一种循环水电导率监测控制装置的制作方法

本发明属于工业现场导电溶液浓度的在线间接检测与控制技术领域，特别涉及一种循环水电导率监测控制装置。

背景技术：

循环水在使用过程中由于蒸发、有机物的积累，引发结垢、腐蚀、生物聚集及淤泥的问题，这给工业及中央空调等循环水设备的运转带来不利的影响。

循环水的结垢，影响中央空调热交换器的散热效率，增加工业循环用水设备运转的负荷。由于生物聚集及水量的减少会造成循环水的电导率增加，从而增加循环水管道的腐蚀速度。而微生物聚集及淤泥的产生又会造成管道的堵塞。

循环水的电导率值是能够反应循环水结垢和腐蚀的重要因素之一，通过自动化控制循环水的电导率值，对缓解循环水系统的管道结垢、腐蚀和微生物产生的淤泥问题具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种循环水电导率监测控制装置，通过微处理器产生正弦波信号，通过正弦波调制电路调成设计需要的正弦波，通过交流恒流电路转换成恒流激励源，使得测量精度高，使用性好，应用范围广泛。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种循环水电导率监测控制装置，包括主机板，主机板电路包括微处理器电路、恒流信号驱动电路、信号调制电路；信号调制电路包括电位器r8、电阻r6～r10、运算放大器u3、u5与u6d、隔离器件u4共同电气连接构成；恒流信号驱动电路包括电阻r11～r20、运算放大器u7～u9及电容c25～c26共同电气连接构成，其中r12为参考电阻；

正弦波通过微处理器电路输出，经过信号调制电路的运算放大器u6d进行一个减法器电路处理，其整个减法器相关电路由运算放大器u3、u5和u6d组成，通过调节r8电位器，微处理器输出的正弦波可以转换成正负相间的交流正弦波，通过电容器c23隔绝直流信号，再通过的光电隔离器u4对信号进行隔离；通过运算放大器u8、u7、u9组成的交流恒流模块，所得到的信号是一个恒定电流的交流恒流信号，输出电流经过电容c26对直流电压进行了隔离。

优选的，主机板电路还包括主板用模拟电源、主板用数字电源、tft-lcd电路、内部操作电路、液位控制电路、can总线隔离电路rs485通讯及隔离电路、储存器电路、复位电路及tft-lcd与jtag电路、温度变送隔离电路、温度检测接口、参考电压测量与交流转直流隔离电路、电导率测量与交流转直流隔离电路、电导检测接口、恒流信号驱动电路、信号调制电路、电导用隔离模拟电源、模拟信号限幅保护电路；

主机板外接3个开关电源通过电源线与主板用模拟电源、主板用数字电源、电导用模拟隔离电源上对应点相连接。

主板用数字电源通过电源线与tft-lcd电路、内部操作电路、液位控制与泵电源控制电路、can总线隔离与rs485通讯及隔离电路、储存器电路、复位电路及jtag电路相连接；

主板用模拟电源通过电源线与微处理器电路、模拟信号限幅保护电路、信号调制电路相连接；

电导用模拟隔离电源通过电源线与信号调制电路、恒流信号驱动电路、电导测量与交流转直流隔离电路、参考电压测量与交流转直流隔离电路、温度检测接口、温度变送隔离电路相连接。

优选的，主板用数字电源包括稳压器u34、变压器件u35、二极管d4～d6、电容c64～c66、电阻r66共同电气连接构成；

主板用模拟电源包括稳压器u36与u37，变压器件u38与u39、电感l9与l10、二极管d7～d9、电容c68～c75、电阻r60共同电气连接构成；

电导用模拟隔离电源包括稳压器u40与u41、电容c75与c76共同电气连接构成。

优选的，微处理器电路包括集成电路u1、晶振y1～y2、电容c1～c21共同电气连接构成，u1采用了144管脚的stm32f407zgt6芯片作为主控制器用于各信号的采集及处理；

复位电路包括芯片u2、reset1按键、电阻r2与r3及电容c22共同电气连接构成；u2采用cat706复位芯片为本装置提供可靠的复位；

本装置采用8mhz及25.768khz的无源晶振；

采用3.3v纽扣电池为本装置微处理器在掉电的信号下提供电源。

优选的，电导率测量与交流转直流隔离电路包括电阻r21～r23、运算放大器u11、真值转换器u12与电磁隔离器件u10共同电气连接构成；电导率检测电压信号从电导检测接口引脚输入，通过运算放大器u11对信号进行放大，通过隔离直流电容c28，进入u12芯片对信号进行真值转换输出直流信号，其直流信号经过u10进行电磁隔离，以进入模拟电源模块区域；

参考电压测量与交流转直流隔离电路包括电阻r24～r25、运算放大器u14、真值转换器u15与电磁隔离器件u13共同电气连接构成；运算放大器u14对参考电阻r12的电压进行检测经过真值转换以及信号光电隔离进入模拟电源供电区域；

温度变送隔离电路包括电阻r26～r28、运算放大器u16与光电隔离器件u17共同电气连接构成；温度信号检测模块，其p3端子接电压变化型lm35芯片，通过运算放大器u16及u17进行光电隔离，进入模拟电源供电区域；

模拟信号限制保护电路包括箝位电路芯片u18、运算放大器u6与u19、电阻r29～r37与电容c43～c45共同电气连接构成；u19为tle2064运算放大器，u18是tl7726箝位电路芯片，其用于限定电路的电压，并通过后续的u6a，u6b，u6c芯片及相关的电路把输入微处理器的电压最高限定为一定值以保护电压。

优选的，液位控制及泵电源控制电路，通过光耦获得液位高低电压信号，经过微处理器处理判断液位高低开关是否触动；采用光耦直接驱动继电器，控制外部泵电源开关。

优选的，储存器电路包括sram芯片u24、flash芯片u25、eeprom芯片u26、sd卡插座sd_card共同电气连接构成；

tft-lcd与jtag电路包括接头tftlcd1、接头j2，电容c53～c55，电阻r47～r54共同电气连接构成。

优选的，can总线隔离与rs485通讯隔离电路包括电源芯片u27与u28、电容c56～c63、电感l5～l8、电阻r55～r64、can总线隔离芯片u29、can通讯接口can1、rs485通讯由光电转换器u31～u33、rs485芯片u30共同电气连接构成。

优选的，本装置电源接口采用的双级滤波器，每一个运算放大器及重要的元器件电源均用固态电容进行滤波。

优选的，本装置包括一个机壳，在机壳内安装tft-lcd屏，主机板，开关电源，连接电缆，电源输插座、电导电极电缆接头，温度电缆接头、液位控制电缆，can通讯电缆，接地端子。

优选的，tft-lcd触摸显示屏显示数据与输入操控，屏上有参考电阻显示窗、测量电阻显示窗口、电导率上限显示窗、电导率值显示窗、电极常数显示窗、参数调整按钮窗、温度显示窗、时间显示窗、泵状态显示窗、温度测量电压显示窗、传感器测量端测量电压显示窗、参考电压显示窗；tft-lcd由内部dc5v供电，接口通过短电缆与主机板上的对应点连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)测量精度高，本系统采用的交流恒流电路能消除电极表面结垢产生的附加电阻影响。信号产生及调制处采用零漂移运算放大器，信号采集采用了高输入阻抗仪表放大器，极大程度上消除共模干扰；模拟电路部分采用了千分之一精度电阻保证输入变送的精度。

(2)抗干扰能力强，本仪器的电源接口采用的双级滤波器，每一个运算放大器及重要的元器件电源均用固态电容进行滤波，从而保证元器件直流供电的质量。

(3)兼容性好、操作性强，通过使用can总线通讯隔离驱动模块，可以方便与其他的设备进行通讯，同时还可以采用rs485通讯。本仪器使用tftlcd作为人机通讯的接口，具有良好的可操作性。

(4)智能化程度高，支持掉电数据保护，及数据多样存储。本系统采用eeprom对操作数据进行保护，掉电情况下，下次启动关键数据不丢失，同时本仪器通过采用sd卡对所采集的数据进行按一定时间储存，利于后期仪器维护与数据查询。

(5)本发明提供的检测控制装置兼容五电极型电导率传感器与七电极型电导率传感器，成本低，能耗小。

附图说明

图1是实施例的监测控制装置外形结构示意图；

图2是实施例的监测控制装置主机板电路结构示意图；

图3是微处理器主控制器电路、复位电路及纽扣电池供电电路；

图4是正弦波信号调制与交流恒流电路图；

图5是电导率信号检测、参考电压信号检测、温度信号检测电路图及箝位电路图；

图6是液位检测开关、泵电源控制开关电路图；

图7是sram、flash、eeprom、sd卡及液晶屏显示电路图；

图8是can与rs485通讯模块电源及相关电源电路图；

图9是微处理器相关电路供电的数字电源电路图，参考电压相关的模拟电源电路图及测量电路相关的电源电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种循环水电导率监测控制装置，本装置使用的是自动化监控技术，自动化监控技术处理循环水还分为电导率自动化监控与溶液ph值自动化监控，而本装置使用的是电导率检测来实现对循环水进行处理。本实施例以中央空调循环水控制系统为例，但本实施例的应用不限于中央空调循环水控制系统。循环水自动化监控技术一般控制水的浓缩比在5-10之间，而一般中央空调循环水的水源是自来水，自来水的电导率在200us/cm左右，在实际运用过程中需要控制中央空调循环水的电导率在1500us/cm以下。本装置相比于国内外使用plc进行循环水控制的设备，成本低，通用性好。

一种循环水处理电导率监测控制装置，本装置采用一个尺寸为300*270*150的机壳，在机壳内安装tft-lcd屏，主机板，开关电源，连接电缆，电源输插座、电导电极电缆接头，温度电缆接头、液位控制电缆，can通讯电缆，接地端子。

其tft-lcd触摸显示屏显示数据与输入操控，如图1所示，液晶屏上有参考电阻显示窗1、测量电阻显示窗口2、电导率上限显示窗3、电导率值显示窗4、电极常数显示窗5、参数调整按钮窗6、温度显示窗7、时间显示窗8、泵状态显示窗9、温度测量电压显示窗10、传感器测量端测量电压显示窗11、参考电压显示窗12；tft-lcd由内部dc5v供电，接口通过短电缆与主机板上的对应点连接。

如图2所示，主机板电路由微处理器电路13、主板用模拟电源14、主板用数字电源15、tft-lcd电路16、内部操作电路17、液位控制电路18、can总线隔离电路rs485通讯及隔离电路19、储存器电路20、复位电路21及tft-lcd与jtag电路16、温度变送隔离电路22、温度检测接口23、参考电压测量与交流转直流隔离电路24、电导率测量与交流转直流隔离电路25、电导检测接口26、恒流信号驱动电路27、信号调制电路28、电导用隔离模拟电源29、模拟信号限幅保护电路30构成。

通过信号采集模块采集电导率信号、参考电压信号、温度信号，把相应的信号输入微处理器，通过液位检测模块，检测液位高低情况，并把液位高低的信号输入微处理器处理。微处理器综合分析外部测量电阻电压信号、温度信号、液位高低信号，通过泵电源模块控制外部的泵电源，通过加水泵及排水泵从而实现对循环水电导率的控制与液位的控制。与此同时可以通过can总线通讯模块与rs485通讯模块与其他外部设备通讯，本装置还可以把系统处理后的数据存储在sd卡中。本检测控制系统外部连接的模块都采用隔离电源供电，外部信号与核心模块也采用隔离技术进行输入输出，从而实现了高精度检测与控制。最后经过处理后的数据可以通过外部液晶屏幕显示。

本装置电导率检测端可以实现对五电极电导率传感器、七电极电导率传感器进行激励与信号采集，通用性高。

本装置温度传感器采用了电压变化型lm35d温度芯片，温度可以直接转化为电压信号，以便微处理器直接处理。

本装置激励源采用微处理器dac模块产生的正弦波，通过正弦波调制电路调制成正负相间的正弦波，通过交流恒流电路转换成交流恒流正弦波激励源。

本装置液位开关模块，通过光耦获得液位高低电压信号，经过微处理器处理判断液位高低开关是否触动。

本装置采用光耦直接驱动继电器，控制外部泵电源开关，不需要使用三极管放大电流，节约成本。

本装置采用三路直流电源供电，微处理器，参考电压输入及检测电路分别采用了不同的直流电源以隔绝相互之间的干扰。本装置分为三个部分单独用开关电源供电，分别为主板用数字电源，主板用模拟电源，电导、温度用模拟电源。此三个电源为本系统不同的模块供电，提高了抗干扰的能力。所述主机板，外接3个开关电源通过电源线与主板用模拟电源14、主板用数字电源15、电导用模拟隔离电源29上对应点相连接。

主板用数字电源15通过电源线与tft-lcd电路16、内部操作电路17、液位控制与泵电源控制电路18、can总线隔离与rs485通讯及隔离电路19、储存器电路20、复位电路及jtag电路21相连接；

主板用模拟电源14通过电源线与微处理器电路13、模拟信号限幅保护电路30、信号调制电路28相连接；

电导用模拟隔离电源29通过电源线与信号调制电路28、恒流信号驱动电路27、电导测量与交流转直流隔离电路25、参考电压测量与交流转直流隔离电路24、温度检测接口23、温度变送隔离电路22相连接。

图3到图9为主机板电路原理图，由手工布线及计算机自动布线后，把网络标签相同的地方连在一起。如图3所示，主机板电路中，微处理器电路13由集成电路u1、晶振y1～y2、电容c1～c21构成，复位电路21由u2、reset1按键、r2与r3及c22构成。本装置u1采用了144管脚的stm32f407zgt6芯片作为主控制器用于各信号的采集及处理，是实现本装置所设性能的核心芯片，u2采用cat706复位芯片为本装置提供可靠的复位。本装置采用8mhz及25.768khz的无源晶振，本系统最高运行频率设定为168mhz。采用3.3v纽扣电池为本装置微处理器在掉电的信号下提供电源。

如图4所示，信号调制电路28由电位器r8、电阻r6～r10、运算放大器u3与u5与u6d、隔离器件u4构成；如图4所示，恒流信号驱动电路27由电阻r11～r20、运算放大器u7～u9及电容c25～c26构成，其中r12为参考电阻。正弦波通过微处理器的pa4out端输出，此时输出的信号是一个电压为正的正弦波，而激励用的正弦波需要交流信号即正负相间的正弦波，以避免在电极两端产生极化现象。正电压的正弦波经过标号为u6d运算放大器的ad8630arz芯片进行一个减法器电路，其整个减法器相关电路由标号为u3和u5的运算放大器opa627，标号为u6d的ad8630arz芯片组成，通过调节r8电位器，pa4out输出的正弦波可以转换成正负相间的交流正弦波，通过标号为c23的1uf电容器隔绝直流信号，只通过交流信号，再通过标号为u4的光电隔离器iso124p对信号进行隔离，以避免测量电源部分对数字电源及模拟电源部分信号产生干扰。通过标号为u8的lm6172、u7的lm7171、u9的opa627组成的交流恒流模块，iaca1所得到的信号是一个恒定电流的交流恒流信号，其电流大小与外部激励电阻无关。同时iaca1的电流与经过一个标号为c26的1uf电容对直流电压进行了隔离。

如图5所示，电导测量与交流转直流隔离电路25由电阻r21～r23、运算放大器u11、真值转换器u12、电磁隔离器件u10构成。电导检测接口26为p2，其中信号从p2端口2、3采集；参考电压测量与交流转直流隔离电路24，由电阻r24～r25、运算放大器u14、真值转换器u15、电磁隔离器件u13构成。温度变送隔离电路22由电阻r26～r28、运算放大器u16、光电隔离器件u17构成。模拟信号限制保护电路30由箝位电路芯片u18、运算放大器u6与u19、电阻r29～r37、电容c43～c45构成。激励源从p2的4号端口对五电极电导率传感器，七电极电导率传感器进行激励，电导率检测电压信号从p2端子的2、3号引脚输入，通过标号为u11的运算放大器in111ap对信号进行放大，通过标号为c28的隔离直流电容，进入标号为u12的ad536芯片对信号进行真值转换，即把u12的1号信号采集到的交流信号通过6号端口输出直流信号，其直流信号经过u10进行电磁隔离，以进入模拟电源模块区域，防止干扰，提高精度。相同的情况类似参考电压采集，标号为u14的运算放大器ina111ap对参考电阻r12的电压进行检测经过真值转换以及信号光电隔离进入模拟电源供电区域。温度信号检测模块，其p3端子接电压变化型lm35芯片，通过标号为u16运算放大器ina128pa及标号为u17的iso124p进行光电隔离，进入模拟电源供电区域。u19为tle2064运算放大器，u18是tl7726箝位电路芯片，其用于限定电路的电压，并通过后续的标号为u6a，u6b，u6c的ad8630arz芯片及相关的电路把输入微处理器的电压最高限定为3.3v以保护电压。

如图6所示，液位控制及泵电源控制电路18由光电耦合芯片u21、排阻rx1电源芯片u20、固态继电器u22与u23、电阻r38及电容c46～c47构成。标号为u21c，u21d的是tlp521-4光隅芯片，微处理器引脚pf9in及pf10in可以通过光耦得到外部的电压变化信号，即液位高低信号。微处理器引脚pg13jidianqi及pg14jidianqi通过标号为u21c及u21d的光隅可以直接控制标号为u22及u23的gtjdg3a的交流继电器，从而控制外部220v泵电源开关。标号为u20的b0505芯片为液位检测模块及泵电源控制模块供电。

如图7所示，本装置的储存器电路20由sram芯片u24、flash芯片u25、eeprom芯片u26、sd卡插座sd_card构成。tft-lcd与jtag电路16由接头tftlcd1、接头j2，电容c53～c55，电阻r47～r54构成。标号为u24的是is62wv51216sram芯片，为微处理器提供外部高速储存。标号为sd_card是sd卡，用于连接通用sd卡槽，标号为u25的是w25q128flash，提供外部大容量存储，标号为u26的是24c02，标号为tftlcd1接口用于连接34针触摸液晶屏，标号为j2的jtag接口下载程序。

如图8所示，can总线隔离与rs485通讯隔离电路19由电源芯片u27与u28、电容c56～c63、电感l5～l8、电阻r55～r64、can总线隔离芯片u29、can通讯接口can1、rs485通讯由光电转换器u31～u33、rs485芯片u30构成。标号为u29是iso1050芯片，其是良好的can通讯隔离芯片。标号为u31、u32、u33是6n137光电隔离器，以使输入rs485核心控制芯片(标号为u30的sp485e)的信号更为纯净，以减少不必要的干扰。标号为u27及u28是b0505芯片，分别为iso1050及rs485通讯电路提供电源。

如图9所示，主板用数字电源15由稳压器u34、变压器件u35、二极管d4～d6、电容c64～c66、电阻r66构成。主板用模拟电源14由稳压器u36与u37的，变压器件u38与u39、电感l9与l10、二极管d7～d9、电容c68～c75、电阻r60构成。电导用模拟隔离电源29由稳压器u40与u41、电容c75与c76构成。标号为u34、u36、u37、u40、u41都是ft11pd-1型滤波整流器，标号为con2、con3、con4分别是外部开关电源接口，con2接5v直流电源，con3及con4接±12v电源。通过标号为u35的as1117-3.3芯片用于给微处理器供应3.3v电压。通过标号为u38的k7805t及标号为u39的as11173.3芯片提供参考电压。xvdd1与xvss1分别为检测电路相关芯片提供12v及-12v的电压作为其电源使用。至此完成所有的电路实施过程。

本装置的工作原理如下：

(1)电导毫伏信号的产生过程如下：首先，由stm32f407zgt6内部dac产生一定频率与幅度的正弦波，经pa4输出，经电路偏移之后变为正负幅值相等的正弦波；该信号用于驱动恒流电路，交流恒流的大小由r12与输入信号决定，为了保证输出信号没有直流部分，进一步采用电容进行隔离直流处理，从而，保证电导电极不产生极化效应；交流恒流同时流过标准电阻与检测池并产生对应幅度的交流信号，电导池电阻越大，产生的测量电压就越大，随后该电路交流信号分别进入交流/直流有效值转换器产生对应的直流电压，该两路直流电压经放大隔离处理后，再经过模拟信号限幅保护电路送往主机。

(2)温度毫伏信号由电极上附带的半导体传感器产生，该毫伏信号先放大、隔离后经电缆连接器接主板上。

(3)参考电压毫伏信号，经过运算放大，隔直流，真值转换及隔离后经模拟信号限幅保护电路后送入主机。

(4)通过上述过程分别产生的电导、温度与参考电压进入stm32f407zgt6内部的12位a/d转换器，通过微处理器简单运算后可以求出测量池两端的电阻，该电阻经线性修正处理后，得到准确电阻值，准确的电阻值的倒数就是端电导值，再经过电极电导常数与温度补偿后得到标准电导率值。

(5)经处理后的各信号由微处理器送往tft-lcd显示屏进入数据显示，实时刷新所得数据。

(6)液晶触摸屏上显示当下参考电阻显示窗1，测量电阻显示窗口2，电导率上限显示窗3，电导率值显示窗4，电极常数显示窗5，参数调整按钮窗6，温度显示窗7，时间显示窗8，泵状态显示窗9，温度测量电压显示窗10，传感器测量端测量电压显示窗11，参考电压显示窗12，可以通过系统参数按钮进入详细参数界面。

(7)所有可修改的参数都保存在储存器标号为u26的eeprom内。

(8)微处理器通过can总线及rs485通讯与其他的设备进行通讯。

(9)当系统需要调整内部监控参数时，按系统参数按钮进入详细系统参数界面，在此界面上按参数校准界面就进入参数修改界面，可以修改电阻斜率，截距，电导池常数参数，通过主机，把修改后的参数送入eeprom内，所有数据都进行了掉电保护处理。

本实施例的技术指标及参数如下：a输入电压：ac220v±30％，50hz；b电导率检测范围180us/cm～2000us/cm；c温度检测范围：0～99.9℃；d开关控制方式：自动或手动；e电导在线检测精度：≤1％。

本装置在使用时，先接220v交流电源给开关电源，通过开关电源为主要供电，外部接入电导电极，温度传感器、液位控制泵，液位开关。检测时具体的工作步骤为：1)开启电源；2)调节内部记忆参数；3)系统自动运行，根据设计要求定期对电导电极进行清洗和调零校准。

程序运行时，进行系统初始化，当电导率大于等于设定值后，发出排水控制，当液位低于下限时，发出加水控制，当达到液位上限，停止加水；为了保证循环水设备的安全，平时一旦液位低于上限时，就发出加水控制，达到上限时就停止；由于液位开关具有容差，所以不会因水位波动而频繁跳跃。

系统在第一次运行时需要对本仪器进行校准，同时输入相应的参数，并把数据保存在本系统外部的标号为u26的eeprom内，以备下次开机时，自动调入该记忆参数，液晶显示屏定期刷新处理器发送来的数据，包括电导毫伏数据，参考毫伏数据，温度电压数据，端电阻值数据，电导率数据，泵状态数据以及can通讯数据。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。