专利名称：智能化酸碱盐浓度测量控制仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种通过测量电导率来测定溶液酸碱盐浓度的仪表，确切地说是一种智能化酸碱盐浓度测量控制仪。
通过测量溶液的电导率来测量被测溶液酸、碱、盐浓度的方法是工业生产中常用的方法之一，通常可采用两电极法或四电极法进行测量，并进行温度补偿。现有技术给出的基于上述原理的测量仪表(例如DD－5A酸碱浓度计)，采用两电极法，精度及稳定度均有待改进。现有的电导测量单元采用电流反馈自动平衡的电路结构，容易出现自激振荡；其温度补偿采用在输入信号电路中并联一个感温元件，补偿误差大，范围小，不易调节。
本实用新型的目的在于利用四电极结构和微机技术，设计一种智能化酸碱盐浓度测量控制仪，以克服上述不足之处。
本实用新型包括面板、机架、机壳、电源、端子板、显示器、操作键、主机系统板和测量单元板，其特征在于所说的测量单元板上安装有电导测量和温度测量单元，所说的电导测量单元包括四电极发送器、放大单元、整流单元、比较单元、比例积分单元、调制放大单元、方波发生器、输出单元和基准电源，电极发送器的电压电极经输入电阻R1、R2与放大单元的两个输入端相联，放大单元的输出端与整流单元的输入端相联，整流单元的输出端与比较单元的一个输入端相联，基准电源与比较单元的另一个输入端相联，比较单元的输出端与比例积分单元的输入端相联，比例积分单元的输出端与调制放大单元的输入端相联，方波发生器的输出端经三极管G也与调制放大单元的输入端相联，调制放大单元的输出端与四电极发送器的一个电压电极相联，四电极发送器的另一个电压电极与输出单元的输入端相联，输出单元的输出端将与被测溶液电导率成正比的直流电压信号Vθ1送入主机系统板，所说的温度测量单元包括热电阻、不平衡电桥和放大输出单元，热电阻连接在不平衡电桥的一个臂上，不平衡电侨的两个输出端分别与放大输出单元的两个输入端相联，放大输出单元的输出端将由被测温度信号转换来的直流电压信号Vθ2送入主机系统板，所说的主机板采用可对直流电压信号Vθ1相应的被测溶液浓度进行非线性修正且可对直流电压信号Vθ2相应的温度下的被测溶液浓度进行温度补偿的单片机系统板。
本实用新型由于采用了四电极和电极电流闭环调节电路结构，同时采用单片机进行浓度非线性修正和温度自动补偿，提高了仪表的测量精度和稳定性，仪表的精度为1％，灵敏度可达0.05％，稳定性为0.5％。
本实用新型有如下附图
图1本实用新型结构示意图图2本实用新型工作原理框图图3测量单元结构框图图4电导测量单元电路结构示意图图5温度测量单元电路结构示意图图6本实用新型主程序框图图7温度补偿、非线性修正程序框图
以下结合附图对本实用新型作详细说明。
图1为本实用新型结构示意图，包括面板28、机架29、机壳30、电源35、端子板36、显示器19、操作键20、主机系统板39和测量单元板40。测量单元板40上安装有电导测量单元和温度测量单元15，也称模拟电路板。电导测量单元包括四电极发送器1、放大单元2、整流单元3、比较单元4、比例积分单元6、调制放大单元7、方波发生器8、输出单元9和基准电源5，其具体电路结构可参见图3、图4。
本实用新型采用电极电流闭环调节的设计方案，可实现电极电流的稳定连续调节。电压电极32、33上的电压信号先经过放大整流，再与基准电压VB进行比较，其差值经放大后，再经比例积分单元，输出一个与差值成比例积分关系的调节信号，该信号经调制单元调制成交流方波信号，经放大后加在电流电极31、34上，以此实现电流的闭环调节。电导测量单元的具体工作过程如下测量溶液电导率的四电极发送器1插入被测溶液中，其中31、34两电极为电流电极，32、33电极为电压电极。当仪表工作时，电流电极在外加电压V1.4的作用下，流过一个电流IL。该电流在电压电极上产生一个电压降V2.3，该电压是一个仅几毫伏的微小方波电压信号。电压V2.3经过输入电阻R1、R2、接在差动放大单元2的两个输入端，经过两极放大和全波整流单元3输出一直流电压VA，该电压接到比较单元4的一个输入端，另一个基准电压VB接在比较单元的另一个输入端。当VA等于VB时，放大器输出为零，当VA不等于VB时输出一个电压△VAB，该电压经过比例积分单元6和调制放大单元7，调节加在电流电极31、34上的电压V14，使流过溶液的电流IL发生变化，从而改变V1.3电压，使放大后的VA电压与VB趋于相等，当VA≈VB时，系统处于平衡状态，IL保持不变。当溶液的电导率改变时，IL发生变化，V2.3和VA随之变化，造成系统不平衡。通过自动调节电流IL，使V2.3和VA回复到原来值，系统达到了新的平衡。稳定后的IL值，是与溶液的电导率成正比的。取该电流在电阻上产生的压降经输出单元9转换为与电导率成正比的直流电压信号Vθ1，送入单片机系统。
本实用新型的温度测量单元包括热电阻10、不平衡电桥11和放大输出单元12(参见图3)，具体电路结构可参见图5，它将被测温度信号转换成统一的直流电压信号Vθ2送入单片机系统。
本实用新型的主机板39可采用单片机系统板，其组成可以采用公知的设计方案，例如可包括A／D转换器16、光电隔离器17、单片机系统18D／A转换器21、22，开关量转换单元25和切换驱动单元26，显示器19、操作键20设在面板上。主机系统板39也称数字电路板，其组成图可参见图2，其主要功能是完成数据采集、数字滤波、标度变换、温度补偿、非线性修正等数值运算、求解出被测溶液的浓度值，送显示器19显示，同时完成PID控制运算、参数自整定运算、以及控制量、模拟量、开关量的输入输出控制等。上述功能均可根据公知的软件设计原则进行设计，本仪表的主程序框图可参见图6。
各种酸、碱、盐、溶液的电导率在浓度不变情况下，会随着温度的变化而变化，其温度系数与溶液的种类和浓度范围有关。为消除温度变化对浓度测量值的影响，本仪表利用单片机进行温度自动补偿运算。仪表的模拟测量电路，将溶液的电导率和温度信号，转换为统一的直流电压信号，送入单片机，单片机按一定的计算公式和方法进行补偿运算，算出标准温度下的电导率值。温度补偿系数可根据被测溶液的实际情况，通过键盘20任意设定。同一种溶液，在不同浓度范围可以设定一个以上的温度补偿系数。
溶液的电导率与浓度之间存在着非线性关系，必须进行非线性修正。本仪表也是由单片机来实现非线性修正的。仪表采用三点修正法，其基本原理是将浓度与电导率的非线性关系曲线用一个二阶关系式来逼近即 V(Y)＝Cθ＋ (C1Y)/(C+C2Y)Y－溶液的电导率V(Y)－溶液的浓度Cθ、C1、C2－系数具体作法是，根据已知浓度与电导率关系曲线，用三点法求取式中Cθ、C1、C2三个系数，将三个系数存入计算机内，计算机根据所测电导率值，用上述公式计算出相应的浓度值。这种方法比较简便，公式简单，占用内存小，且修正精度高，适用于智能仪表。
主机系统板39的输入输出电路可采用数模转换器16，将电导和温度的直流电压信号，转换为11位数字信号，经光电隔离器17，送入单片机系统18，单片机将8位浓度信号和调节信号送入数模转换器21、22，转换为直流电流信号。单片机亦将上下限报警信号通过开关量输出单元25转换为开关量输出信号。
温度补偿、非线性修正的程序框图参见图7。
本仪表的面板28上有两组4位数码显示器19和16个操作键20，通过键盘及显示接口电路与单片机相联。显示器19可以切换显示浓度值、电导值、温度值、各种设定参数以及模拟量输出值。利用16位操作键可以输入各种参数值及操作信号，可以进行显示切换、参数设定、自检、手动－自动切换、手动操作、复位等操作。可以设定的参数有调节器的给定值、上下限报警值、温度补偿系数、非线性修正系数、PID整定参数等。
本仪表电源采用开关电源27，体积小、稳定性好、运行可靠、适用于能仪表。
本实用新型所达到的技术性能如下1.浓度测量范围NaOH0～5％，0～10％；H2SO40～5％ 0～10％，0～15％；HCl0～5％0～10％；NaCl0～10％0～20％；HNO30～5％ 0～10％。
2.温度测量范围0～100℃。
3.测量精度≤1％满量程。
4.温度补偿范围0～80℃，基准温度25℃。
5.灵敏度0.1％满量程，稳定性0.5％6.带PID自动调节。
7.输出4～20mADC(两组)。
8.输出报警接点三组，容量24V3A。
权利要求1.智能化酸、碱、盐、浓度测量控制仪，包括面板(28)、机架(29)、机壳(30)、电源(35)、端子板(36)、显示器(19)、操作键(20)、主机系统板(39)、和测量单元板(40)，其特征在于所说的测量单元板(40)上安装有电导测量和温度测量单元(15)，所说的电导测量单元包括四电极发送器(1)、放大单元(2)、整流单元(3)、比较单元(4)、比例积分单元(6)、调制放大单元(7)、方波发生器(8)、输出单元(9)和基准电源(5)，电极发送器的电压电极(32、33)经输入电阻R1、R2与放大单元(2)的两个输入端相联，放大单元(2)的输出端与整流单元(3)的输入端相联，整流单元(3)的输出端与比较单元(4)的一个输入端相联，基准电源(5)与比较单元(4)的另一个输入端相联，比较单元(4)的输出端与比例积分单元(6)的输入端相联，比例积分单元(6)的输出端与调制放大单元(7)的输入端相联，方波发生器(8)的输出端经三极管G也与调制放大单元(7)的输入端相联，调制放大单元(7)的输出端与四电极发送器的一个电压电极(31)相联，四电极发送器的另一个电压电极(34)与输出单元(9)的输入端相联，输出单元(9)的输出端将与被测溶液电导率成正比的直流电压信号V 1送入主机系统板(39)，所说的温度测量单元包括热电阻(10)、不平衡电桥(11)和放大输出单元(12)，热电阻(10)连接在不平衡电桥(11)的一个臂上，不平衡电桥(11)的两个输出端分别与放大输出单元(12)的两个输入端相联，放大输出单元(12)的输出端将由被测温度信号转换来的直流电压信号V 2送入主机系统板(39)，所说的主机板(39)采用可对直流电压信号V 1相应的被测溶液浓度进行非线性修正且可对直流电压信号V 2相应的温度下的被测溶液浓度进行温度补偿的单片机系统板。
专利摘要本实用新型公开了一种智能化酸、碱、盐、浓度测量控制仪，包括四电极发送器、电导测量单元、温度测量单元和单片机系统，其特征在于电导测量单元采用了电极电流闭环调节的设计方案，并增加了由热电阻、不平衡电桥和放大输出单元组成的温度测量单元，采用单片机进行非线性修正和温度补偿，结构设计合理、成本低，提高了仪表的测量精度和稳定性，可广泛用于工业上各种酸、碱、盐浓度的自动测量控制。
文档编号G01N27/416GK2204419SQ9421337
公开日1995年8月2日 申请日期1994年6月8日 优先权日1994年6月8日
发明者吕建业, 许钧才, 胡丽娜, 刘合军 申请人:核工业第四研究设计院