次仪表的传输距离大大加长。该电路是由放大器A₄和一组并联电容组成，放大器A₄的输入端接在A₃的输出端，其放大倍数为1，A₄输出电压与A₃的输出电压大小相等，相位相反，输出电压加在一组并联的电容器上的一端，并联电容值的大小由开关来选择，电容器的另一端和电导池的一端同时接在放大器的A₅的输入端，在电导池开路时，改变并联电容值的大小，即可消除分布电容的影响，使仪表输出为零，从而实现电容补偿的作用，使测量精度不受传送距离的影响。

4.仪表通过放大器A₆、A₇组成的全波整流输出电路，输出直流电压信号，通过调节电位器，可以补偿电极常数为非标准值引起的偏差。

5.仪表增加了独立的温度测量电路，测温元件采用热电阻（如Pt100）。测量电路采用不平衡电桥，桥路由稳压电源供电，输出信号经一级差动放大和两级反相放大，输出直流电压信号，该信号与电导信号同时输入单片机，由单片机按温度补偿公式进行补偿运算。

数字电路包括单片机系统、数模及模数转换电路、显示及操作电路、开关量输出电路等部分，各部分的组成及作用如下：

1.单片机系统是由8031单片机、8155接口电路、2764程序存储器和6116数据存储器等组成，它是仪表的核心部分。其主要功能是完成电导、温度数据的巡回采集、进行数字滤波、标度变换、温度补偿、非线性修正等运算，发出量程切换、越限报警等控制信息，同时接受键盘来的外部操作信息和向显示器输出数据等。通过单片机完成数字滤波，可抵制外界干扰引起的波动。利用单片机实现温度补偿，使温度补偿范围和补偿精度显著提高。通过单片机进行标度变换，使仪表很方便的显示电导值或电阻值，显示的单位也可根据用户要求来改变。另外，显示值的小数点后的位数可随测量值的大小而变，由1到3位，从而使仪表的灵敏度，无论测量值的大小，都能保持在0.05％以下。

2.数模及模数转换电路

模数转换电路采用Mc14433双积分A／D转换芯片，其作用是将模拟电路来的电压信号转换为数字信号，转换后的数字信号经光电隔离，送单片机系统，转换精度为0.05％，速度为3～10次／秒。电导和温度信号是经多路切换开关巡回送入A／D转换器。

数模转换器采用0832 8位D／A芯片，由8031选通D／A芯片后，将电导值的8位信号经P₈口直接送入D／A转换器，经D／A转换为相应的模拟电流信号，再经放大转换电路，转换为4～20mADC信号或1～5VDC电压信号，该信号可以与各类DDZ－Ⅲ型仪表的显示器、记录仪或调节仪表等配套使用。

3.显示及操作电路

仪表显示采用4位8段共阳极数码管，显示方式采用动态扫描，由8155接口电路来的8个位线经驱动器作为显示器的段选信号，4个位线加驱动器作为位选信号，动态扫描速度为20ms。

仪表面板上有四个操作键，人工操作信号经与门逻辑电路送入8031的INT1端，作为第二中断源，通过各操作键，可实现温度、电导、电阻等显示切换，设定上下限报警值、温度补偿系数、报警方式、以及消除报警音响等。

4.开关量输出电路

仪表的上、下限报警信号接点，仪表的量程切换接点是由一组继电器输出的，这些继电器是由8031P₁口和相应的驱动器电路来控制。当出现越限情况和量程超过一定范围时，8031单片机的P₁口的控制位线，控制驱动器，使相应的继电器动作，接通外部声光信号或完成量程自动切换。

本仪表采用开关电源，输入电压为220VAC，50HZ，输出电压±12V、＋5V各一组，该电源功耗少，体积小，工作可靠，适用于智能仪表。

本仪表在技术性能和功能上较国产模拟仪表有很大提高。具体技术指标如下：

1.测量范围：0～1000μS（可根据需要任意分档）

2.温度测量范围：0～100℃

3.测量精度：≤1％分档满量程

4.灵敏度：各分档范围的0.05％

5.稳定性：0.5％分量程／24小时

6.温度补偿范围：0～100℃

7.温度补偿系数：任意设定

8.输出电流：4～20mADC

9.负载电阻：≤750Ω

10.输出接点容量：24V，3A

11.发送器传送距离：≤100米

12.电源电压：～220V±10％，50HZ

本仪表的运行程序，使用MCS－51单片机汇编语言和BASIC语言混合编写。程序分为主程序、中断服务程序和自检程序三部分。主程序包括巡回采样，数字滤波，数据处理，温度补偿，非线性修正，量程切换，越限报警，定时自检等程序。程序框图见图5。

Claims

1、一种智能电导仪，包括机架、机壳、面板、模拟测量电路板和数字电路板，其特征在于模拟测量电路包括电导测量电路、温度测量电路和电压-电流转换电路，电导测量电路由测量电极(23)、保证驱动电压稳定的方波发生器(24)、保证较小测量值时测量精度的量程切换电路(25)、可将由于分布电容引起的测量偏差全部抵消的电容补偿电路(28)、电流-电压转换电路(26)和整流输出电路(27)组成，方波发生器(24)与量程切换电路(25)相连，量程切换电路(25)的一路输出与测量电极(23)的一端相连，另一路输出与电容补偿电路(28)相连，电容补偿电路(28)的输出端与电流-电压转换电路(26)相连，测量电极(23)的另一端与电流-电压转换电路(26)相连，电流-电压转换电路(26)与整流输出电路(27)相连，整流输出电路(27)与模数转换电路(13)相连，温度测量电路由热电阻(29)、不平衡电桥(30)和放大输出电路(31)组成，热电阻(29)与不平衡电桥(30)相连，不平衡电桥(30)与放大输出电路(31)相连，放大输出电路(31)与模数转换电路(13)相连，数字电路由单片机系统(15)、模数及数模转换电路(13，18)、显示及操作电路(16，17)和开关量输出电路(20)组成。

2、按照权利要求1所述的电导仪，其特征在于方波发生器（24）由运算放大器A₁构成，该放大器输出的交流方波电压信号，经稳压后接入同相放大器A₂的输入端。

3、按照权利要求2所述的电导仪，其特征在于量程切换电路（25）的放大器A₃的一组输入电阻与继电器的接点相串连，通过单片机驱动继电器，改变闭合接点，从而改变加在测量电极上的电压，实现量程自动切换。

4、按照权利要求3所述的电导仪，其特征在于电容补偿电路（28）是由放大器A₄和一组并联电容组成，放大器A₄的输入端接在A₃的输出端，其放大倍数为1，A₄输出电压与A₃的输出电压大小相等，相位相反，并分别加在补偿电路和电导池的一端，电容补偿电路的另一端和电导池的另一端同时接在放大器A₅的输入端。

5、按照权利要求4所述的电导仪，其特征在于温度测量电路中采用不平衡电桥，桥路由稳压电源供电，输出信号经一级差动放大和两级反相放大，输出直流电压信号，该信号与电导信号同时输入单片机。

6、按照权利要求5所述的电导仪，其特征在于单片机系统（15）是由8031单片机、8155接口电路、2764程序存储器和6116数据存储器等组成；模数转换电路采用MC14433双积分A／D转换芯片；数模转换采用08328位D／A芯片，由0831选通D／A芯片后，将电导值的8位信号经P_θ口直接送入D／A转换器。