一种基于电容检测原理的水含量测量仪的制作方法

本实用新型涉及一种水含量测量仪，特别是涉及一种基于电容检测原理的水含量测量仪，属于高精度仪器仪表领域。

背景技术：

高精度水含量测量仪器是一种常用检测仪器，有着广泛的工业和农业的应用。实验室中，经常要对固体或者液体中的水含量进行检测，虽然精度高，但是实验室用检测仪器体积过大，且只能进行单次采样测量。加油站中油的品质跟水含量有很大的联系，水含量过高会导致汽油的燃爆不充分即由于油中水的高比热容，吸收了大量汽油燃烧的热量，损坏发动机气缸。农业上粮食的储藏需要水含量控制在一个极小范围以防止粮食因为水含量过多而发生呼吸作用导致发芽发热，因此需要连续检测粮食中的水含量。而食用油的大型罐体储藏对于水含量的测量要求更加苛刻，食用油中的高水含量会直接导致油的快速腐坏失去使用价值。因此，水含量测量仪器本身就有极大的应用场景。

目前，通过烘焙固体或者液体、称量前后重量差的测量方法还有广泛的应用，这种测量方法费时费力。现有市场上销售的相对于实验室用仪器的价格低廉的水含量测量仪则一般都是通过测量电阻的方式进行测量，其探头不绝缘，将被测量样品作为导电介质直接放入探头两端，虽然流经测量探头的电流小，但是需要检测一些高危险性高爆炸性的液体时是不能采用这类仪器测量的，且这类水含量测量仪器的精度也不高，不能连续不间断地测量。而实验室用水含量测量仪体积过大，价格昂贵。

所以，开发一种便携式、低成本、操作简便、高精度、高安全系数的专门用于水含量高精度测量的测量仪器是非常有必要的。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种新型结构的基于电容检测原理的水含量测量仪，特别适用于高精度测量要求。

本实用新型所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的基于电容检测原理的水含量测量仪，不仅测量精度高，安全系数高，而且成本低，携带方便，可实现实时连续测量，极具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于电容检测原理的水含量测量仪，包括控制模块，均与控制模块相连的高精度电容测量模块、矩阵键盘模块、显示模块、模拟-数字转换模块和分布式加热模块，以及供电电源；还包括电容式传感器探头和高精度分布式温度传感模块，所述电容式传感器探头通过高精度电容测量模块与控制模块相连，所述高精度分布式温度传感模块通过模拟-数字转换模块与控制模块相连；所述分布式加热模块和高精度分布式温度传感模块均与电容式传感器探头的背面相连。

本实用新型进一步设置为：所述控制模块采用MSP430F55299单片机。

本实用新型进一步设置为：所述高精度电容测量模块采用FDC2212芯片。

本实用新型进一步设置为：所述矩阵键盘模块采用立式4脚轻触开关。

本实用新型进一步设置为：所述显示模块采用TFT液晶显示器。

本实用新型进一步设置为：所述模拟-数字转换模块采用ADS1118芯片。

本实用新型进一步设置为：所述电容式传感器探头的表面设有绝缘层。

本实用新型进一步设置为：所述高精度分布式温度传感模块包括第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元均包括第一电阻、稳压二极管、运算放大器、第二电阻、三极管、滑动变阻器、第四电阻、温度传感器和仪表放大器。

其中，所述第一电阻的一端连接供电电源、第一电阻的另一端与稳压二极管反向串联后接地，第一电阻和稳压二极管的连接端通过运算放大器与第二电阻的一端串联，所述第二电阻的另一端与三极管的基极相连，所述三极管的发射极与滑动变阻器串联后接地、三极管的发射极和滑动变阻器的连接端与运算放大器相连、三极管的集电极同时与温度传感器和仪表放大器相连，所述第四电阻的一端同时连接温度传感器和仪表放大器、第四电阻的另一端连接供电电源，所述仪表放大器的输出端与模拟-数字转换模块相连。

本实用新型进一步设置为：所述运算放大器采用OPA376芯片，所述仪表放大器采用AD620芯片，所述温度传感器采用PT100温度传感器。

本实用新型进一步设置为：所述分布式加热模块包括第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件，所述第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件均包括达林顿三极管、绝缘薄膜加热片和第五电阻；所述达林顿三极管的集电极连接供电电源，达林顿三极管的发射极连接绝缘薄膜加热片的一端，绝缘薄膜加热片的另一端接地，达林顿三极管的基极通过第五电阻与控制模块相连。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：

通过控制模块、高精度电容测量模块、矩阵键盘模块、显示模块、模拟-数字转换模块和分布式加热模块的设置，以及电容式传感器探头和高精度分布式温度传感模块的设置，实现控制模块通过模拟-数字转换模块读取高精度分布式温度传感模块的两端电压，并控制分布式加热模块使得电容式传感器探头维持恒定温度，以及通过读取高精度电容测量模块测量得到的电容数据进行数据采集，还通过矩阵键盘模块和显示模块完成与用户的交互；采用分布式温度控制，严格控制电容式传感器探头的温度抖动，确保测量精度高，实现连续实时测量。

上述内容仅是本实用新型技术方案的概述，为了更清楚的了解本实用新型的技术手段，下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

附图说明

图1为本实用新型一种基于电容检测原理的水含量测量仪的结构示意图；

图2为本实用新型一种基于电容检测原理的水含量测量仪中高精度电容测量模块的电路图；

图3为本实用新型一种基于电容检测原理的水含量测量仪中高精度分布式温度传感模块的电路图；

图4为本实用新型一种基于电容检测原理的水含量测量仪中分布式加热模块的电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示的一种基于电容检测原理的水含量测量仪，包括控制模块，均与控制模块相连的高精度电容测量模块、矩阵键盘模块、显示模块、模拟-数字转换模块和分布式加热模块，以及供电电源；还包括电容式传感器探头和高精度分布式温度传感模块，所述电容式传感器探头通过高精度电容测量模块与控制模块相连，所述高精度分布式温度传感模块通过模拟-数字转换模块与控制模块相连；所述分布式加热模块和高精度分布式温度传感模块均与电容式传感器探头的背面相连。

作为优选，所述控制模块采用MSP430F55299单片机。

作为优选，所述高精度电容测量模块采用FDC2212芯片，即图2中所示的U10，U10的4脚、7脚都接VCC_+3.3V，8脚接GND；晶振U11的1脚与FDC2212芯片的3脚相连接，U11的2脚与4脚分别接VCC_+3.3V和GND，而3脚不接；U10的11脚、12脚不接，9脚与10脚接电容C1与电感L1并联的两端，电容C2指的是电容式传感器探头，将电容式传感器探头的正极与负极分别接U10的9脚和GND。数字部分，U10的1脚SCL、2脚SDA、5脚INTB、6脚SD分别接MSP430F55299单片机的P6.0、P6.1、P6.2、P6.3口，其中1脚与2脚为IIC通信总线的SCL和SDA接上拉电阻R13和R12至VCC_+3.3V。

作为优选，所述矩阵键盘模块采用立式4脚轻触开关，所述显示模块采用TFT液晶显示器，所述模拟-数字转换模块采用ADS1118芯片。

作为优选，所述电容式传感器探头的表面设有绝缘层，可通过表面涂覆绝缘油漆使得探头整体绝缘，从而保障探测的高级安全性，并使得其测量适用范围更广。

如图3所示，所述高精度分布式温度传感模块包括结构相同的第一单元和第二单元，即包括两组温度传感装置；每一单元均包括第一电阻、稳压二极管、运算放大器、第二电阻、三极管、滑动变阻器、第四电阻、温度传感器和仪表放大器；所述第一电阻的一端连接供电电源、第一电阻的另一端与稳压二极管反向串联后接地，第一电阻和稳压二极管的连接端通过运算放大器与第二电阻的一端串联，所述第二电阻的另一端与三极管的基极相连，所述三极管的发射极与滑动变阻器串联后接地、三极管的发射极和滑动变阻器的连接端与运算放大器相连、三极管的集电极同时与温度传感器和仪表放大器相连，所述第四电阻的一端同时连接温度传感器和仪表放大器、第四电阻的另一端连接供电电源，所述仪表放大器的输出端与模拟-数字转换模块相连。

如图3所示，所述运算放大器采用OPA376芯片，所述仪表放大器采用AD620芯片，所述温度传感器采用PT100温度传感器。

对于第一单元，供电电源VCC_+5V通过第一电阻R1和C2V7稳压二极管D1直接与GND相连，R1与D1连接端与高精度运算放大器OPA376芯片U0的3脚相连，U0的4脚和7脚分别与VCC_-5V和VCC_+5V相连，U0的1脚、5脚和8脚不接，U0的输出脚6脚与第二电阻R2连接，R2另一端接9013三极管Q1的基极，而发射极分别与OPA376芯片U0的2脚和第三电阻（滑动变阻器）R3一端连接，滑动变阻器R3另一端与GND相连。PT100温度传感器U4两端与仪表放大器AD620芯片U1的2脚和3脚相连接并同时接入9013三极管Q1的集电极和第四电阻R4的一端，R4电阻的另一端接VCC_+12V，而仪表放大器AD620芯片U1的4脚和7脚分别接VCC_-12V和VCC_+12V，U1的5脚接GND，U1的6脚输出AD1接ADS1118模拟数字转换芯片的5脚，U1的1脚与8脚不接，第一组温度传感装置通过改变滑动变阻器R3的阻值，使得流过PT100温度传感器U4的电流稳定在20mA。同样的连接关系，对于第二单元即第二组温度传感装置则通过改变滑动变阻器R7的阻值，使得流过PT100温度传感器U5的电流稳定在20mA。

如图4所示，所述分布式加热模块包括第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件，即共有三组加热装置；所述第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件均包括达林顿三极管、绝缘薄膜加热片和第五电阻；所述达林顿三极管的集电极连接供电电源，达林顿三极管的发射极连接绝缘薄膜加热片的一端，绝缘薄膜加热片的另一端接地，达林顿三极管的基极通过第五电阻与控制模块相连。

如图4所示，对于第一加热组件，即第一组加热装置，达林顿三极管Q3的集电极接VCC_+12V，发射极接绝缘薄膜加热片U7的一端，U7的另一端接GND，而Q3的基极接R9电阻一端，R9电阻另一端Control1接单片机的P2.4口；同样的，第二组加热装置，达林顿三极管Q4的集电极接VCC_+12V，发射极接绝缘薄膜加热片U8的一端，U8的另一端接GND，而Q4的基极接R10电阻一端，R10电阻另一端Control2接单片机的P2.5口；第三组加热装置，达林顿三极管Q5的集电极接VCC_+12V，发射极接绝缘薄膜加热片U9的一端，U9的另一端接GND，而Q5的基极接R11电阻一端，R11电阻另一端Control3接单片机的P2.6口。

本实用新型的供电电源可使用市电变压后再经过整流、滤波、稳幅得到+12V、-12V、+5V、-5V和+3.3V的直流电压，再经由10uF与0.1uF并联电容滤波，分别向MSP430F5529单片机、显示模块、矩阵键盘模块、分布式加热片、运算放大器采用的OPA376芯片、仪表放大器采用的AD620芯片、高精度电容测量模块采用的FDC2212芯片、模拟-数字转换模块采用的ADS1118芯片以及外围电路供电。

工作过程为：用户通过矩阵键盘选择测量功能，并输入测量控制恒定温度。当用户通过矩阵键盘模块输入控制温度和功能后，单片机通过读取模拟-数字转换器的值间接获得高精度分布式温度传感模块温度数据，经过单片机内部控制输出控制量以控制分布式加热片升温至用户输入测量用的恒定温度，维持电容式传感器探头温度在设定温度；这时单片机控制高精度电容测量模块以输出电容式传感器探头的电容值，并根据用户输入的不同测量功能调用单片机内部的不同分度计算模式计算得到被测样本的水含量值以完成一次测量，而当用户按下按键即持续或者单次测量转换按键后，系统将重复以上过程连续读出测量值，上述测量过程将在显示屏上实时显示状态。

本实用新型的创新点在于，采用分布式温度控制，严格控制电容式传感器探头的温度抖动，确保测量精度高，实现连续实时测量。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。