摘 要： 分析了液體電導率的測量原理，將電導率的測量轉(zhuǎn)化為電壓信號的測量，并建立了等效電路模型；利用MATLAB對測量電導率電路模型進行了仿真分析，觀察不同參數(shù)變化對輸出電壓幅值的影響，得出在理想與非理想電阻情況下輸入正弦波激勵信號頻率變化對測量結(jié)果的影響，為提高測量精度，可利用方波信號代替正弦波信號作為激勵源；給出了在低功耗應用中，基于MSP430單片機和nRF905無線模塊組成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妼首兯推鞯脑O(shè)計。
關(guān)鍵詞： 電導率傳感器；電路模型；仿真分析；激勵信號；無線傳輸
目前，在工業(yè)、環(huán)保、勘探等自動控制領(lǐng)域中，都需要對液體成分、性質(zhì)等因素進行測定分析，特別是在勘探中，其工作環(huán)境惡劣，對液體分析要求較高。而電導率是液體的基本屬性，通過測量電導率對分析液體純凈度、電介質(zhì)含量及帶電離子濃度有著重要作用，故高精度的電導率測量非常重要?，F(xiàn)實中電導率的應用范圍較廣，但對其模型進行系統(tǒng)分析的文章不多，本文在利用非接觸式電磁感應線圈探頭檢測液體電導率的基礎(chǔ)上[1-3]，討論了電導率傳感器激勵信號頻率變化及分布參數(shù)對測量精度的影響，并給出解決方案?？紤]到勘探現(xiàn)場有線傳輸數(shù)據(jù)及調(diào)試不方便等缺點，給出了特別適合于低功耗、短距離(100 m～200 m)、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。
1 測量原理
電導率傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩個線圈L1和L2組成，L1和L2是繞有相同匝數(shù)銅絲的鐵氧體磁環(huán)。L1作為輸入激勵線圈，與交流電壓源相連，L2作為輸出信號線圈。測量時將其全部浸入待測液體中，被測液體則必然穿過兩線圈的聯(lián)通孔，形成公共圈。將被測液體看作是具有一定電阻的單匝線圈，此時如果在線圈L1兩端加幅值不變的交流信號，因為液體單匝線圈穿過L1線圈，則在單匝線圈內(nèi)必然有感應電流，同時也穿過L2線圈，于是在L2線圈內(nèi)必然感應出輸出信號。所以，通過測量線圈L2兩端的電壓即可通過相應計算得出待測液體的電導率。
圖5中，曲線a對應激勵信號頻率為200 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線b對應頻率為400 kHz時的輸出信號，幅值為5 mV；曲線c對應頻率為600 kHz 時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線d對應頻率為800 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線e對應頻率為1 MHz時的輸出信號，幅值為5 mV。由仿真結(jié)果可見，各輸出波形峰值相同，在此頻率段，輸出峰值不受頻率變化影響。
(2)激勵信號頻率為1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz時，輸出波形如圖6所示。
圖6中，曲線a對應激勵信號頻率為1 MHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線b對應頻率為2 MHz時的輸出信號，幅值為4.95 mV；曲線c對應頻率為3 MHz時的輸出信號，其幅值為4.89 mV；曲線d對應頻率為4 MHz時的輸出信號，其幅值為4.82 mV；曲線e對應頻率為5 MHz時的輸出信號，幅值為4.72 mV。由仿真結(jié)果可見，各輸出波形峰值不同，頻率越高，影響愈大。實際中分布參數(shù)影響更嚴重，所以激勵信號的頻率會受到限制。
1.3 仿真結(jié)論
理想情況下，輸出電壓幅值與等效電阻呈線性關(guān)系；非理想情況下，輸出電壓幅值受到輸入信號頻率影響，其中低頻時影響較小，頻率越高，分布參數(shù)對輸出電壓幅值影響越大。因此，在實際應用中選取的正弦波頻率不宜太高。
當輸入頻率高于1 MHz時，由于被測系統(tǒng)中分布電容存在，輸出幅值將會受到分布電容的影響而削弱，如果用高頻的雙極性脈沖作為激勵信號，在激勵信號的前半個周期和后半個周期，激勵電壓同值反向，被測系統(tǒng)中的削弱現(xiàn)象就得到抑制[4-6]。經(jīng)仿真可發(fā)現(xiàn)，用高頻的雙極性脈沖作為激勵信號時，即使頻率高達1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz，輸出值為5 mV不變。取輸入信號為5 MHz正弦波和5 MHz方波時輸出波形如圖7所示。因此，采用方波信號代替正弦波信號，可有效提高測量精度，減小分布參數(shù)的影響。
2 變送器設(shè)計
變送器硬件主要由3個模塊組成，即傳感器測量單元、數(shù)據(jù)處理控制單元和無線通信單元。
（1）傳感器測量單元：傳感元件為電導率傳感器探頭和溫度傳感器。由CPU產(chǎn)生的方波激勵信號，經(jīng)放大后送入傳感器測量探頭，輸出信號經(jīng)精密整流、偏移放大、濾波及限幅等處理后送往CPU。
（2）數(shù)據(jù)處理控制單元：從測量單元獲得的電壓與溫度信號由CPU進行數(shù)據(jù)采集、零點與滿量程校正、溫度補償?shù)忍幚韀7-9]，獲得待測液體的電導率，同時對應輸出一路4 mA～20 mA的標準信號。本單元核心部分為16位超低功耗的MSP430系列單片機，該單片機電源電壓為1.8 V～3.6 V，待機電流小于1 ?滋A，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時耗電僅0.1 ?滋A，在活動模式時耗電250 ?滋A/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)）；具備高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍設(shè)備，包括10/12/16位ADC、12位DAC、比較器、多個定時器、片內(nèi)USART、看門狗、片內(nèi)振蕩器、大量的I/O端口及大容量的片內(nèi)存儲器，一般單片就可以滿足大多數(shù)應用需要?；谏鲜鎏攸c，MSP430系列單片機在溫度檢測、智能變送器、便攜式儀表、實用檢測儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
（3）無線通信單元：選用單片集成射頻收發(fā)器芯片nRF905,可直接與各種單片機連接使用，軟件編程非常方便，而且抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓1.9 V～3.6 V，工作于433/868/915 MHz 3個ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650 ?滋s。nRF905功耗非常低，工作于接收模式時的電流為12.5 mA，以-10 dBm的輸出功率工作時電流只有9 mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。
nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的流程如圖8、圖9所示。
本文介紹了測量液體電導率的基本方法，并通過構(gòu)造測量電路模型進行理論分析和仿真驗證。結(jié)果表明，在理想情況下，只考慮液體為純電阻，測量電壓幅值大小與液體電導率高低呈線性關(guān)系，具有極高的線性度和精度，且不會受到輸入正弦波信號頻率的影響；在非理想情況下，需要考慮到液體電阻、導線等分布參數(shù)的存在。此時仿真結(jié)果表明，測量電壓幅值大小與液體電導率高低仍呈線性關(guān)系，但會受到輸入正弦波頻率的影響，針對實際環(huán)境需要選擇合適頻率的正弦波激勵信號。針對非理想情況下的這種影響，可選擇高頻雙極性脈沖方波作為傳感器的激勵源，由于在激勵信號的前半個周期和后半個周期幅值相等、極性相反，激勵電流同值反向，可削弱被測系統(tǒng)中介質(zhì)電極化現(xiàn)象，同時可以減弱傳感器與導線分布參數(shù)的影響，可以有效提高測量精度。這里設(shè)計的基于MSP430單片機和nRF905無線模塊的電導率變送器具有功耗低、測量信號穩(wěn)定與精度高、重復性能好等特點，該電導率傳感器已用于綜合錄井中測量泥漿電導率，也可用于如水質(zhì)凈化、液體電性能分析等領(lǐng)域。
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