智能在线电导率分析仪的设计与实现

李英

摘要

智能在线电导率分析仪是依据电导率和溶液成分的关系来测量溶液电导率的智能仪表，它广泛应用于化工、药品、食品生产、电厂及污水处理等领域。本文着重阐述了以高性能、低功耗的MSP430单片机为控制核心设计的智能在线电导率分析仪，介绍了该分析仪的测量原理和软硬件设计。

【关键词】电导率分析仪 MSP430单片机 A/D转换 脉冲激励源

近年来，随着工业生产过程现代化、自动化、智能化程度的不断提高，在线监控设备的使用也日益广泛。电导率是溶液在线监控的重要指标之一，因此，能够准确的测量监控溶液的电导率，进而分析溶液的成分有着十分重要的意义。本文以MSP430F149单片机为控制核心设计了智能在线电导率分析仪，有效降低了分析仪的体积和功耗，大大提高了分析仪的准确性和稳定性，从而满足各类环境的测试要求。

1 电导率测量原理

在电解质溶液中，带电的离子在电场的作用下产生移动从而传递电子，因此电解质溶液与金属导体一样，具有导电作用。电导率的测量原理简单说就是依据欧姆定律测定平行电极间溶液的部分电阻，但是当电流通过电极时，会发生氧化或还原反应，从而改变电极附近溶液的组成，产生极化现象，从而引起电导测量的严重误差，为此采用高频交流电测定法，可以减轻或消除上述极化现象，因为在电极表面的氧化和还原迅速交替进行，其结果可以认为没有氧化或还原发生。在电解质溶液中放入两个电极，就形成了电导池。在电极上加上电压，溶液中就有电流流过，溶液所呈现的电阻与电极间距成正比，电极的横截面积成反比，此时溶液的电导为

公式中R为溶液电阻，Ω;ρ为电阻率，Ω·cm;L为导体长度，cm;A为导体横截面积，cm²，M为电导1·Ω^-1;S为电导率，1·（Ω·cm）^-1。

则可以得到R=ρL/A，相对于电极，间距L和电极横截面积A是固定的，即L/A是一个常数，又称为电极常数K（cm^-1）。当电阻率ρ的倒数用k（μS·cm^-1）表示，可以得到溶液的电导G为：

由上式可知，电导率k=KG，即电导率与电阻的倒数G有关，只要测出溶液的电阻，通过数据处理就可以得出电导率k。因此，本次研究运用分压法测量溶液的等效电阻R，通过将溶液等效电阻R与定值电阻R₁串联接入电路，两端电压为U，测量出R两端的电压U_R，依据串联电路电阻分压求出溶液的等效电阻，公式如下所示：

2 硬件设计

智能在线电导率分析仪主要由MSP430F149单片机、双极性脉冲激励源发生电路、电导测量电路、A/D转换、通讯接口电路、人机界面等部分组成。系统工作原理是：激励源电路产生脉宽可调的双极性脉冲方波电压加到电极两端，流经电导池的电流经过后续运放电路转换为电压信号，再经过后续的信号调理电路，转换为合适的直流电压信号送入单片机的A/D转换器进行数据处理，最终得到电导率值。最后将数值输出到LCD屏幕显示。硬件设计总体结构图如图1所示。

2.1 单片机选择

本次设计选择拥有超低功耗、超强处理能力、外围设备丰富等优点的MSP430F149单片机作为系统的核心控制器，该单片机带有12位A/D转换，能够节省硬件电路，提高系统的稳定性，减少功耗，工作电压仅为1.8V～3.6V，运算能力最高可达2MIPS，满足智能在线电导率分析仪的较高处理速度的要求。

2.2 脉冲激励源电路

由于极化现象和电容效应会导致电导的测量存在误差，需要采用双极性脉冲激励源电路尽量减小此影响。本文采用可变脉宽双极性脉冲方波，进而简化了硬件电路的设计和复杂的后续调理电路。由单片机产生频率控制信号，控制模拟电子开关对正负电压源切换，通过单片机的定时器T0编程控制调节脉冲宽度，产生双极性脉冲激励源。利用单片机定时器控制产生的激励源，能够降低功耗，并且保证激励源的稳定性。

2.3 A/D转换电路

A/D转换器的作用是把模拟信号转换成数字信号，以便于后续的数据处理。A/D转换器是智能在线电导率分析仪的重要组成部分之一，A/D转换将直接影响电导率分析仪的准确性和实时性。此次设计所选用的是MSP430F149单片机，该芯片内置了一个8通道12位ADC，通过该ADC进行A/D转换，可以满足系统设计的要求。

3 软件设计

软件设计部分根据智能在线电导率分析仪的测试需求，采用C语言编程，实现电导率的测量和显示。智能在线电导率分析仪的主要任务就是完成电导率检测，软件控制主要实现的功能包括：测量程序、脉冲激励源、A/D转换、数据处理、参数设置、用户交互、 LCD显示等。智能在线电导率分析仪的程序流程为仪器启动，完成初始化后，产生可变脉宽双极性脉冲激励源，再由测量子程序完成电导的测量，对测量的模拟信号进行A/D转换，经过数据处理后在LCD屏上显示测量结果。

4 结束语

本文介紹了一种智能在线电导率分析仪，仪表采用了MSP430F149单片机，该单片机拥有丰富的片内外设资源，可节省外部资源开销，并且提高了整个电路的可靠性和稳定性。电极激励源为双极性脉冲激励源电路，能够最大限度地减少极化效应引起的测量误差，提高了电导率测量的准确度，可用于各类电导率的测量场合。

参考文献

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