一种带温度补偿的水资源电导率测量电路的制作方法

本发明属于水资源监测技术领域，具体涉及一种带温度补偿功能的水资源电导率测量所用的模拟处理电路。

技术背景

长期以来，我国经济增长方式粗放，企业单纯追求经济效益，忽视环境效益和生态效益。随着我国水资源的不断开发利用，水环境污染问题日益严重，尤其是重金属污染和富营养化问题十分突出。我国七大水系中，近一半河段严重污染，86%的城市河段水质超标。据全国饮用水源调查，全国约7亿人饮用大肠菌群超标水，1.64亿人饮用有机污染严重的水，3500万人饮用硝酸盐超标水，饮用水水质下降，直接危害人类健康，甚至危及人类生命。因此，如何在水资源污染严重的当今社会，做好水污染的防治工作显得刻不容缓。

为了防治水污染，有效保护水环境，实现水资源开发利用可持续发展，我国将水资源发展战略置于国家大战略之中进行统筹，不断增强对水资源方面的研究和开发。对水资源方面的研究和开发离不开水资源监测技术。水资源监测技术是人类研究、开发和利用水资源等活动的技术基础，对水面以下的环境、物理参数等进行原位探测、测量和分析的技术。其中水资源电导率是反映水性质的一个重要参数，水资源电导率的精确测量具有有效监测污水排放，在环境保护、水质的检测和水资源保护中起到重要的作用。目前高精度的电导率测量技术都被国外垄断，国内很多产品都处于中低端市场。在电导率测量关键技术中，除了电导率探头的指标性能影响外，模拟测量电路是至关重要。模拟测量电路需要兼顾高精度模数转换、多量程可切换、温度自适应等要求，为了大规模推广应用还要兼顾成本需求，因此目前并没有合适的成型产品。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供了一种带温度补偿功能的高精度电导率测量模拟电路，可与多种电导率测量探头和温度测量探头配合使用，电路采用24位高精度AD实现模拟测量，具有温度自动补偿功能，可手动选择不同测量量程等技术特点，作为一个关键的电路模块可广泛应用于水资源和水环境电导率检测领域。

本发明由激励源电路、量程切换电路、真有效值转换电路、信号调理电路、模数转换电路组成，电导率探头、温度值探头、供电电源模块、处理器模块为任何满足要求的配套模块，处理器模块与激励源电路信号连接，激励源电路与电导率探头信号连接，电导率探头与量程切换电路信号连接，量程切换电路与真有效值转换电路信号连接、真有效值转换电路与模数转换电路信号连接，模数转换电路与处理器模块信号连接，温度值探头与信号调理电路信号连接，信号调理电路与模数转换电路信号连接，供电电源模块与所有其他模块电源连接。

所述的激励源电路包括直接数字式频率合成芯片U1，运放芯片U2，有源晶振XTAL1，瓷片电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1,、R2、R3、R4。数字式频率合成芯片U1的引脚1与瓷片电容C1的一端相连，瓷片电容C1的另一端与VCC相连。数字式频率合成芯片U1的引脚2与瓷片电容C2的一端和VCC相连，瓷片电容C2的另一端接地。数字式频率合成芯片U1的引脚3与瓷片电容C4的一端相连，瓷片电容C3的另一端接地。数字式频率合成芯片U1的引脚4接地。数字式频率合成芯片U1的引脚5与有源晶振XTAL1的引脚3相连，有源晶振XTAL1的引脚4与VCC和瓷片电容C6的一端相连，瓷片电容C6的另一端接地。有源晶振XTAL1的引脚2接地。数字式频率合成芯片U1的引脚6、引脚7、引脚8分别与处理器模块SPI接口的引脚SIN DATA、引脚SIN CLK、引脚SIN FSYNC相连。数字式频率合成芯片U1的引脚9接地。数字式频率合成芯片U1的引脚10与瓷片电容C4的一端和瓷片电容C5的一端相连，瓷片电容C4的另一端与VCC相连，瓷片电容C5的另一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与运放芯片U2的引脚2和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与运放芯片U2的引脚6相连。运放芯片U2的引脚3与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与VCC相连，运放芯片U2的引脚4与-VCC相连。运放芯片U2的引脚5与Conduct_in相连。

所述的量程切换电路包括模拟多路复用芯片U3，低功耗运算放大器U4，拨码开关K1，接插件J1，电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18。模拟多路复用芯片U3的引脚2与VCC相连，模拟多路复用芯片U3的引脚1与拨码开关K1的引脚1和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与VCC相连。模拟多路复用芯片U3的引脚16与拨码开关K1的引脚2和电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与VCC相连。模拟多路复用芯片U3的引脚15与拨码开关K1的引脚3和电阻R7的一端相连，电阻R6的另一端与VCC相连。拨码开关K1的引脚4接地。模拟多路复用芯片U3的引脚4与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚5与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚6与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚7与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚12与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚11与电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚10与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚9与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚8与低功耗运算放大器U4的引脚6和电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端与AC_OUT相连。模拟多路复用芯片U3的引脚3、引脚14接地。模拟多路复用芯片U3的引脚13接VCC。低功耗运算放大器U4的引脚3与电阻R16和电阻R18的一端相连，电阻R16的另一端接VCC，电阻R18的另一端接地。低功耗运算放大器U4的引脚4接地。低功耗运算放大器U4的引脚7接VCC。接插件J1的引脚2与Conduct_in相连。

所述的真有效值转换电路包括真有效值转换芯片U5，电解电容C7，瓷片电容C8、C9、C10、C11，电阻R19。真有效值转换芯片U5的引脚3与瓷片电容C9的一端相连，瓷片电容C9的另一端与真有效值转换芯片U5的引脚4、引脚5相连。真有效值转换芯片U5的引脚6与瓷片电容C10的一端和电阻R19的一端相连，瓷片电容C10的另一端接AC_OUT，电阻R19的另一端与真有效值转换芯片U5的引脚12相连。真有效值转换芯片U5引脚7、引脚9接地。真有效值转换芯片U5的引脚10与瓷片电容C11的一端和DC_OUT相连，瓷片电容C11的另一端接地。真有效值转换芯片U5的引脚11与-VCC相连。真有效值转换芯片U5的引脚16、引脚17、引脚18与VCC相连。真有效值转换芯片U5的引脚19与瓷片电容C8的一端相连，瓷片电容C8的另一端与VCC相连。真有效值转换芯片U5的引脚20与瓷片电容C7的负极相连，瓷片电容C7的正极与VCC相连。

所述的信号调理电路包括电阻R20、R21、R22、R23、R24，瓷片电容C12、C13、C14、C15、C16、C17，接插件J2。接插件J2的引脚1与电阻R20的一端和AIN3相连，电阻R20的另一端与瓷片电容C12的一端、瓷片电容C13的一端和AIN1相连，瓷片电容C12的另一端接地，瓷片电容C13的另一端与瓷片电容C14的一端、电阻R21的一端和AIN0相连，瓷片电容C14的另一端接地，电阻R21的另一端与接插件J2的引脚2和AIN2相连。接插件J2的引脚3与电阻R22和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地，电阻R22的另一端与瓷片电容C15的一端、瓷片电容C16的一端和REFP0相连，瓷片电容C15的另一端接地，瓷片电容C16的另一端与瓷片电容C17的一端、电阻R24的一端和REFN0相连，电阻R24的另一端接地。瓷片电容C17的另一端接地。

所述的模数转换电路包括低功耗模数转换芯片U6，晶振XTAL2。低功耗模数转换芯片U6的引脚1与AIN1相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚2与AIN0相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚3与AIN3相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚4与AIN2相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚5与REFP0相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚6与REFN0相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚7与VCC相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚8与晶振XTAL2的引脚3相连，晶振XTAL2的引脚4与VCC相连，晶振XTAL2的引脚2接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚9与VCC相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚12接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚13与DOUT相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚14与SCLK相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚15与A1相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚16与A0相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚17接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚18与电容C18的一端和VCC相连，电容C18的另一端接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚19接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚20与DC_OUT相连。

本发明所涉及的直接数字式频率合成芯片U1采用ADI公司的数字式频率合成芯片AD9837芯片，运放芯片U2采用TI公司的LMV641芯片，多路复用芯片U3采用Maxim公司的模拟多路复用芯片MAX4638芯片，低功耗运算放大器U4采用TI公司的OPA197芯片，真有效值转换芯片U5采用ADI公司的TRMS/DC转换芯片AD8436芯片，低功耗模数转换芯片U6采用TI公司的ADS1254芯片。供电电源模块是任何可以提供VCC=3.3V和-VCC=-3.3V直流电压，最大电流值可达1A的电源模块。接插件J1和J2分别为电导率探头和温度值探头的连接口。电导率探头是由交流激励触发的模拟电导率探头，温度值探头是3线制的铂电阻，处理器模块是任何带SPI和I²C接口的单片机，根据测量精度、响应速度和采集速率，可以选择满足上述条件的电导率探头、温度值探头和处理器模块。

相比较于

背景技术：
，本发明具有自动温度补偿、量程手动调整、高精度模拟采集等功能与特点，可与多种电导率探头和温度值探头配合使用，广泛应用于水资源和水环境检测与保护领域。

附图说明

附图1是本发明的总体框图；

附图2是本发明的激励源电路图；

附图3是本发明的量程切换电路图；

附图4是本发明的真有效值转换电路图；

附图5是本发明的信号调理电路图；

附图6是本发明的模数转换电路图；

附图7是本发明的工作流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种带温度补偿功能的高精度电导率测量模拟电路，可以连接电导率探头、温度值探头和处理器模块，结合温度自动补偿技术和高精度模拟采集技术，从而可获取精确的水资源电导率数据。如附图1所示，本发明包括激励源电路、量程切换电路、真有效值转换电路、信号调理电路、模数转换电路，其中电导率探头、温度值探头、供电电源模块、处理器模块为任何满足要求的配套模块。

如附图2所示，激励源电路包括直接数字式频率合成芯片U1，运放芯片U2，有源晶振XTAL1，瓷片电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1,、R2、R3、R4。数字式频率合成芯片U1的引脚1与瓷片电容C1的一端相连，瓷片电容C1的另一端与VCC相连。数字式频率合成芯片U1的引脚2与瓷片电容C2的一端和VCC相连，瓷片电容C2的另一端接地。数字式频率合成芯片U1的引脚3与瓷片电容C4的一端相连，瓷片电容C3的另一端接地。数字式频率合成芯片U1的引脚4接地。数字式频率合成芯片U1的引脚5与有源晶振XTAL1的引脚3相连，有源晶振XTAL1的引脚4与VCC和瓷片电容C6的一端相连，瓷片电容C6的另一端接地。有源晶振XTAL1的引脚2接地。数字式频率合成芯片U1的引脚6、引脚7、引脚8分别与处理器模块SPI接口的引脚SIN DATA、引脚SIN CLK、引脚SIN FSYNC相连，分别是串行数据输入端、串行时钟输入端和串行数据控制端。数字式频率合成芯片U1的引脚9接地。数字式频率合成芯片U1的引脚10与瓷片电容C4的一端和瓷片电容C5的一端相连，瓷片电容C4的另一端与VCC相连，瓷片电容C5的另一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与运放芯片U2的引脚2和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与运放芯片U2的引脚6相连。运放芯片U2的引脚3与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与VCC相连，运放芯片U2的引脚4与-VCC相连。运放芯片U2的引脚5与Conduct_in相连。直接数字式频率合成芯片U1采用ADI公司的数字式频率合成芯片AD9837芯片，用以产生指定频率的正弦信号，可以满足双频正弦信号测量方式中需要多种频率正弦信号的要求。运放芯片U2采用TI公司的LMV641芯片，构成了负反馈比例运算电路，调节电阻R1和电阻R2就可以产生设定比例的输入信号，以驱动电导率探头。有源晶振XTAL1采用20MHz时钟晶振，用于控制数字式频率合成芯片的输出频率。

如附图3所示，量程切换电路包括模拟多路复用芯片U3，低功耗运算放大器U4，拨码开关K1，接插件J1，电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18。模拟多路复用芯片U3的引脚2与VCC相连，模拟多路复用芯片U3的引脚1与拨码开关K1的引脚1和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与VCC相连。模拟多路复用芯片U3的引脚16与拨码开关K1的引脚2和电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与VCC相连。模拟多路复用芯片U3的引脚15与拨码开关K1的引脚3和电阻R7的一端相连，电阻R6的另一端与VCC相连。拨码开关K1的引脚4接地。模拟多路复用芯片U3的引脚4与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚5与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚6与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚7与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚12与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚11与电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚10与电阻R14的一端相连，电阻R14的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。接插件J1为电导率探头的接口。模拟多路复用芯片U3的引脚9与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端与接插件J1的引脚1和低功耗运算放大器U4的引脚2相连。模拟多路复用芯片U3的引脚8与低功耗运算放大器U4的引脚6和电阻R17的一端相连，电阻R17的另一端与AC_OUT相连。模拟多路复用芯片U3的引脚3、引脚14接地。模拟多路复用芯片U3的引脚13接VCC。低功耗运算放大器U4的引脚3与电阻R16和电阻R18的一端相连，电阻R16的另一端接VCC，电阻R18的另一端接地。低功耗运算放大器U4的引脚4接地。低功耗运算放大器U4的引脚7接VCC。接插件J1的引脚2与Conduct_in相连。多路复用芯片U3采用美信公司的模拟多路复用芯片MAX4638芯片，低功耗运算放大器U4采用TI公司的OPA197芯片。用户可以通过拨码开关K1改变多路复用芯片U3的第1、15、16引脚的高低电平，从而选择多路复用芯片U3的第4、5、6、7、9、10、11、12引脚的电阻，通过切换反馈电阻的方式改变测量量程，以确保检测结果的准确性。

如附图4所示，真有效值转换电路包括真有效值转换芯片U5，电解电容C7，瓷片电容C8、C9、C10、C11，电阻R19。真有效值转换芯片U5的引脚3与瓷片电容C9的一端相连，瓷片电容C9的另一端与真有效值转换芯片U5的引脚4、引脚5相连。真有效值转换芯片U5的引脚6与瓷片电容C10的一端和电阻R19的一端相连，瓷片电容C10的另一端接AC_OUT，电阻R19的另一端与真有效值转换芯片U5的引脚12相连。真有效值转换芯片U5引脚7、引脚9接地。真有效值转换芯片U5的引脚10与瓷片电容C11的一端和DC_OUT相连，瓷片电容C11的另一端接地。真有效值转换芯片U5的引脚11与-VCC相连。真有效值转换芯片U5的引脚16、引脚17、引脚18与VCC相连。真有效值转换芯片U5的引脚19与瓷片电容C8的一端相连，瓷片电容C8的另一端与VCC相连。真有效值转换芯片U5的引脚20与瓷片电容C7的负极相连，瓷片电容C7的正极与VCC相连。电导率探头输出的是交流电压信号，必须通过有效值转换处理转成直流电压，本发明的真有效值转换芯片U5采用ADI公司的TRMS/DC转换芯片AD8436芯片，以获取电导率信号的有效值。

如附图5所示，信号调理电路包括电阻R20、R21、R22、R23、R24，瓷片电容C12、C13、C14、C15、C16、C17，接插件J2。接插件J2的引脚1与电阻R20的一端和AIN3相连，电阻R20的另一端与瓷片电容C12的一端、瓷片电容C13的一端和AIN1相连，瓷片电容C12的另一端接地，瓷片电容C13的另一端与瓷片电容C14的一端、电阻R21的一端和AIN0相连，瓷片电容C14的另一端接地，电阻R21的另一端与接插件J2的引脚2和AIN2相连。接插件J2的引脚3与电阻R22和电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地，电阻R22的另一端与瓷片电容C15的一端、瓷片电容C16的一端和REFP0相连，瓷片电容C15的另一端接地，瓷片电容C16的另一端与瓷片电容C17的一端、电阻R24的一端和REFN0相连，电阻R24的另一端接地。接插件J2为温度值探头的接口。瓷片电容C17的另一端接地。信号调理电路针对3线制的铂电阻驱动进行设计，也可以兼容2线制的铂电阻，主要实现了恒流源驱动和低通滤波功能，利用模数转换电路的三个采集通道消除由引线电阻变化引起的测温误差。

如附图6所示，模数转换电路包括低功耗模数转换芯片U6，晶振XTAL2。低功耗模数转换芯片U6的引脚1与AIN1相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚2与AIN0相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚3与AIN3相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚4与AIN2相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚5与REFP0相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚6与REFN0相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚7与VCC相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚8与晶振XTAL2的引脚3相连，晶振XTAL2的引脚4与VCC相连，晶振XTAL2的引脚2接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚9与VCC相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚12接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚13与DOUT相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚14与SCLK相连，低功耗模数转换芯片U6的引脚15与A1相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚16与A0相连。低功耗模数转换芯片U6的引脚17接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚18与电容C18的一端和VCC相连，电容C18的另一端接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚19接地。低功耗模数转换芯片U6的引脚20与DC_OUT相连。低功耗模数转换芯片U6采用TI公司的ADS1254芯片，具有4路差分模拟电压测量功能，其中1路用于采集电导率模拟电压，其余三路用于采集温度值的测量电压和参考电压。

本发明采用ADI公司的数字式频率合成芯片AD9833实现多频率激励源设计；采用美信公司的模拟多路复用芯片MAX4638实现反馈电阻之间的切换，从而改变电导率测量的量程值；采用ADI公司的TRMS/DC转换芯片AD8436作为真有效值转换芯片，用以获取交流电压的真有效值数据；采用TI公司研制的ADS1254芯片作为模数转换芯片，用以将温度数据与电导率数据的模拟值转换为数字量；运放芯片和低功耗运算放大器分别采用TI公司的LMV641芯片和OPA197芯片，用以完成信号放大和信号隔离。供电电源模块是任何可以提供VCC=3.3V和-VCC=-3.3V直流电压，最大电流值可达1A的电源模块。电导率探头是由交流激励的模拟电导率探头，温度值探头是3线制的铂电阻，处理器模块可为任何带SPI和I²C接口的单片机，用户可根据测量精度、响应速度和采集速率，可以选择满足上述条件的电导率探头、温度值探头和处理器模块，配合本发明的模拟测量电路就可以实现水样电导率的精确测量。在本发明所实现的实例中，采用的电导率探头测量范围：0~100mS/cm，测量精度：±0.1mS/cm，采用的温度值探头测量范围：-2℃~50℃，测量精度：±0.01℃，处理器模块采用了STM32F103单片机。

如附图7所示，本发明的工作模式如下：系统初始化后，通过手动方式选择电导率测量量程，然后处理器模块控制激励源电路产生双频正弦信号，从而触发电导率探头进行测量，进而开启模数转换电路采集电导率电压。如果电导率电压测量值超限，那么需要重复上述过程。如果电导率电压测量值没有超限，那么控制模数转换电路采集温度值探头数据，然后实施温度自动补偿算法。本发明使用的温度自动补偿功能，利用电导率与温度之间的计算方程，通过软件编程的计算方法，得到标准温度下的电导率值。

综上，本发明提供了一种带温度补偿功能的高精度电导率测量模拟处理电路，具有以下特点：（1）使用灵活，可与多种电导率探头和温度值探头配合使用；（2）测量精度高，采用了24位AD模拟采样技术和温度自动补偿技术；（3）测量范围广，量程可以手动选择，可广泛应用于水资源和水环境检测与保护领域。