便携式电导率测试仪的设计

2012-10-16张俊龙方卫娟李春燕

科技传播 2012年21期

顾涵，庞盼，张俊龙，方卫娟，李春燕

常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏常熟 215500

近年来，随着电力、石油化工等行业的工业生产过程自动化与智能化程度的不断提高，水质分析和水质监督工作与设备的安全经济运行、技术进步和环境保护等方面的联系愈加密切，电导率的测量得到了广泛的应用。本文结合实际工业应用特点，以51单片机为控制核心，设计了一款具有测量精度高、方便携带、成本低等优点的电导率测试仪。

1 测量原理和系统设计

电导率是以数字表示溶液传导电流的能力。溶液的电导率与其所含无机酸、碱、盐的量有一定的关系，当它们的浓度较低时电导率也较低，电导率随着浓度的增大而增加。电导（G）是电阻（R）的倒数，两个电极插入溶液中，可以测出电极间的电阻R，从而测出电导。电解质溶液的电导率（K）指相距1cm的两平行线电极间充以1cm3溶液时所具有的电导，根据公式G=1/R=K*(1/J)以及电极常数（J）就可以测出电导率。

设计中我们采用51系列AT89C51单片机作为控制核心，人机对话部分包括显示、按键、声光报警三部分，采用单片机串口通信。数据采集包括方波发生、电流电压转换和模数转换三部分。在基本功能实现的基础上，还可以加入温度采集模块。

2 硬件设计

我们重点对电导率数据采集部分的电路进行设计，主要分为方波发生、电流电压转换和模数转换三部分。

2.1 方波发生电路

图1 方波发生电路

由于直流电压供电会产生介质极化现象，溶液电导率的测量必须采用交流激励进行供电。我们采用双极性脉冲为电导池提供激励（电源信号），采用高频率的双极化脉冲作为激励源，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，被测系统的介质极化现象就得以削弱。

方波发生电路如图1所示，MC1403为2.5V精密电压基准源，误差范围为25mV，因为输出单一，所以接法简单。2.5V经过射极跟随器到+2.5V电压，另一路2.5V经反向比例，得到-2.5V电压，反向比例增益为1。正负2.5V电压分别接到模拟开关两个通道，模拟开关选用八选一CD4051型。

2.2 电流—电压转换部分

图2 电压电流转换电路

电流-电压转换电路如图2所示，在理想运放条件下，输入电阻Ri=0，输出电压为-Is*Rf。Rs比Ri大的愈多，转换精度愈高。我们选用OP07实现电流-电压转换，电阻Rf由CD4501根据溶液的电导率选择不同的值。电流信号经过电流电压转换电路，把溶液的电流值转换为电压值。

2.3 模数转换部分

图3 AD-TCL549模数转换电路

数据采集要用到模数转换，如图3所示，在一些情况下可以V/F考虑利用幅频变换进行AD转换，这种方法也可以得到模拟信号的数字量。TLC1549系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的模数转换器。参考电压的低端接地，参考电压高端接VCC即DC5V，分辨率为10位，最小分辨电压为4.8mV，输入信号为0V～5V电压信号，数字量范围0-1023，供单片机处理。