基于電導(dǎo)電極的肥液濃度在線檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李加念　倪慧娜　馬燕　馮瑞

摘要[目的]為能實(shí)時(shí)檢測(cè)灌溉施肥系統(tǒng)進(jìn)行水肥自動(dòng)混合時(shí)的肥液濃度。[方法]基于電導(dǎo)電極設(shè)計(jì)了一種以9 V電池供電的肥液濃度在線檢測(cè)儀，通過(guò)測(cè)量肥液電導(dǎo)率間接實(shí)現(xiàn)肥液濃度的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可通過(guò)顯示器直接顯示，還可通過(guò)SPI接口輸出至水肥自動(dòng)混合控制器。為盡量降低極化效應(yīng)的影響，試驗(yàn)確定了以幅值為±3.5 V的方波信號(hào)作為電導(dǎo)電極的激勵(lì)源。該檢測(cè)儀具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償和量程自動(dòng)切換功能，并通過(guò)試驗(yàn)確定了測(cè)量量程范圍的劃分及各個(gè)小量程對(duì)應(yīng)的分壓電阻與方波激勵(lì)信號(hào)頻率。[結(jié)果]在農(nóng)業(yè)上，常用的0.1%～1.0%施肥濃度范圍內(nèi)，對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，其平均相對(duì)誤差為2.77%。[結(jié)論]該檢測(cè)儀能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞肥料；溶液；肥料濃度；檢測(cè)；電導(dǎo)率

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）12-03465-03

基金項(xiàng)目昆明理工大學(xué)省級(jí)人培項(xiàng)目（KKSY201323003）；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201310674245）。

作者簡(jiǎn)介李加念（1983-），男，湖南道縣人，講師，博士，從事電子信息及測(cè)控技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究。

收稿日期20140410灌溉施肥是一種具有施肥均勻、水肥利用率高以及有效減輕土壤污染等特點(diǎn)的水肥一體化灌溉技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多自動(dòng)灌溉施肥裝置或系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和實(shí)際需肥需求，能自動(dòng)調(diào)節(jié)水肥的混合濃度進(jìn)行變量施肥[1-2]。在水肥自動(dòng)混合過(guò)程中，肥液濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)水肥精確混合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有研究表明，肥液電導(dǎo)率與肥液濃度有著顯著相關(guān)性[3]，因此可通過(guò)測(cè)量肥液電導(dǎo)率的方法間接測(cè)量肥液濃度[4]。目前，測(cè)量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的方法主要有電極法、電容耦合法和電磁感應(yīng)法等。每種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)[5-7]。該研究采用電導(dǎo)電極檢測(cè)肥液電導(dǎo)率的方法設(shè)計(jì)一種肥液濃度檢測(cè)儀，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肥液濃度，既可直接顯示檢測(cè)結(jié)果，又可將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)SPI（Serial peripheral interface）接口輸送至自動(dòng)混肥控制系統(tǒng)，為在線自動(dòng)混肥提供肥液濃度的反饋信息。

1肥液濃度的測(cè)量原理及方法

采取電極法通過(guò)測(cè)定肥液等效電阻的方式測(cè)定其電導(dǎo)率，然后通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定肥液電導(dǎo)率與其濃度的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而測(cè)量出肥液濃度，其測(cè)量原理如圖1所示。電阻R與置于待測(cè)肥液中的電導(dǎo)電極串聯(lián)，當(dāng)激勵(lì)電源E加載于該串聯(lián)支路的兩端進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電導(dǎo)電極2個(gè)極片之間肥液的等效電阻Rx與電阻R構(gòu)成電阻分壓電路，因此通過(guò)測(cè)量電阻R兩端的電壓V，并且結(jié)合激勵(lì)電源E的電壓及電阻R的阻值，即可獲知肥液的等效電阻Rx，然后根據(jù)電導(dǎo)電極的電極常數(shù)k計(jì)算得到肥液的電導(dǎo)率[8]，從而可由電導(dǎo)率與肥液濃度的關(guān)系換算出肥液濃度。

檢測(cè)儀的原理框圖如圖2所示。它以9 V電池作為電源，通過(guò)電源電路轉(zhuǎn)換為幾路不同的工作電壓為各電路單元供電；采用低功耗單片機(jī)MSP430F2132作為微處理器，通過(guò)控制激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，加載于電導(dǎo)電極上進(jìn)行肥液濃度的測(cè)量，肥液濃度不同時(shí)電導(dǎo)電極上的輸出波形信號(hào)也不同；為便于單片機(jī)對(duì)電導(dǎo)電極的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，先利用有效值檢測(cè)電路將其轉(zhuǎn)換為等效的直流電壓，再送到單片機(jī)的ADC接口進(jìn)行處理，計(jì)算出肥液濃度，并通過(guò)一個(gè)6位筆段式液晶顯示器HT1621顯示（HT1621通過(guò)芯片選通CS、讀寫選擇WR、數(shù)據(jù)DAT三根信號(hào)控制線與單片機(jī)I/O接口相連），還可根據(jù)需要，將肥液濃度信息通過(guò)單片機(jī)的SPI接口輸出至其他控制器；為提高檢測(cè)精度，將電導(dǎo)電極的測(cè)量范圍劃分為多個(gè)小量程，并且對(duì)每個(gè)小量程為電導(dǎo)電極配置相應(yīng)的電路參數(shù)和激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)量程切換電路控制測(cè)量量程的自動(dòng)切換，同時(shí)采用溫度傳感器DS18B20反饋肥液溫度，對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償與校正，以消除溫度對(duì)其檢測(cè)結(jié)果的影響。

3.1 電導(dǎo)電極及其激勵(lì)源的選擇 由于農(nóng)業(yè)上常用的肥液濃度（0～1%）所對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率范圍為0.5～5.0 mS/cm，在此選用量程為0.01～20.00 mS/cm的電導(dǎo)電極（鈦合金材質(zhì)，電極常數(shù)（k）為10 cm-1，精度為0.01 mS/cm，輸出為待測(cè)溶液的等效電阻）測(cè)量肥液的電導(dǎo)率。

置于肥液中測(cè)量的電導(dǎo)電極，等效于電阻和電容串并聯(lián)構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò)，在測(cè)量過(guò)程中可能會(huì)存在電容效應(yīng)和極化效應(yīng)而影響測(cè)量精度[5]。由于電導(dǎo)電極在直流電壓激勵(lì)下的極化效應(yīng)很嚴(yán)重，一般采用交流激勵(lì)源，此時(shí)的極化誤差為：

式中，δ為測(cè)量誤差；Rx為溶液的等效電阻；U為極化反電勢(shì)，與電極中的電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)弱呈正比關(guān)系；f為激勵(lì)源的頻率。由式（1）可知，提高激勵(lì)源頻率可以降低極化效應(yīng)引起的誤差，但是因電容效應(yīng)的存在，激勵(lì)源頻率不可能無(wú)限制提高。由此可知，電導(dǎo)電極激勵(lì)源的類型、頻率和幅值對(duì)電導(dǎo)率的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性有著直接的影響，因此需通過(guò)試驗(yàn)確定激勵(lì)源。

以SPF05函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)為激勵(lì)源，分別將電導(dǎo)電極置于一系列不同電導(dǎo)率的待測(cè)溶液中進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于每種電導(dǎo)率的待測(cè)溶液，分別在峰-峰值為0～10 V范圍內(nèi)，以1 V為步進(jìn)，使SPF05輸出正弦波和方波信號(hào)，并對(duì)每種波形信號(hào)在0～10 kHz內(nèi)緩慢調(diào)節(jié)其頻率。同時(shí)，利用示波器（Tektronix TDS2041）監(jiān)測(cè)電導(dǎo)電極分壓電阻（2.2 kΩ）兩端的頻率、波形形狀、電壓峰-峰值和有效值。若分壓電阻上的波形發(fā)生變形或整體偏移而不對(duì)稱，或頻率與激勵(lì)源不同，則說(shuō)明電容效應(yīng)比較顯著；若波形信號(hào)的峰-峰值或有效值不穩(wěn)定，則說(shuō)明極化效應(yīng)比較明顯。由此可知，激勵(lì)源采用幅值為±3.5 V的方波信號(hào)時(shí)效果最佳，并且以分壓電阻兩端的電壓有效值反映電導(dǎo)率的穩(wěn)定性最好。

3.2 測(cè)量量程的劃分及參數(shù)配置研究表明，電導(dǎo)電極配置固定的分壓電阻和激勵(lì)源時(shí)，其誤差會(huì)隨著待測(cè)溶液電導(dǎo)率與母液電導(dǎo)率差距的增大而增大。因此，需根據(jù)實(shí)際情況將電導(dǎo)電極的量程劃分為多個(gè)小量程，并且為每個(gè)量程配置合適的參數(shù)（分壓電阻和激勵(lì)源），以降低測(cè)量誤差。

分別改變電導(dǎo)電極的分壓電阻阻值和激勵(lì)信號(hào)頻率，在不同電導(dǎo)率的待測(cè)肥液中進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，以分壓電阻兩端的電壓有效值接近或等于1/2激勵(lì)信號(hào)作為劃分依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3.3主要電路設(shè)計(jì)

3.3.1 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路。 電導(dǎo)電極的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路（圖3）主要包括運(yùn)算放大器AD8039、MOS管Q4及外圍阻容元件，其輸入端與單片機(jī)的I/O端口相連，以單片機(jī)內(nèi)部集成的PWM控制器在該I/O端口上輸出一個(gè)固定頻率的方波信號(hào)作為電路的輸入信號(hào)源，并通過(guò)該電路將其調(diào)理成幅值為±3.5 V的方波信號(hào)進(jìn)行輸出。

3.3.2 量程自動(dòng)切換電路。由表1可知，電導(dǎo)電極有5個(gè)不同的分壓電阻，在此采用一個(gè)八通道的多路復(fù)用器ADG1408來(lái)實(shí)現(xiàn)電極分壓電阻的自動(dòng)切換。電路如圖4所示。分壓電阻切換成功后，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)I/O端口輸出相應(yīng)頻率的方波激勵(lì)信號(hào)至激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路輸入端。

3.3.3 有效值檢測(cè)電路。 分壓電阻上的波形信號(hào)有效值檢測(cè)電路如圖5所示，由均方根-直流轉(zhuǎn)換器AD637、運(yùn)算放大器AD8039以及外圍阻容元件組成。AD8039連接成電壓跟隨器并前置于AD637的輸入端，用于提高AD637的輸入阻抗，以避免信號(hào)直接輸入AD637時(shí)對(duì)前級(jí)信號(hào)造成的影響。輸入信號(hào)經(jīng)AD637后，以等效的直流電壓輸出，然后經(jīng)電阻R30和R32分壓，并送至單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓檢測(cè)。因此，根據(jù)電壓與電導(dǎo)率的關(guān)系，即可換算出待測(cè)溶液的電導(dǎo)率。

3.4溫度補(bǔ)償 由于溶液電導(dǎo)率具有正溫度系數(shù)，即溶液每升高1 ℃，其電導(dǎo)率約增加2%[9]。因此，采用DS18B20溫度傳感器感知肥液的溫度，并通過(guò)式（2）將任一溫度下的電導(dǎo)率換算成25 ℃時(shí)電導(dǎo)率進(jìn)行補(bǔ)償，以消除溫度對(duì)肥液電導(dǎo)率檢測(cè)精度的影響。

式中，σ25為25 ℃時(shí)電導(dǎo)率；t為溶液的溫度；σt為t ℃時(shí)電導(dǎo)率；α為溶液的溫度系數(shù)（取值0.02）。

4 檢測(cè)儀的標(biāo)定與驗(yàn)證

4.1 檢測(cè)儀的標(biāo)定 由于肥液濃度與其電導(dǎo)率呈線性關(guān)系[2]，且由測(cè)量原理可知，肥液電導(dǎo)率通過(guò)電導(dǎo)電極的分壓電阻兩端的電壓換算得出，而在電導(dǎo)率換算過(guò)程中會(huì)引入運(yùn)算誤差。為此，直接通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)的分壓電阻上的電壓有效值標(biāo)定肥液濃度。

以芭田中芬大量元素水溶復(fù)合肥為原料，通過(guò)對(duì)入純水配制一系列已知濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的待測(cè)肥液，并置于25 ℃的恒溫水浴鍋內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。由圖6可知，肥液濃度與檢測(cè)儀檢測(cè)的分壓電阻上的電壓有效值有著0.05水平顯著的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.996 8。因此，檢測(cè)儀只要能準(zhǔn)確測(cè)得分壓電阻上的電壓有效值，即可根據(jù)圖6中的關(guān)系式換算出肥液濃度。

圖6肥液濃度與檢測(cè)儀檢測(cè)電壓關(guān)系的標(biāo)定4.2檢測(cè)儀的驗(yàn)證 為了驗(yàn)證檢測(cè)儀對(duì)肥液濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性，在肥液濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0～1.1%范圍內(nèi)，配制一系列已知濃度的肥液進(jìn)行試驗(yàn)。誤差為負(fù)數(shù)，表示檢測(cè)值小于實(shí)際值。由圖7可知，檢測(cè)儀在0～1.1%肥液濃度范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差為0.038%，最大相對(duì)誤差為20.81%，但最大相對(duì)誤差并不是發(fā)生最大絕對(duì)誤差處，而是發(fā)生在肥液濃度為0.081%處（絕對(duì)誤差為0.017%）；檢測(cè)儀的相對(duì)誤差總體上隨著肥液濃度的增加而減小，除肥液濃度為0.081%外，即在0.1%～1.1%肥液濃度范圍內(nèi)，檢測(cè)儀的最大相對(duì)誤差為7.65%，最小相對(duì)誤差為0.89%，平均相對(duì)誤差為277%。而農(nóng)業(yè)上常用的施肥濃度為0.1%～1.0%，因此該研究設(shè)計(jì)的肥液濃度檢測(cè)儀能滿足應(yīng)用的要求。

5結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)水肥自動(dòng)混合過(guò)程中肥液濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種肥液濃度在線檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀以9 V電池供電，主要由MSP430F2132單片機(jī)、電導(dǎo)電極、溫度傳感器DS18B20、顯示器HT1621、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路、量程自動(dòng)切換電路以及有效值檢測(cè)電路等組成。通過(guò)電導(dǎo)電極測(cè)量電導(dǎo)率的方式，間接實(shí)現(xiàn)肥液濃度的檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果可通過(guò)顯示器直接顯示，還可通過(guò)SPI接口進(jìn)行數(shù)字輸出，且具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能和量程自動(dòng)切換功能。

通過(guò)試驗(yàn)，確定了電導(dǎo)電極的激勵(lì)源為幅值±3.5 V的方波信號(hào)；在0～5.5 mS/cm范圍內(nèi)，將電導(dǎo)率全量程劃分5個(gè)小量程，并且確定了各個(gè)小量程對(duì)應(yīng)的分壓電阻與激勵(lì)信號(hào)頻率；標(biāo)定了肥液濃度與電壓有效值的關(guān)系，二者呈顯著的線性關(guān)系，決定系數(shù)（R2）為0.996 8；在0.1%～1.0%的肥液濃度范圍內(nèi)，對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，其平均相對(duì)誤差為2.77%，能滿足農(nóng)業(yè)的應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李加念，洪添勝，馮瑞玨，等.基于脈寬調(diào)制的文丘里變量施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（8）：105-110.