高性能交流恒流電路模擬與實測

張夢玲 黃揚明 周黎斌

(華南理工大學化學與化工學院,廣州 510640)

在金屬表面處理的金屬清洗工藝中，通過檢測溶液電導率來達到實時監控溶液中有效離子濃度的目的[1]。電極式電導率儀由于結構簡單、造價低廉且測量范圍廣，目前在工業現場中應用廣泛[2]。電極式電導率儀的測量原理是：當給激勵電極對通入幅值和頻率穩定的交流電流時，測量電極對上的輸出電壓幅值與液體的電導有確定的對應關系[3]，因此將電導池看成電阻，其倒數為電導，則利用高性能、高精度的交流恒流電路測得電導電極兩端的輸出電壓值后，再根據恒流電路特性即可計算出電導值。

影響電導率測量精度的因素有極化效應及電容效應等[4]，而對于工業現場在線檢測的電極，由于測量流體介質的復雜性，長時間運行極易導致電導率儀電極發生結垢現象，從而使測量結果出現較大的誤差。為了減少極化效應、電容效應和結垢對電導率測量的影響，筆者采用高性能集成芯片設計了一種交流恒流源電路，用于工業在線電極電導儀對溶液電導率的準確測量。

1.1 電源模塊

圖1所示為±5V模擬電源模塊電路。220V交流電壓經變壓器轉換為±15V交流電壓，再經過穩壓芯片MC7805T和電容濾波濾去電源中的雜波信號，將±15V交流電壓轉換成±5V直流電壓，給信號發生器模塊供電。

圖1 ±5V模擬電源模塊電路

1.2 信號發生器模塊

信號發生器電路采用MAX038芯片，該芯片是一款高精度、高頻率、低輸出電阻且驅動能力強的新一代函數數字可編程波形信號發生器[5]。MAX038內部含有精密帶隙電壓基準、鑒相器和TTL同步輸出，能以最少的外部元件構成多波形高頻函數信號發生器，是目前較為理想的信號產生集成芯片[6]。

實驗采用MAX038產生高精度頻率的正弦信號，20kΩ可調電阻控制MAX038的LIN引腳電流調節信號的輸出頻率(0.1Hz～20.0MHz，最高可達40.0MHz)，各波形的輸出幅度均為2V(P-P)。圖2所示為根據MAX038特性設計的信號發生器模塊。

MAX038采用±5V雙電源供電，由電源模塊產生，+5V接MAX038的V+引腳，-5V接MAX038的V-引腳。OUT引腳輸出設定頻率為20kHz的波形。經示波器檢測，由MAX038產生的高頻高精度輸出波形，系統運行穩定、失真小、漂移小且頻率范圍寬。

圖2 信號發生器模塊

1.3 測量電路

高精度恒流源電路如圖3所示，由精密運算放大器LM6172IN、LM7171AMJ-QML及高速FET輸入儀器放大器INA128PA等組成。由圖3可知，儀表放大器INA128PA的1腳和8腳間的電阻RG=∞，則電導G=1+50K/RG=1，電壓U40=

圖3 高精度恒流源電路

RA521×I、U50=RA522×I。實驗設計的電路負載電阻分別為100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ，采用對稱0.5Ω電阻比擬污垢阻值，該設計能較好地排除結垢產生的阻值對電導電極測量的影響。

2 軟件模擬

圖4 軟件模擬結果

3 實例測試

交流恒流電路實例測試的目的主要是為了分析負載電阻與擋位電阻和輸出電壓值之間是否滿足特定的關系式，實現通過測量該恒流電路的輸出電壓，就可以計算出電導池的電導，便于在工業在線電導率檢測儀上的應用。

測試之前，需要調節信號再發生器模塊的可調變阻器，使信號穩定輸出，然后再加上負載電阻，待電路穩定后，開始測量。設VIN=331.29mV，依次改變擋位電阻RA521的阻值(100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ)，然后，分別改變可調負載電阻RA522的阻值(5～50Ω、50～500Ω、0.5～5.0kΩ、5～50kΩ)，利用臺式萬用表HIOKI3228分別測出其有效輸出電壓值，每組重復3次測量，測試間隔約為1h，取其平均值，并記錄輸出電壓U40和U50，結果見表1。

表1 不同負載電阻下的實驗數據

(續表1)

由表1可知，測量值U40、U50在4個擋位的每組序號測量數據中，變化幅度均很小，基本恒定，表明擋位電阻和負載電阻的改變對電路中擋位電阻兩端的輸出電壓影響很小，說明恒流源精度高、調節方便且系統穩定性好。

a. RA521=100Ω

b. RA521=1kΩ

c. RA521=10kΩ

表2 RA521=1kΩ時負載阻值R與其兩端輸出電壓比值U關系曲線的誤差分析

4 結束語

采用信號發生器、集成運算放大器及儀表放大器等多個模塊組成了高性能的交流恒流電路，經軟件模擬與實例測試分析證明了此高性能的交流恒流電路具有穩定性好、性能高的優點，可準確測量負載電路的阻值，測量精度可達0.1%，為工業在線電導率儀測量電路的設計提供了良好的理論基礎。

[1] 左玖玲,佟黎明.金屬表面處理工藝水洗過程研究[J].化學工程師,2009,(10):66～68.

[2] 張龍莊,申紅革,衛文紅,等.液體氯乙烯電導率的測定在其分水自動控制裝置中的應用[J].化工自動化及儀表,2011, 38(11):1331～1333.

[3] 劉鐵軍,黃志堯,王保良,等.測量液體電導的兩種新方法[J].化工自動化及儀表,2005,32(3):50～53.

[4] 王洪鑄,胡秀麗,傅巍.電導率測量原理[J].黑龍江科技信息,2010,(33):41～42.

[5] 趙興亮,阮炳濤,孟昕,等.一種數字式移相信號發生器的設計與實現[J].自動化儀表,2007,28(2):55～57.

[6] 謝志遠,貢振崗,楊星,等.一種高穩定數控交流恒流源的設計[J].電測與儀表,2013,50(3):102～106.