基于软件温度补偿的水电导率仪控制系统设计

刘新月，林 波

（1.天津工程师范学院 电子工程学院，天津 300222；2.天津莱斯顿电子有限公司，天津 300384）

基于软件温度补偿的水电导率仪控制系统设计

刘新月，林 波

（1.天津工程师范学院 电子工程学院，天津 300222；2.天津莱斯顿电子有限公司，天津 300384）

介绍了一种具有ARM7内核的LPC2131微处理器控制系统，并使用软件进行温度漂移补偿的水电导率仪系统设计。电路电源采用的双极性脉冲电压，能够减小极化效应和电容效应对水电导率测量的影响。同时在软件上设计了一种由温度变化所引起的水电导率仪测量误差进行补偿的软件算法。该算法根据实验确定的修正系数，直接由微处理器对采集信号进行数字化修正，利用该方法较好地解决了水电导率测量过程中温度补偿的误差问题。

水电导率仪；温度补偿；双极性脉冲电压；软件算法

电解质电导率是电化学分析的重要参数，也是衡量水质的一个重要指标。采用电导率仪测量纯水具有简便、直观、易于维护等特点，被广泛应用于院校、科研、环保、医院和水站等领域测量液体介质的电导率。然而传统的电导率仪存在温度、极化效应和电容效应的影响引起的误差，制约了电导率测量仪在生产中的应用。本设计以具有ARM7内核的LPC2131为微处理器[1]，采用双极性脉冲方波作为电导率测量的激励源，减弱极化效应和电容效应对水电导率测量的影响，并利用LPC2131强大的数据计算处理能力及控制能力，通过软件对温度变化所引起的测量误差进行修正，提高了测量的精度。

1 电导率测量原理

在电解质溶液中，带电的离子在电场的影响下，产生移动的传递电子，因此具有导电作用。电导G或电导率k是电解质溶液导电能力的重要标志，电导G是电阻R的倒数，k是电阻率ρ的倒数。为了防止电极极化，激励电源需要提供交变的信号，这里采用的双极性脉冲方波，此时电解质溶液电阻为R=ρl/A，电导为G=1/R=（ρl/A）-1=kA/l。电导率k=1/ρ= 1/R·l/A=1/R·θ，其中θ=l/A称为电导池常数，即电极常数。

电导池构造示意图[2]如图1（a）所示。由于外加电压是交流，整个电极系统实际上是一个比较复杂的电阻与电容串、并联的结构，电极导电的通路可以用图1（b）所示的等效电路来表示。

图中：RL1和RL2是电极极片的引线电阻；CDL1和CDL2是由电极表面与溶液间的双电层电容；Cp是电极引线的分布电容，RX为两电极间溶液的电阻；Z1和Z2是由于极化作用引起的法拉第阻抗。因引线电阻和电解质电容很小，故忽略不计。采用高频率的双极性脉冲方波作为激励源，得到本系统测量电路[3]示意图，如图2所示。由于在激励信号的前半个周期和后半个周期，激励电流同值反向，所以被测系统中介质极化现象得以削弱。

图中，E1和E2是幅值为E恒定的正负电压源，通过模拟开关S切换产生双极性脉冲电压E。输出电压为，对正负电压分别取值，则，电导池的电阻，溶液的电导率为：

2 系统设计

本系统由单片机、电导率测量电路、AD转换电路、温度测量电路、实时时钟电路、RS485通讯、记录输出、键盘、LED显示及报警等部分组成。系统设计框图如图3所示。核心采用具有ARM7内核的LPC2131微处理器，它具有2个32 bit定时器、1个10 bit 8路ADC、6个PWM通道、47个GPIO以及9个边沿或电平触发的外部中断。

3 单片机控制的软件温度补偿

在被测对象不变的情况下，为统一和比较水质，电导率测量值通常换算成25℃的对应值，但是实际测量过程受取样流量、旁路流量及冷却装置冷却效率的影响，使得实际水样的温度经常偏离25℃，严重时甚至偏离10℃以上。溶液的电导率与溶液的温度呈非线性变化。图4所示为不同纯度的水在不同温度的一组电导率－温度曲线[4]。

因此，电导检测仪应采取合理的温度补偿措施。目前电导率温度补偿方法主要有恒温法、手动温度补偿法和自动温度补偿法3种。恒温法需要昂贵的精密恒温箱，在设定的温度下测量电导率，不适合实际应用。手动温度补偿法温度系数直接采用是2%，误差大。自动温度补偿法包括热敏电阻补偿法和拟合经验公式补偿法。其中，用软件拟合电导率和温度的经验公式直接计算比较简便和实用。较低浓度时，电导率与温度的关系可近似表示为：

式中：kt和k25为溶液温度分别在t℃和25℃时的电导率；a1和a2为溶液的电导率温度系数。计算中通常忽略a2（t-25）2，上式简化为：

由公式（3）可推导出不同温度下相对于25℃基准温度的温度系数为：

对于高纯水，电导率的温度影响是温度变化对水的密度、离子积和离子活度的综合影响的结果。不同纯度的水在不同温度下有不同的温度系数。目前，在实际应用中得以普遍承认并与图4曲线拟合最佳的数学模型[4]可以表达为：

式中：G（25）为25℃时被测纯水的电导率；K（t）为温度校正系数；G（t）为t℃时水溶液的电导率；Gp（t）为t℃时理论纯水的电导率；Gp（25）为25℃时理论纯水的电导率（其值为0.054 82 μS/cm）。K（t）和Gp（t）均为温度的非线性函数。

根据文献[5]给定的基础数据以及式（4），可以计算出理论纯水不同温度下的温度校正系数。25℃温度系数可用插值法计算得出，如表1所示。

表1 不同温度下理论纯水的电导率和温度系数

在实际应用中，利用多项式或其它已知函数，对所测得或采集到的离散数据点利用MATLAB软件进行逼近，MATLAB软件拟合的主要原理也是应用最小二乘法，不过它可以方便地进行高次拟合，不限于直线拟合。同时利用MATLAB强大的绘图功能，还可以将拟合成的曲线绘制成图，使之一目了然。MATLAB中，用函数Polyfit可以对一组数据进行定阶数的多项式拟合，拟合出来的多项式，能保证在输入数据所能达到的区间及其附近最大限度地逼近原函数。电导率和温度的关系图如图5所示。

拟合成的曲线关系式为：

温度系数和温度的关系图如图6所示。

拟合成的曲线关系为：

代入式（5），溶液的电导率即为：

4 结束语

由于温度环境对电导流率测量的影响非常大，本文开发设计了一种智能化数字化电导率仪，以具有ARM7内核的LPC2131微处理器为核心，借助数据拟合的方法，实现了软件温度补偿，减少了硬件电路的复杂性，同时使数据校正更为简洁实用。

［1］ 周立功，张华.深入浅出ARM7——LPC213*/LPC214*[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［2］ 丁和斌，张凯，黄扬明.基于C8051F单片机的电导率仪的研制[J].仪表技术，2008（2）：51-53.

［3］ 贾科进，张效伟，林波.基于单片机MSC1210的智能电导率在线测量仪[J].自动化仪表，2007（5）：43-50.

［4］ 林波.自动换档水电导率仪控制系统的设计[D].天津：河北工业大学，2007.

［5］ 迪安J A.兰氏化学手册[M].北京：科学出版社，2003.

Design of control system for water conductance instrument based on software temperature compensation

LIU Xin-yue，LIN Bo
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Sealantern Electronics Company，Tianjin 300384，China）

Design of Control System for Water Conductance Instrument controlled by LPC2131 MCU which has the control capability of ARM is introduced in this paper，and the problem which is about the temperature excursion is solved.The design adopts the bi-directional pulsed voltage as its source，which reduces the negative of capacitive and polarization effects at the electrodes.Software arithmetic is designed to compensate the offset of temperature coefficients of Water Conductance Instrument.With this method，the signal is digitally corrected by microprocessor based on the compensation coefficients determined from pretest data.The error problem of temperature compensation in the process of water conductivity measurement is better solved.

water conductance instrument；temperature compensation；bi-directional pulsed voltage；software arithmetic

book=2,ebook=84

TH832

A

1673－1018（2010）02－0023－03

2010-03-31

刘新月（1981—），女，助教，硕士，研究方向为传感器与微机自动控制.