基于无线传输的电导率变送器设计

2013-05-14肖本贤

网络安全与数据管理 2013年24期

彭超，张鹏，肖本贤

(1.安徽工程大学电气工程学院，安徽芜湖241000；2.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

目前，在工业、环保、勘探等自动控制领域中，都需要对液体成分、性质等因素进行测定分析，特别是在勘探中，其工作环境恶劣，对液体分析要求较高。而电导率是液体的基本属性，通过测量电导率对分析液体纯净度、电介质含量及带电离子浓度有着重要作用，故高精度的电导率测量非常重要。现实中电导率的应用范围较广，但对其模型进行系统分析的文章不多，本文在利用非接触式电磁感应线圈探头检测液体电导率的基础上[1-3]，讨论了电导率传感器激励信号频率变化及分布参数对测量精度的影响，并给出解决方案。考虑到勘探现场有线传输数据及调试不方便等缺点，给出了特别适合于低功耗、短距离(100m～200m)、小数据量的无线数据传输系统的设计。

1 测量原理

图1 电导率传感器及其测量等效电路

电导率传感器结构如图1所示，主要由两个线圈L1和L2组成，L1和L2是绕有相同匝数铜丝的铁氧体磁环。L1作为输入激励线圈，与交流电压源相连，L2作为输出信号线圈。测量时将其全部浸入待测液体中，被测液体则必然穿过两线圈的联通孔，形成公共圈。将被测液体看作是具有一定电阻的单匝线圈，此时如果在线圈L1两端加幅值不变的交流信号，因为液体单匝线圈穿过L1线圈，则在单匝线圈内必然有感应电流，同时也穿过L2线圈，于是在L2线圈内必然感应出输出信号。所以，通过测量线圈L2两端的电压即可通过相应计算得出待测液体的电导率。

1.1 电路模型

考虑到盛放被测液体的容器很大，测量容器中探头磁环外液体阻值与磁环内圆柱形液体阻值相比，阻值很小可以忽略不计。取圆柱形液体长度为L,截面积为S，等效电阻为R，电导率为σ，则有关系式：。

利用等效电阻R表示液体电阻，可得到传感器的电路模型，如图1所示。

图1中，R为液体等效电阻，R1为取值电阻；T1的一次绕组、二次绕组分别为 M、N（N=1）；T2的一次绕组、二次绕组分别为 N、M（N=1）。

在T1的一次绕组两端加幅值为 Ui、频率为 f的等幅交流电压信号，则必在其二次绕组感应出电压U2：

流过电阻R的电流为：i2=

R1两端电压为：U0=R1×i3

综上各式，得关系式：

由上述分析可知，运用电磁感应原理，测量液体电导率可以转化为测量液体电阻，进而转化为测量输出端电压，由于输出电压与电导率存在线性关系，通过一定线性转换，即可求出被测液体电导率。

1.2 仿真分析

为了验证理论分析的有效性，在MATLAB中对建立的电路模型进行仿真分析。

1.2.1 理想情况下的仿真分析

理想情况下的电路仿真模型如图2所示，取输入交流信号幅值为 10 V，频率为 20 kHz，M=100，N=1，R1=5 Ω，R 分别取值为 1Ω、2Ω、2.5Ω、5Ω、10Ω。

图2 理想情况下的仿真电路模型

图3中，曲线a对应等效电阻R=1Ω时的输出信号，其幅值为5 mV；曲线b对应R=2Ω时的输出信号，幅值为2.5 mV；曲线c对应R=2.5Ω时的输出信号，幅值为2 mV；曲线d对应R=5Ω时的输出信号，幅值为1 mV；曲线e对应R=10Ω时的输出信号，幅值为0.5 mV。

由仿真结果发现，输出电压幅值与液体等效电阻R之间存在较高的线性度。但是，这是在理想情况下的结果。实际中液体、传输导线都存在一定的分布参数，激励信号频率的变化对输出结果是否存在影响，分布参数的存在是否会影响到测量精度还需做进一步分析。

图3 不同电导率下的输出电压波形

1.2.2 非理想情况下的仿真分析

非理想情况下，考虑输入信号幅值为10 V，频率可变，R取1Ω，现在R的两端并联一个 1 pF的电容C，电路模型如图4所示。记录不同频率下的输出波形和输出信号幅值。

图4 非理想情况下的仿真电路模型

(1)激励信号频率为200 kHz、400 kHz、600 kHz、800 kHz、1 MHz时，输出波形如图5所示。

图5 不同频率激励信号下的输出电压波形

图5中，曲线a对应激励信号频率为200 kHz时的输出信号，其幅值为5 mV；曲线b对应频率为400 kHz时的输出信号，幅值为5 mV；曲线 c对应频率为 600 kHz时的输出信号，其幅值为5 mV；曲线d对应频率为800 kHz时的输出信号，其幅值为5 mV；曲线e对应频率为1 MHz时的输出信号，幅值为5 mV。由仿真结果可见，各输出波形峰值相同，在此频率段，输出峰值不受频率变化影响。

(2)激励信号频率为 1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz时，输出波形如图6所示。

图6中，曲线a对应激励信号频率为1 MHz时的输出信号，其幅值为5mV；曲线b对应频率为2 MHz时的输出信号，幅值为4.95mV；曲线c对应频率为3 MHz时的输出信号，其幅值为4.89 mV；曲线d对应频率为4 MHz时的输出信号，其幅值为4.82 mV；曲线e对应频率为5 MHz时的输出信号，幅值为4.72 mV。由仿真结果可见，各输出波形峰值不同，频率越高，影响愈大。实际中分布参数影响更严重，所以激励信号的频率会受到限制。

图6 不同高频激励信号下的输出信号波形

1.3 仿真结论

理想情况下，输出电压幅值与等效电阻呈线性关系；非理想情况下，输出电压幅值受到输入信号频率影响，其中低频时影响较小，频率越高，分布参数对输出电压幅值影响越大。因此，在实际应用中选取的正弦波频率不宜太高。

当输入频率高于1 MHz时，由于被测系统中分布电容存在，输出幅值将会受到分布电容的影响而削弱，如果用高频的双极性脉冲作为激励信号，在激励信号的前半个周期和后半个周期，激励电压同值反向，被测系统中的削弱现象就得到抑制[4-6]。经仿真可发现，用高频的双极性脉冲作为激励信号时，即使频率高达1 MHz、2MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz，输出值为 5mV 不变。取输入信号为5 MHz正弦波和5 MHz方波时输出波形如图7所示。因此，采用方波信号代替正弦波信号，可有效提高测量精度，减小分布参数的影响。

图7 不同激励信号源下的输出信号仿真比较

2 变送器设计

变送器硬件主要由3个模块组成，即传感器测量单元、数据处理控制单元和无线通信单元。

（1）传感器测量单元：传感元件为电导率传感器探头和温度传感器。由CPU产生的方波激励信号，经放大后送入传感器测量探头，输出信号经精密整流、偏移放大、滤波及限幅等处理后送往CPU。

（2）数据处理控制单元：从测量单元获得的电压与温度信号由CPU进行数据采集、零点与满量程校正、温度补偿等处理[7-9]，获得待测液体的电导率，同时对应输出一路4mA～20mA的标准信号。本单元核心部分为16位超低功耗的MSP430系列单片机，该单片机电源电压为 1.8 V～3.6 V，待机电流小于 1μA，在 RAM数据保持方式时耗电仅 0.1μA，在活动模式时耗电 250μA/MIPS（MIPS：每秒百万条指令数）；具备高性能模拟技术及丰富的片上外围设备，包括10/12/16位ADC、12位DAC、比较器、多个定时器、片内 USART、看门狗、片内振荡器、大量的I/O端口及大容量的片内存储器，一般单片就可以满足大多数应用需要。基于上述特点，MSP430系列单片机在温度检测、智能变送器、便携式仪表、实用检测仪器等领域得到了广泛的应用。

（3）无线通信单元：选用单片集成射频收发器芯片nRF905,可直接与各种单片机连接使用，软件编程非常方便，而且抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压 1.9 V～3.6 V，工作于 433/868/915 MHz 3个 ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650μs。nRF905功耗非常低，工作于接收模式时的电流为12.5 mA，以-10 dBm的输出功率工作时电流只有9mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，使用SPI接口与微控制器通信，配置方便。

nRF905发送数据与接收数据的流程如图8、图9所示。

图8 nRF905发送数据流程图

本文介绍了测量液体电导率的基本方法，并通过构造测量电路模型进行理论分析和仿真验证。结果表明，在理想情况下，只考虑液体为纯电阻，测量电压幅值大小与液体电导率高低呈线性关系，具有极高的线性度和精度，且不会受到输入正弦波信号频率的影响；在非理想情况下，需要考虑到液体电阻、导线等分布参数的存在。此时仿真结果表明，测量电压幅值大小与液体电导率高低仍呈线性关系，但会受到输入正弦波频率的影响，针对实际环境需要选择合适频率的正弦波激励信号。针对非理想情况下的这种影响，可选择高频双极性脉冲方波作为传感器的激励源，由于在激励信号的前半个周期和后半个周期幅值相等、极性相反，激励电流同值反向，可削弱被测系统中介质电极化现象，同时可以减弱传感器与导线分布参数的影响，可以有效提高测量精度。这里设计的基于MSP430单片机和nRF905无线模块的电导率变送器具有功耗低、测量信号稳定与精度高、重复性能好等特点，该电导率传感器已用于综合录井中测量泥浆电导率，也可用于如水质净化、液体电性能分析等领域。