便攜式電導率測試儀的設計

顧 涵，龐 盼，張俊龍，方衛娟，李春燕

常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇常熟 215500

近年來，隨著電力、石油化工等行業的工業生產過程自動化與智能化程度的不斷提高，水質分析和水質監督工作與設備的安全經濟運行、技術進步和環境保護等方面的聯系愈加密切，電導率的測量得到了廣泛的應用。本文結合實際工業應用特點，以51單片機為控制核心，設計了一款具有測量精度高、方便攜帶、成本低等優點的電導率測試儀。

1 測量原理和系統設計

電導率是以數字表示溶液傳導電流的能力。溶液的電導率與其所含無機酸、堿、鹽的量有一定的關系，當它們的濃度較低時電導率也較低，電導率隨著濃度的增大而增加。電導（G）是電阻（R）的倒數，兩個電極插入溶液中，可以測出電極間的電阻R，從而測出電導。電解質溶液的電導率（K）指相距1cm的兩平行線電極間充以1cm3溶液時所具有的電導，根據公式G=1/R=K*(1/J)以及電極常數（J）就可以測出電導率。

設計中我們采用51系列AT89C51單片機作為控制核心，人機對話部分包括顯示、按鍵、聲光報警三部分，采用單片機串口通信。數據采集包括方波發生、電流電壓轉換和模數轉換三部分。在基本功能實現的基礎上，還可以加入溫度采集模塊。

2 硬件設計

我們重點對電導率數據采集部分的電路進行設計，主要分為方波發生、電流電壓轉換和模數轉換三部分。

2.1 方波發生電路

圖1 方波發生電路

由于直流電壓供電會產生介質極化現象，溶液電導率的測量必須采用交流激勵進行供電。我們采用雙極性脈沖為電導池提供激勵（電源信號），采用高頻率的雙極化脈沖作為激勵源，由于在激勵信號的前半個周期和后半個周期，激勵電流同值反向，被測系統的介質極化現象就得以削弱。

方波發生電路如圖1所示，MC1403為2.5V精密電壓基準源，誤差范圍為25mV，因為輸出單一，所以接法簡單。2.5V經過射極跟隨器到+2.5V電壓，另一路2.5V經反向比例，得到-2.5V電壓，反向比例增益為1。正負2.5V電壓分別接到模擬開關兩個通道，模擬開關選用八選一CD4051型。

2.2 電流—電壓轉換部分

圖2 電壓電流轉換電路

電流-電壓轉換電路如圖2所示，在理想運放條件下，輸入電阻Ri=0，輸出電壓為-Is*Rf。Rs比Ri大的愈多，轉換精度愈高。我們選用OP07實現電流-電壓轉換，電阻Rf由CD4501根據溶液的電導率選擇不同的值。電流信號經過電流電壓轉換電路，把溶液的電流值轉換為電壓值。

2.3 模數轉換部分

圖3 AD-TCL549模數轉換電路

數據采集要用到模數轉換，如圖3所示，在一些情況下可以V/F考慮利用幅頻變換進行AD轉換，這種方法也可以得到模擬信號的數字量。TLC1549系列是美國德州儀器公司生產的具有串行控制、連續逐次逼近型的模數轉換器。參考電壓的低端接地，參考電壓高端接VCC即DC5V，分辨率為10位，最小分辨電壓為4.8mV，輸入信號為0V～5V電壓信號，數字量范圍0-1023，供單片機處理。

3 軟件設計

硬件部分完成后，電導率測試儀功能的實現關鍵是軟件的設計，我們重點對電導率測量部分的程序進行分析，具體程序如下：

4 測量精度測試

為驗證設計效果，采用實驗板焊接電導率測試硬件電路，用KeiluVision3編譯程序，然后把調試通過生成的.hex文件燒寫到單片機中。用電導率測試實驗電路和賽科品牌的CM-230型電導率儀測量含不同物質水溶液的電導率作對比，如表1所示，測試數據的相對測量精度都在0.38%以下，測量精度較高。

表1 不同溶液電導率測量數據

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