肥液pH值和电导率测量仪的设计与试验

2020-06-28冯瑞珏王智东李志锋

排灌机械工程学报 2020年6期

冯瑞珏，王智东，李志锋

(1.华南理工大学广州学院电气工程学院，广东广州 510800；2.华南理工大学电力学院智慧能源工程技术研究中心，广东广州 510640)

在传统农业向精准农业转型的过程中，水肥一体化自动灌溉技术得到广泛关注并在实际农业工程中得到普及.其优势是根据农作物在不同的生长阶段所需的养分不同，精确调节肥液的浓度，促进农作物的生长，有效地利用水资源和化肥资源.水肥一体化灌溉已成为发达国家一种标准的农业现代化作业方式[1-2].

目前，为实现自动灌溉系统对肥液浓度的实时在线检测，常用电导率EC值和pH值的肥液浓度检测方法.国内外大多数自动化施肥灌溉系统均采用此检测模式.如新西兰研发的Autogrow Systems系统、美国的Intellidose系统等.李加念等[3]、袁洪波等[4]、戚艳艳[5]所设计的肥液或营养液在线自动混合灌溉系统中，通过实时检测灌溉肥液的EC值和pH值，实行按需施肥，达到高效、精确灌溉的目的.当前对水肥一体化灌溉系统的研究集中在灌溉系统的研制或各部件结构参数的优化，对肥液浓度和pH值的在线检测的相关技术还较少提及.

为提高水肥一体化灌溉中肥液浓度的测量精确度和实现肥液浓度的在线检测，文中设计一款肥液pH值和电导率测量仪，并通过试验验证其测量的准确性，测量仪可以独立使用，通过人机交互界面直观显示数值，也可通过串口将数据发送至自动化施肥系统中，可为水肥一体化灌溉系统反馈肥液浓度信息.

1 测量仪设计及原理

1.1 总体设计方案

测量仪主要由电源稳压模块、MSP430F2132单片机、EC信号调理电路、pH信号调理电路、温度采集电路、人机交互界面和2个EC/pH传感器组成，如图1所示.采用TI公司的MSP430F2132单片机为微处理器，以6 V蓄电池作为电源，通过电源稳压模块将电压转换成合适的电压为各模块供电；人机交互界面用于读取EC值和pH值，同时配置按键用于进行pH，EC的标定.pH/EC信号调理电路将从pH/EC传感器采集到的信号传送至单片机进行检测处理；温度传感器将所测肥液温度反馈至单片机，单片机按所设定的温度补偿公式对实时检测到的EC值进行温度补偿；串口传输模块可连接水肥一体化灌溉施肥系统，反馈肥液浓度信息.

图1 测量仪结构框图Fig.1 Structural block diagram of measuring instrument

1.2 测量原理

1.2.1 pH值的测量原理

测量仪采用电位分析法.电位分析法由电极和待测溶液构成原电池系统，将化学反应能量转换为电能.原电池系统产生的电压信号称为电动势E，该电动势与pH值存在线性关系，即在同一温度下，pH的数值变化1，电动势值改变59 mV，并符合式(1)所示的能斯特方程[6].

(1)

式中:E0为标准电动势；E为pH电极所产生的电动势；R为气体常数；F为法拉第常数；T为绝对温度；N为参加反应的得失电子数.

1.2.2 pH电极的选择及其温度补偿试验

基于肥液可能出现过酸或过碱的情况，选用测量范围较宽的上海罗素科技在线pH玻璃电极(型号8051).

根据式(1)，温度T作为其中的变量，使得溶液pH值与pH电极输出电动势的对应关系受到一定的影响.为了获知是否需要根据环境温度对其进行相应的补偿，进行了温度对pH值的影响试验.试验中，分别以3.13，6.86，9.18的标准pH值缓冲液、盐酸HCl和水配制出不同pH值的溶液(以25 ℃作为标准测量温度)；pH计(雷磁 pHS-3C型)所测值作为准确值；智能水浴锅(予华仪器有限责任公司生产，型号为ZKYY)提供试验中所需要的温度；数字万用表(型号为FLUKE 18B)测量pH电极所输出的电压信号.测试步骤：① 随机配制9种不同pH的溶液，在10～40 ℃范围内，以5 ℃为进阶，测量pH电极所对应的电压值，每组数据测量10次，取其平均值作为最终值，对比分析同一种溶液在不同温度下所对应电压值的差别.② 以步骤①中25 ℃所得的E-pH关系式作为经验方程，配制1份酸性溶液、1份碱性溶液和1份中性溶液，计算出在不同温度下按经验方程所对应的pH值，对比分析误差关系.

图2给出了试验中9种溶液在不同温度t下电极输出的电压值E与pH值的对应关系.所示直线为在25 ℃数值趋势线，所示方程为其经验方程.由图2可得，不同温度所测的电压值基本重合在直线上，但也有不同程度的偏离，在强酸性溶液(pH 值0～3.00)中，温度越低，偏离直线值越大.而在碱性溶液中，温度越高，偏离直线越大.表1为步骤①中25 ℃经验方程在1酸性1碱性1中性溶液中的计算结果.其中t为温度，pHA为标准值，pHC为计算值，EA为绝对误差.由表可得，pH值为4.00的酸性溶液在20 ℃以下时，误差最大为0.36；而pH值为7.00的中性溶液在整个温度测量范围内较为稳定；pH值为9.18的碱性溶液随温度的增大，误差呈变大趋势.表1所呈现结果与图2所表现的一致.

图2 不同温度下pH值与电压的对应关系Fig.2 Correspondence between pH value and voltage at different temperatures

由上述可得，温度对强酸与强碱的影响较大，而在弱酸、弱碱(pH为 6.50～9.00)影响不明显.适合农作物生长的土壤环境一般为中性或弱酸性、弱碱性为宜，pH值在6.50～7.50[7]，而温度对此范围内的影响所造成的误差均可接受.因此，测量仪在进行pH测量中忽略其温度补偿.

表1 按经验方程得出的计算结果对比Tab.1 Comparisons of calculation results based on empirical equation

1.2.3 电导率的测量原理

肥液为一种电解质溶液，电解质溶液的导电能力可以用电导G、电导率Γ表示.电导GX是溶液电阻RX的倒数，电导率Γ是电阻率ρ的倒数.RX满足电阻定律，即式(2)，因此可推导出电导率Γ(ms/cm)计算公式(3).

(2)

(3)

式中：L为电导电极两极板间距离，cm ；A为电极极板的面积，cm2，K=L/A为电极常数，电极结构确定，电极常数不变.因此可通过测量溶液的电阻/电导来确定电导率.测量仪采用电极电导率测量法，即配比溶液法电阻分压原理来测量电导率.

1.2.4 激励源频率选择与电阻分档试验

电极电导率测量法的原理图如图3所示.其中激励源E的恰当选择是测量仪精确测量的基础.为了有效避免或减少电极极化对溶液电阻测量的影响，主要采用交流激励源.而激励源的类型、频率的高低、幅度的大小，会在一定程度上影响溶液电阻测量的准确性[8-9].由式(3)可知，溶液的电导率越高，其等效电阻越小.为了更好地抑制极化效应、电容效应和利于硬件电路的设计，在文献[3]提出的激励源幅值为±3.5 V方波的基础上对电导率1.0～19.5 ms/cm范围内的溶液进行试验分析，以得出频率与溶液电阻的关系.

图3 电导率测量原理Fig.3 Principle of conductivity measurement

以SPF05 型信号发生器提供所需的方波信号，模拟测量激励源E；Tektronix TDS3052B 示波器监测分压电阻R两端的电压V、激励源E的各类参数，包括峰峰值、有效值和频率等；sension156便携式多参数测量仪为测量电导率标准值仪器.试验方法：① 利用NaCl粉末与水配制出在1.0～19.5 ms/cm范围内共195种不同电导率值的水溶液，每种以0.1 ms /cm为步进.如0，0.1，0.2 ms/cm，…；② 函数发生器提供±3.5 V、频率可调的方波信号，变换分压电阻R的阻值，使分压电阻与溶液电阻约各占激励源电压的50%，记录电导率、激励源E的频率和分压电阻的有效值，并通过分压公式求得溶液电阻RX.试验结果如图4所示.

图4 激励源频率与溶液电阻关系图Fig.4 Relationship between frequency of excitation source and solution resistance

由图4可得，电导率EC越大，等效的电阻R越小，测量所需的频率f则越大.从理论上而言，变频变阻是准确测量电导率的条件.但在试验中发现，频率较低时(低于1 kHz)电导电极的响应时间较慢，最长需要3 s.经过试验反复验证，综合考虑各项因素，统一采用高频变阻的方式进行测量.频率选用4 kHz，并在使用时通过标定的方式减小定频测量所造成的误差.根据试验数据，变阻的挡位采用8个等级，即分压电阻RX有8个不同的阻值，如表2所示.

表2 电导率分档范围与所对应的分压电阻Tab.2 Range of conductivity grade and corresponding piezoresistor

2 主要硬件电路设计

2.1 pH信号调理电路

pH电极产生的电压信号经由电压跟随器、反向加法器和反向器3个部分组成的pH信号调理电路(如图5所示)送至单片机内部集成的ADC转换器进行检测处理.信号调理电路的前置级为由运算放大器AD8667构成的电压跟随器，起缓冲隔离作用.信号调理电路的后级电路为由AD8667构成的反向加法器和反向器电路.

图5 pH信号调理电路Fig.5 pH signal conditioning circuit

2.2 EC信号调理电路

EC信号调理电路主要有电导电极激励源发生电路(参考文献[3])、分压电阻分档电路(如图6所示).

图6 分压电阻分档电路Fig.6 Piezoresistor grading circuit

根据表2的结果，构建了图6的分压电阻分档电路，主要由多路复用器ADG1408与不同阻值的分压电阻构成.当待测溶液的电导率发生变化而超出当前档位对应的范围时，则通过单片机控制ADG1408来切换相应的电阻与电极串联，从而达到分压电阻分档的目的.

3 软件设计

当测量肥液的pH与电导率时，仪器外接pH电极与电导率电极，接通电源，按下“复位”键，系统开始自检和初始化，然后进入按键标定程序.首次使用时需先对测量仪进行标定.当完成对电导率和pH的标定后，系统进入测量状态，单片机启动标定时暂存的数据，并读取A/D转换器返回数值，通过计算处理，显示在液晶屏上，待数值稳定0.5 s后，重启测量程序对溶液进行实时测量，并可选择通过串口发送数据到施肥系统中.其程序设计如图7所示.

图7 程序流程图Fig.7 Program flow chart

4 标定与验证试验

4.1 pH值的标定与验证试验

采用两点校正法来标定测量仪pH值.校正测量时，选用2种标准pH缓冲液，其pH值在25 ℃时分别为6.86和9.18.测量仪测得的电压值和标定的pH值分别为E6.86=1.29 V，pH=6.91；E9.18=1.04 V，pH=9.19.代入能斯特方程(1)得电压和pH值的关系为

pH=-8.942E+18.44.

(4)

为了验证标定方程的准确性，选取芭田中芬大量元素水溶复合肥溶解于水后的肥液作为母液，酸性调节液为HCl溶液，配制不同浓度的14种样品测量肥液的pH值.其测试结果如表3所示.pHA为标准值，pHC为测量值，EA为绝对值误差.由表3可得，较大的误差值出现在强酸性溶液(pH值为2以下)，在pH值为2以上时，最大绝对误差为0.04，满足肥液测量的需求.

表3 肥液pH测量值Tab.3 Fertilizer pH measurement

4.2 电导率的标定与验证试验

电导电极的电极常数在出厂时校准为K=10.由于测量溶液的浓度和温度不同，在使用一段时间后，电极常数K会出现变化，应重新对电极常数K进行测量与标定.为解决因电极常数K的变化引起的误差问题，目前一般采用两点标定法.经多次试验发现，进行两点标定时所选的2种溶液的电导率不同，其测量误差也有所不同.图8为电导率测量仪分别在电导率为1.26 ms/cm和5.13 ms/cm，1.52 ms/cm和6.45 ms/cm，1.67 ms/cm和8.02 ms/cm的3组NaCl溶液中进行两点标定后的测量误差，图中横坐标KA为溶液电导率标准值，纵坐标KB为测量误差.其中，对于每一组经过两点标定后的电导率测量仪，分别在0～10 ms/cm范围内随机配置27个不同电导率的芭田中芬大量元素水溶复合肥溶解于水进行测试.

由图8可知，总体上(除个别数据点外)，进行两点标定时所选的2种溶液的电导率相差越大，电导率测量仪的误差就越小；3组标定情况下的测量误差在电导率大于5.0 ms/cm时均随着溶液电导率的增大而增大；当溶液电导率小于5.0 ms/cm时，采用电导率为1.26 ms/cm和5.13 ms/cm的2种溶液进行标定后的测量误差在0～-0.2 ms/cm范围内，其他2组溶液标定后的测量误差小于±0.1 ms/cm.由于一般农作物所需的肥料浓度对应的电导率范围为0.5～4.5 ms/cm，因此电导率测量仪在进行肥液的检测误差小于±0.1 ms/cm，满足农作物肥液所允许的误差±0.15 ms/cm的需求.