一种分布式水体电导率检测电路及其关键模块的制作方法

本发明一种分布式水体电导率检测电路及其关键模块属于电子测量技术领域。

背景技术：

水资源是人民生活和工业生产中不可或缺的。在居民日常生活用水以及制造、加工、冷却、空调、洗涤、锅炉等工业用水，根据我国水质检测标准，电导率是衡量水质情况的一个重要检测指标。水质检测关系到用水安全问题，在空调、洗涤、锅炉等行业，电离子浓度过高对仪器设备造成腐蚀，会造成安全问题。此外生活和工业废水排放要经过水净化处理，之后还要进行水质检测，否则会造成环境污染等问题。

首先现在应用广泛的电导率检测方法，一般是一对电极对整个电导池溶液的电导率进行单点式测量，这种单点的测量只能反应溶液电导率随时间的变化。但在一些特殊的应用场合这种检测方法会造成很大的误差，例如在锅炉的给水和出水，它们的电导率在同一时刻的不同位置发生了变化。造成检测结果的不准确。其次是电导率检测硬件电路，检测电导率的关键点是是最大程度上克服极化效应和电容效应对测量结果的影响。一般工程上我们采用交流激励源来减弱极化反应，不同的应用场合溶液表现出的阻态不一致，有时候呈现低阻状态，有时候呈现出高阻状态，造成电容效应的影响不同。但是现有的电导率检测仪器一般存在以下问题；

第一、采用单一固定频率的激励源，对不同阻态溶液电导率检测的误差较大。

第二、采用固定幅值的激励源，只能在一定范围内检测。

第三、稳定性较差，例如有时候电源的波动对测量结果会造成很大的影响。

第四、硬件成本高，例如电桥法测量精度较高而且测量范围宽，但是需要的电子平衡器硬件成本很高。

第五、时效性差，现在大规模应用于工业现场的测量方法除了电桥法，还有脉冲测量法，脉冲法是经过一段时间测量信号稳定，然后反复测量，这样就会得到一个比较稳定的测量信号，达不到实时检测的目标。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了分布式水体电导率检测电路及其关键模块，包括激励源特性程控设置电路、程控交流精密恒流源电路、电导率测量电极选择电路和电导率测量信号采集电路；该电路具有激励源频率可调、幅值可选，研制成本低，测量稳定性强、实时性强的技术优势。

本发明的目的是这样实现的：

一种分布式水体电导率检测电路，由激励源特性程控设置电路、程控交流精密恒流源电路、电导率测量电极选择电路、电导率测量信号采集电路构成；

所述激励源特性程控设置电路，由1个有缘晶振、1个双四位的二进制计数器sn74ls393、1个模拟开关74hc4051、1个模拟开关74hc4053、2个双精密运放芯片opa2277、1个基准芯片adr4525、多个电阻和电容构成；

有缘晶振产生32.768khz固定频率的交流信号，vcc模拟电压为5v，双四位二进制计数器分频，产生ck0～ck7，由模拟开关u3控制位set0、set1、set2程控选择输出fclk；控制位set3使能位，控制u3工作；r17是大小为1kω的普通电阻；u5基准芯片输出+2.5v基准电压vref，芯片对地有旁路电容；vref经u6a阻抗变换并滤波定义为nref是-2.5v电压，r1、r2为比例电阻选择大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；u4是模拟开关，由控制位fclk、set4、set5选择xo、x1、y0、y1、z0、z1输出；选择输出三个档位分别是suqh、squm、squl；squh经过vref和nref选择输出幅度为±2.5v的方波；suqm经过r3、r4、u7b阻抗变换并滤波定义，r3、r4分别选择大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；squm为±0.25v的方波；squl经过r5、r6大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻阻抗变换得到±0.025v的方波；sqhm是squh和squm直接选择输出的±2.5v和±0.25v方波；squ是sqhm和squl选择输出的±2.5v、±0.25v、±0.025v方波，其中squ经过u6b跟随输出；

所述程控交流精密恒流源电路，由1个双精密运放芯片opa2277、1个开关二极管bav199和多个精密低温漂电阻构成；

squ选择输出不同幅值的方波，恒流源iout输出不同大小驱动电流，r7、r8、r9、r10、r12、r13、r14、r15选用大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻，或：r12、r13、r14、r15采用温度特性匹配的精准电阻器网络芯片，使输出的工作电流具有极低的温度漂移特性；r11选用1kω的电阻；开关二极管d1对电路进行过流保护，防止出现过大电流对后续电路造成损害；

所述电导率测量电极选择电路，由4个单芯片cmos模拟多路复用器adg5208和两个连接器组成；

jx和jy为2个连接器代表x和y两组电导率测量电极，xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye分别代表两组不同的电极；每个电极有两根线构成；4个单芯片cmos模拟多路复用器都是由3位二进制地址线set8、set9、set10控制输出，选择将xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye8路之一切换至公共输出d，set11控制芯片使能；其中agnd为模拟地，供电电压为±9v是模拟电路供电电压；u9和u10公共输出分别是iout和agnd；u11和u12是电压输入端，分别输入测量差动电压的两端vih和vil；

所述电导率测量信号采集电路，由2个位移缓存器74hc595、1个可编译程控仪表放大器ad8253、1个精密运放ad8512、1个rms-dc转换器ltc1968、1个24bitadcltc2400、1个开关二极管bav199和多个电阻电容组成；

u13由vref提供+2.5v基准电压，vih和vil是测量电导率差动信号的输入端，rmsin是输出单端对地的测量信号；set12和set13是2位地址线，能够程控设置输出信号放大1、10、100、1000倍；d2开关二极管在+5v电压和gnd之间；信号rmsin经电阻r16和精密运放u14a跟随，；u15是rms-dc转换器作用是真有效值转换，两个输入信号通道in1、in2，in2输入基准电压vref，u15输出信号adin送u16，24bitadc采集，adc基准电压是vref由基准芯片提供，msck、msdi、adcs分别是时钟线、数据线、片选线；需电气隔离即可和微处理器交换信息。

一种分布式水体电导率检测电路关键模块，为激励源特性程控设置电路，由1个有缘晶振、1个双四位的二进制计数器sn74ls393、1个模拟开关74hc4051、1个模拟开关74hc4053、2个双精密运放芯片opa2277、1个基准芯片adr4525、多个电阻和电容构成；

有缘晶振产生32.768khz固定频率的交流信号，vcc模拟电压为5v，双四位二进制计数器分频，产生ck0～ck7，由模拟开关u3控制位set0、set1、set2程控选择输出fclk；控制位set3使能位，控制u3工作；r17是大小为1kω的普通电阻；u5基准芯片输出+2.5v基准电压vref，芯片对地有旁路电容；vref经u6a阻抗变换并滤波定义为nref是-2.5v电压，r1、r2为比例电阻选择大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；u4是模拟开关，由控制位fclk、set4、set5选择xo、x1、y0、y1、z0、z1输出；选择输出三个档位分别是suqh、squm、squl；squh经过vref和nref选择输出幅度为±2.5v的方波；suqm经过r3、r4、u7b阻抗变换并滤波定义，r3、r4分别选择大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；squm为±0.25v的方波；squl经过r5、r6大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻阻抗变换得到±0.025v的方波；sqhm是squh和squm直接选择输出的±2.5v和±0.25v方波；squ是sqhm和squl选择输出的±2.5v、±0.25v、±0.025v方波，其中squ经过u6b跟随输出。

一种分布式水体电导率检测电路关键模块，为程控交流精密恒流源电路，由1个双精密运放芯片opa2277、1个开关二极管bav199和多个精密低温漂电阻构成；

squ选择输出不同幅值的方波，恒流源iout输出不同大小驱动电流，r7、r8、r9、r10、r12、r13、r14、r15选用大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻，或：r12、r13、r14、r15采用温度特性匹配的精准电阻器网络芯片，使输出的工作电流具有极低的温度漂移特性；r11选用1kω的电阻；开关二极管d1对电路进行过流保护，防止出现过大电流对后续电路造成损害。

一种分布式水体电导率检测电路关键模块，为电导率测量电极选择电路，由4个单芯片cmos模拟多路复用器adg5208和两个连接器组成；

jx和jy为2个连接器代表x和y两组电导率测量电极，xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye分别代表两组不同的电极；每个电极有两根线构成；4个单芯片cmos模拟多路复用器都是由3位二进制地址线set8、set9、set10控制输出，选择将xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye8路之一切换至公共输出d，set11控制芯片使能；其中agnd为模拟地，供电电压为±9v是模拟电路供电电压；u9和u10公共输出分别是iout和agnd；u11和u12是电压输入端，分别输入测量差动电压的两端vih和vil。

一种分布式水体电导率检测电路关键模块，所述电导率测量信号采集电路，由2个位移缓存器74hc595、1个可编译程控仪表放大器ad8253、1个精密运放ad8512、1个rms-dc转换器ltc1968、1个24bitadcltc2400、1个开关二极管bav199和多个电阻电容组成；

u13由vref提供+2.5v基准电压，vih和vil是测量电导率差动信号的输入端，rmsin是输出单端对地的测量信号；set12和set13是2位地址线，能够程控设置输出信号放大1、10、100、1000倍；d2开关二极管在+5v电压和gnd之间；信号rmsin经电阻r16和精密运放u14a跟随，；u15是rms-dc转换器作用是真有效值转换，两个输入信号通道in1、in2，in2输入基准电压vref，u15输出信号adin送u16，24bitadc采集，adc基准电压是vref由基准芯片提供，msck、msdi、adcs分别是时钟线、数据线、片选线；需电气隔离即可和微处理器交换信息。

本发明的有益效果有：

第一、由于采用单一固定频率分频选择多种激励源的方法，因此可选择不同频率对不同阻态的电导率溶液进行检测，减小其检测误差。

第二、由于采用了基准选择变换的方法，因此可选择不同幅值的激励源进行一个宽范围的检测，扩大了检测范围。

第三、由于采用电导率测量驱动电流基准变换发生的方法，因此与电源电压无关，电源波动与基准芯片所产生的基准电压无关，稳定性较强。

第四、由于采用了幅值频率可调的电流法测量的方法，幅值频率可调通过模拟开关的组合实现，产生的电导率测量驱动电流由电阻比例变换产生，因此不需要昂贵的元器件其成本较低。

第五、由于采用了分时检测扫描的技术，测量的电导率自动切换id检测扫描，数据可实时发送给微处理器，因此实时性较强。

附图说明

图1为本发明分布式水体电导率检测电路的总体框图。

图2为本发明分布式水体电导率检测电路中激励源特性程控设置电路原理图。

图3为本发明分布式水体电导率检测电路中程控交流精密恒流源电路原理图。

图4为本发明分布式水体电导率检测电路中电导率测量电极选择电路原理图。

图5为本发明分布式水体电导率检测电路中电导率测量信号采集电路原理图。

图6为本发明分布式水体电导率检测电路的电极安放示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细介绍。

具体实施方式一

以下是分布式水体电导率检测电路的具体实施方式。

本实施方式下的分布式水体电导率检测电路，总体框图如图1所述，该分布式水体电导率检测电路由激励源特性程控设置电路、程控交流精密恒流源电路、电导率测量电极选择电路、电导率测量信号采集电路构成；

所述激励源特性程控设置电路如图2所示，该激励源特性程控设置电路由1个有缘晶振、1个双四位的二进制计数器sn74ls393、1个模拟开关74hc4051、1个模拟开关74hc4053、2个双精密运放芯片opa2277、1个基准芯片adr4525、多个电阻和电容构成；

有缘晶振产生32.768khz固定频率的交流信号，vcc模拟电压为5v，双四位二进制计数器分频，产生ck0～ck7，由模拟开关u3控制位set0、set1、set2程控选择输出fclk；控制位set3使能位，控制u3工作；r17是大小为1kω的普通电阻；u5基准芯片输出+2.5v基准电压vref，芯片对地有旁路电容；vref经u6a阻抗变换并滤波定义为nref是-2.5v电压，r1、r2为比例电阻选择大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；u4是模拟开关，由控制位fclk、set4、set5选择xo、x1、y0、y1、z0、z1输出；选择输出三个档位分别是suqh、squm、squl；squh经过vref和nref选择输出幅度为±2.5v的方波；suqm经过r3、r4、u7b阻抗变换并滤波定义，r3、r4分别选择大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；squm为±0.25v的方波；squl经过r5、r6大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻阻抗变换得到±0.025v的方波；sqhm是squh和squm直接选择输出的±2.5v和±0.25v方波；squ是sqhm和squl选择输出的±2.5v、±0.25v、±0.025v方波，其中squ经过u6b跟随输出；

所述程控交流精密恒流源电路如图3所示，该程控交流精密恒流源电路由1个双精密运放芯片opa2277、1个开关二极管bav199和多个精密低温漂电阻构成；

squ选择输出不同幅值的方波，恒流源iout输出不同大小驱动电流，r7、r8、r9、r10、r12、r13、r14、r15选用大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻，或：r12、r13、r14、r15采用温度特性匹配的精准电阻器网络芯片，使输出的工作电流具有极低的温度漂移特性；r11选用1kω的电阻；开关二极管d1对电路进行过流保护，防止出现过大电流对后续电路造成损害；

所述电导率测量电极选择电路如图4所示，该电导率测量电极选择电路由4个单芯片cmos模拟多路复用器adg5208和两个连接器组成；

jx和jy为2个连接器代表x和y两组电导率测量电极，xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye分别代表两组不同的电极；每个电极有两根线构成；4个单芯片cmos模拟多路复用器都是由3位二进制地址线set8、set9、set10控制输出，选择将xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye8路之一切换至公共输出d，set11控制芯片使能；其中agnd为模拟地，供电电压为±9v是模拟电路供电电压；u9和u10公共输出分别是iout和agnd；u11和u12是电压输入端，分别输入测量差动电压的两端vih和vil；

所述电导率测量信号采集电路如图5所示，该电导率测量信号采集电路由2个位移缓存器74hc595、1个可编译程控仪表放大器ad8253、1个精密运放ad8512、1个rms-dc转换器ltc1968、1个24bitadcltc2400、1个开关二极管bav199和多个电阻电容组成；

u13由vref提供+2.5v基准电压，vih和vil是测量电导率差动信号的输入端，rmsin是输出单端对地的测量信号；set12和set13是2位地址线，能够程控设置输出信号放大1、10、100、1000倍；d2开关二极管在+5v电压和gnd之间；信号rmsin经电阻r16和精密运放u14a跟随，；u15是rms-dc转换器作用是真有效值转换，两个输入信号通道in1、in2，in2输入基准电压vref，u15输出信号adin送u16，24bitadc采集，adc基准电压是vref由基准芯片提供，msck、msdi、adcs分别是时钟线、数据线、片选线；需电气隔离即可和微处理器交换信息。

本实施方式下的分布式水体电导率检测电路，检测水体电导率时的安放示意图如图6所示。电导池中放置x组和y组两组测量电极，每组电极分别有xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye，5跟测量电极组成，两组电极处在电导池中的不同空间位置平行放置，属于同一组的电极在电导池的不同深度，保证测量电导率参数的比对一致性，更加科学准确的反应电导池中电离子的空间分布特性。

本发明使用arm作为微处理器，接口资源有限，电路中不光外设较多，还在电路中较多使用了模拟开关，所以本发明级联2个位移缓存器扩展输出。节约微处理器的接口，可以适应不同微处理器系统，适应于不同场合测量电导率

根据电导率测量原理，本文测量准确度主要与真有效值转换的准确度有关，最大转换误差不超过1％，所以理论上符合本发明不超过2％的误差。温漂附加误差与电导池溶液外加电动势和测量工作电流有关。本发明比例电阻都使用10ppm/℃低温漂、高精密电阻。选用双精密运放芯片，基准芯片的温漂也很小、所以总的温漂系数理论上较小。

信号传递过程如下：

通过以上对硬件电路的介绍，下面叙述信号大概传递过程，u3先对方波频率选择，产生信号fclk，u4对方波幅值选择有suqh、squm、squl三个档位，根据测量溶液的阻抗选择合适方波频率和幅值后，选择测量电极，然后产生电导率测量工作电流iout，得到电导率测量差动信号vih和vil，差动信号经过u13程控放大，u15真有效值转换，送u1624bitadc采集传输给微处理器，在触摸屏上程控显示。

温度补偿系数标定过程如下：

检测电路的软硬件功能调试完成后，还需要注意一个问题，对电导率测量结果有很大影响的因素有三个极化效应、电容效应、温度。前两个影响因素通过硬件电路的办法得到改善，温度我们采用软件修正的办法。

在现行标准下电导率测定都已25℃作为基准，不同温度的溶液都需要转换为标准温度，根据实际测量情况的不同需要确定温度补偿系数，来对测量结果进行修正，求解温度补偿系数公式如下所示；

k1＝k0[1+ε1(t1-25)+ε2(t1-25)²]

t1其中是温度，k1是温度为时溶液的电导率，k0是温度为25℃时溶液的电导率，ε1和ε2为两个温度补偿系数。当测量电导率溶液时启动算法过程，对温度进行补偿，重新计算得到被测溶液电导率。

本发明所示的电导率检测方法和检测电路，可对居民日常生活用水和工业用水，不同阻态溶液的电导率进行科学准确的检测。

具体实施方式二

以下是激励源特性程控设置电路的具体实施方式。

本实施方式下的激励源特性程控设置电路，既能够单独实施，又能够应用于分布式水体电导率检测电路。该激励源特性程控设置电路如图2所示，由1个有缘晶振、1个双四位的二进制计数器sn74ls393、1个模拟开关74hc4051、1个模拟开关74hc4053、2个双精密运放芯片opa2277、1个基准芯片adr4525、多个电阻和电容构成；

有缘晶振产生32.768khz固定频率的交流信号，vcc模拟电压为5v，双四位二进制计数器分频，产生ck0～ck7，由模拟开关u3控制位set0、set1、set2程控选择输出fclk；控制位set3使能位，控制u3工作；r17是大小为1kω的普通电阻；u5基准芯片输出+2.5v基准电压vref，芯片对地有旁路电容；vref经u6a阻抗变换并滤波定义为nref是-2.5v电压，r1、r2为比例电阻选择大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；u4是模拟开关，由控制位fclk、set4、set5选择xo、x1、y0、y1、z0、z1输出；选择输出三个档位分别是suqh、squm、squl；squh经过vref和nref选择输出幅度为±2.5v的方波；suqm经过r3、r4、u7b阻抗变换并滤波定义，r3、r4分别选择大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻；squm为±0.25v的方波；squl经过r5、r6大小为9kω、1kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻阻抗变换得到±0.025v的方波；sqhm是squh和squm直接选择输出的±2.5v和±0.25v方波；squ是sqhm和squl选择输出的±2.5v、±0.25v、±0.025v方波，其中squ经过u6b跟随输出。

具体实施方式三

以下是程控交流精密恒流源电路的具体实施方式。

本实施方式下的程控交流精密恒流源电路，既能够单独实施，又能够应用于分布式水体电导率检测电路。该程控交流精密恒流源电路如图3所示，由1个双精密运放芯片opa2277、1个开关二极管bav199和多个精密低温漂电阻构成；

squ选择输出不同幅值的方波，恒流源iout输出不同大小驱动电流，r7、r8、r9、r10、r12、r13、r14、r15选用大小为10kω的10ppm/℃低温漂、高精密电阻，或：r12、r13、r14、r15采用温度特性匹配的精准电阻器网络芯片，使输出的工作电流具有极低的温度漂移特性；r11选用1kω的电阻；开关二极管d1对电路进行过流保护，防止出现过大电流对后续电路造成损害。

具体实施方式四

以下是电导率测量电极选择电路的具体实施方式。

本实施方式下的电导率测量电极选择电路，既能够单独实施，又能够应用于分布式水体电导率检测电路。该电导率测量电极选择电路如图4所示，由4个单芯片cmos模拟多路复用器adg5208和两个连接器组成；

jx和jy为2个连接器代表x和y两组电导率测量电极，xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye分别代表两组不同的电极；每个电极有两根线构成；4个单芯片cmos模拟多路复用器都是由3位二进制地址线set8、set9、set10控制输出，选择将xa、xb、xc、xd、xe、ya、yb、yc、yd、ye8路之一切换至公共输出d，set11控制芯片使能；其中agnd为模拟地，供电电压为±9v是模拟电路供电电压；u9和u10公共输出分别是iout和agnd；u11和u12是电压输入端，分别输入测量差动电压的两端vih和vil。

具体实施方式五

以下是电导率测量信号采集电路的具体实施方式。

本实施方式下的电导率测量信号采集电路，既能够单独实施，又能够应用于分布式水体电导率检测电路。该电导率测量信号采集电路如图5所示，由2个位移缓存器74hc595、1个可编译程控仪表放大器ad8253、1个精密运放ad8512、1个rms-dc转换器ltc1968、1个24bitadcltc2400、1个开关二极管bav199和多个电阻电容组成；

u13由vref提供+2.5v基准电压，vih和vil是测量电导率差动信号的输入端，rmsin是输出单端对地的测量信号；set12和set13是2位地址线，能够程控设置输出信号放大1、10、100、1000倍；d2开关二极管在+5v电压和gnd之间；信号rmsin经电阻r16和精密运放u14a跟随，；u15是rms-dc转换器作用是真有效值转换，两个输入信号通道in1、in2，in2输入基准电压vref，u15输出信号adin送u16，24bitadc采集，adc基准电压是vref由基准芯片提供，msck、msdi、adcs分别是时钟线、数据线、片选线；需电气隔离即可和微处理器交换信息。

需要说明的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明精神和原则之内的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。