基于电导率测量的水纯度检测系统设计

郭 峰，崔永俊，韩一德

(中北大学仪器与电子学院，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，电子测试技术国防科技重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

国家对工业纯水和饮用纯水的电导率都有相对应的要求。可见电导率作为一个重要的参数在检测水纯度中起着关键作用。常见的电导率测量方法包括电极法、电磁法和超声波检测法[1]。其中电极法因为其测量简单、测量范围广而备受市场的青睐。电极的极化效应和温度是影响电导率测量的2个重要的因素[2]。本次设计的电导率检测系统中测量探头采用四电极结构，可以有效地避免极化效应。同时利用Pt100温度传感器实时检测溶液温度，通过软件进行温度校正和补偿。

1 系统整体设计

根据实际需求，本设计采用四电极法进行电导率的测量，包括四电极传感器探头、信号源激励模块、量程切换模块、信号调理模块、采集处理模块及上位机。

在实际的测量过程中，需将传感器探头完全浸入被测液体内，且禁止和容器壁有接触。激励信号源提供一定频率的正弦交流信号到传感探头的1，4电极。此时在2，3感应电极中产生压降，结合传感探头电极的电极特性，电导率为

(1)

式中：k为溶液电导率；I1,4为1、4驱动电极输入电流；U2,3为2、3感应电极输出电压；K为电极常数，经标准液测试，本探头电极常数K为1.2。

信号调理模块负责将2，3极输出感应电压解调，数据采集处理模块同时采集温度信号和解调信号，将对应信号分别处理后传入上位机来显示结果。系统的结构示意图如图1所示。

图1 系统结构图

本次设计中采用的环状四电极式探头如图2所示。相较于传统的片状、针状电极，环状电极具有接收信号强、极化面积小等优势[3]。

图2 四环电极探头

传感器探头棒体采用聚醚醚酮材料，具有耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能。电极采用材质为99.99%的纯度铂金，具有不易氧化的特性。且铂属于惰性金属，具有很强的导电性的同时本身不参与电极反应，被广泛运用于电导率测量中。传感探头后方金属壳内壁置有贴片式Pt100温度传感器，便于实时准确地采集被测溶液温度。

2 硬件设计

2.1 信号调理电路

感应电极输出信号为交流电压信号，不便于直接采集，这里在信号采集前设计了信号调理电路，将交流信号中有用的直流分量提取出来。包括差分接收电路、同步解调、低通滤波电路及放大电路。

2.1.1 差分接收电路

为了保证测量精度，这里设计了差分接收电路用于接收感应电极输出的电压信号。电路如图3所示。

图3 差分接收电路

差分接收电路采用3个运算放大器AD8001。AD8001为低功耗、高速运算放大器，适合用于信号调理与数据采集[4]。放大器U1、U2作为电压跟随器，采集感应电极两端信号，起到了提高放大电路的输入阻抗，隔离放大电路并增加抗干扰能力的作用。为了避免信号源输出阻抗较低而导致的信号衰减，R3，R4选用5.6 kΩ电阻来实现阻抗匹配。U3将2路差分信号单端输出，为满足后续解调电路需求，这里R9选用1 kΩ电阻，输出信号幅值与原信号相同。

2.1.2 同步解调电路

同步解调电路以四象限电压输出型模拟乘法器AD835为核心。AD835适用于高速乘除法、宽带调制和解调及相位检测和测量。由于其外围电路简单，常用于各种信号处理应用。

正常工作采用±5 V双电源供电。AD835乘法器主要由高阻抗差分X、Y输入端、高阻抗求和输入端Z以及低阻抗电压输出端W组成。其传递函数为

(2)

式中：U为电压调节系数，电路中电阻R1=20R2，保证电压调节系数为1；同时Z端接地，此时Z为0。

同步解调电路如图4所示。

图4 同步解调电路

差分接收电路将差分信号变为单端信号，由AD835的X1端口输入，该信号也作为参考信号由Y1输入，实现信号的相乘。输入信号形式为

x(t)=Asin(ωt+θ)

(3)

输出解调信号为

(4)

式中y(t)为解调信号。

由于解调信号中包含交流成分，因此在后续还需经过低通滤波电路提取直流信号。

2.1.3 滤波电路及可调增益放大电路

为了提取同步解调电路输出的直流分量，需要把交流分量过滤，这里采用FilterPro软件设计了以OPA2277双运算放大器为核心二阶有源低通滤波电路，截止频率为200 Hz。为了保证输出电压在A/D采集电路的量程1/3～2/3的范围内，采用了仪表放大芯片LT1920设计了可调增益放大电路。通过改变R18大小改变输出增益，此时放大幅值为4倍。滤波电路及可调增益放大电路如图5所示。

图5 滤波及可调增益放大电路

2.2 温度测量电路

设计中采用铂电阻传感器Pt100进行温度检测。在测量电路中，铂电阻Pt100与另外3个误差小于0.1%的高精度贴片电阻构成电桥结构。为了使输出电压信号便于采集，电桥输出端接运算放大器AD8510，与电桥构成差动放大电路[5]。温度测量电路如图6所示。

图6 温度采集电路

本设计测量温度在0 ℃以上，此时Pt100阻值Rt与温度的关系为

Rt=R0(1+At+Bt2)

(5)

式中：t为当前测试温度，℃；R0为Pt100在0 ℃时的阻值，此时为100 Ω；A、B为常量，其中A=-3.908 02×10-3，B=-5.801 95×10-7。

2.3 激励信号源

直流信号作为激励信号会由于极化反应而产生较大的误差，通过研究表明激励信号频率越低，测得的电导率和标准电导率误差越大[6]。当信号频率高于2 kHz时，测试结果趋于稳定，具有更高的可信度。

激励信号源通常可以采用两种方法设计。一种方法是通过外部高精度的信号源来提供激励信号。另一种方法是MCU内部对输出波形进行重构，然后通过高精度DAC进行数模转化，进而输出波形。本次设计选用了高精度数模转换器AD9708配合FPGA实现激励信号源的设计。设计中通过MATLAB进行波形数据采样，将波形存储到FPGA的ROM中，通过累加频率控制字实现频率可调。FPGA将输出信号经过AD9709进行数模转换，输出模拟信号后接七阶巴特沃斯滤波器消除高次谐波产生的高频干扰[7]。可以输出幅值为0～5 V，频率为100 Hz～5 MHz的稳定信号，符合设计需求。AD9708芯片配置及滤波电路如图7所示。

图7 AD9708芯片配置及滤波电路

2.4 量程切换电路

在电导率的测量过程中，由于测量范围和测量精度的需求，需要有不同的分压电阻来分别对应不同的测量范围。在本设计中，设置了100 Ω，1 kΩ，10 kΩ和100 kΩ一共4种分压电阻，选用CD4052作为数字控制模拟开关，通过软件控制实现了开关量程的自动切换[8]。量程切换电路如图8所示，表1为不同分压电阻对应的电导率测量范围。

图8 量程切换电路

表1 电阻量程对照表

2.5 采样传输电路

本系统采用STM32F407ZGT6作为采集传输电路的MCU。该芯片是STM32F1的升级版，拥有丰富的接口等资源。其内置3个12位的ADC，满足本次设计温度及解调输出结果采集的需求。

传输电路选择USB串口传输，选择国产芯片CH340G。USB1这里提供CH340G和计算机的通信，同时也可给系统提供5 V电源。信号传输串口如图9所示。

图9 信号传输电路

3 软件设计

3.1 激励信号源逻辑设计

FPGA通过串口接收上位机指令(波形频率，相位及形状)，由指令状态机进行译码操作。状态机输出指令发送至波形控制模块，控制模块ROM内存有不同的波形的数据采样，它将倍频后的时钟信号和地址累加器的数值通过累加后得出的最终结果，后经过DA输出波形。逻辑流程图如图10所示。

图10 激励信号源逻辑流程图

3.2 量程自动切换设计

MCU通过控制数字模拟开关芯片的A、B端来选择对应挡位的分压电阻，AB输出为00，01，10，11分别对应4个不同的电阻挡位。在自动选择的过程中，首先选用通道1的电阻，然后采集处理得到数据后调用保存在MCU中测量程序，先判断电导率是否超出测量上限，若不满足则报告错误，否则继续判断该数据是否在对应选通电阻测量量程内，若满足量程范围，则继续采集输出结果，若不满足量程范围，则自动切换到第二挡位重复上述操作。量程自动切换流程图如图11所示。

图11 量程自动切换流程图

3.3 温度补偿设计

温度补偿有多种方法，包括硬件补偿和软件补偿。这里利用ARM实现软件自动补偿温度，克服了硬件测量的误差，取得了良好的效果[9]。本设计参考大量研究发现，溶液温度和电导率成线性关系，随着温度升高，离子移动速度加快，电导率升高。常用的校正温度系数的公式为

Ks=Kt/[1+0.22×(t-25)]

(6)

式中：Ks为25 ℃时的标准电导率；Kt为当前温度下的实时电导率；t为当前测量温度，℃。

当温度离25 ℃偏差越大，使用上式得到的电导率也偏差越大。现在通过大量的测试数据，将温度与电导率的关系划分为4段，具体如下：

Ks=Kt/(0.016 9t+0.558 3)，1 ℃≤t≤10 ℃

(7)

Ks=Kt/(0.018t+0.547 3)，10 ℃

(8)

Ks=Kt/(0.018 9t+0.528 1)，20 ℃

(9)

Ks=Kt/(0.022t+0.45)，t在其他温度

(10)

将以上关系式导入ARM中，根据不同的温度调用不同的关系式。在实践测试后对比原公式在测量精度上有明显提高。

3.4 上位机设计

上位机设计采用Visual Studio和跨平台类开发库Qt联合开发[10]。上位机接收串口数据，实时显示当前的温度、实时电导率Kt和补偿后25 ℃的标准电导率。输出结果保留到小数点后两位。同时调用QChart函数，绘制温度和电导率的实时变换曲线，便于更加直观地观察温度和电导率的变化趋势。上位机的工作界面如图12所示。

图12 上位机工作界面

4 测试结果与分析

本次测试采用标物编号为BW02946电导率水质标样和BW00849等电导率标准溶液进行标准化测试，测试激励信号为3 kHz正弦波。通过改变不同的测量条件采集测量数据，分析得出结论。

同一标准溶液在恒温箱中，不同温度下的测量结果如表2所示：

表2 同一标准溶液在不同温度下的测量结果

使用不同的电导率标准液，分别在20.07 ℃和29.9 ℃的测量结果如表3所示。

表3 不同标准溶液在同一温度下的测量结果

通过改变温度和溶液2个单一变量，得到的测量结果可以看出，测量的相对误差低于0.6%，温度补偿达到了行业的要求。测量的范围在 1～1 000 μs/cm，符合预期的设计指标。

5 结论

本文以电导率测量为基础，设计了一种水纯度检测系统。该系统传感探头采用四电极方式，并在探头后侧内置温度传感器，便于同时进行温度采集。传感器信号经过解调电路处理，并经过软件补偿后，在上位机上显示。测试结果表明，该系统能准确快速测得电导率，误差在0.6%内，重复测试结果稳定。测量范围广，符合大多数场合水质的测量需求。整个系统功耗低，实用性高，具有一定的推广价值。