扫频谐振式电磁浓度计的研究

　　1　引言

　　在现代电力及化工、纺织、医药等工业生产领域内,广泛涉及对各种溶液浓度的测量。由于电导率与溶液中的离子浓度成一定的比例关系,因此通过测量溶液的电导率可间接推测出溶液的浓度[1]。电磁浓度计是通过测量溶液的电导率来确定溶液浓度的仪表。它的电导传感器是根据电磁感应原理制成的,是一种非接触式仪表,尤其适合测量腐蚀性溶液的浓度。同时它可避免电极式电导仪中因极化而造成的精度下降,工作不稳定等许多问题,因此具有精度高、经久耐用、使用方便等优点[2]。

　　2　测量原理

　　电磁浓度计是利用电磁感应原理来反映电解溶液浓度与电导率的关系[3],实现对溶液浓度的测量。电磁浓度计的传感器是由两个线圈,励磁线圈(初级线圈)和测量线圈(次级线圈)组成。线圈外包有耐腐蚀的绝缘材料,测量原理见图1。

　　图1中T1和T2为环形变压器, T1的副线圈为被测溶液构成的溶液环D, D相当于一等效电阻为Rc的单匝线圈, Rc与被测溶液的电导率或者浓度C有关D又是T2的原边绕组,当T1通入交流电源U1,在D中就有一感应电势uD产生,产生感应电流I, I与Rc有关,即与溶液浓度有关。在I的作用下,T2的副边绕组中就有感应电热U2产生, U2的大小与溶液浓度有关,测量U2就能测得溶液的浓度c, U2与溶液的电导率关系为：

　　由式(1)可见:当溶液直接测量电导率时结构参数的设计应以保证线性为主,兼顾灵敏度。通过实验研究,确定励磁线圈T1使用直径为0·5 mm的漆包线绕制在一个导磁架上,线圈磁芯为高频铁氧化磁芯,匝数为24,线圈的匝数为194,绕制导线与初级线圈相同。

　　3　电路组成结构

　　当环境条件改变时,仪器的灵敏度将发生改变,为了最大限度的提高测量信号的灵敏度,电路采用了扫频谐振式测量系统。其核心是一压控振荡模块ICL8038。斜波振荡发生器输出的斜波经过幅值变换后输入到ICL8038的控制端,经过电压频率变换后,产生一频率带宽固定的正弦交流信号,此交流信号经中频功率放大器放大后加到励磁线圈上进行扫频,检测线圈采用谐振检测,谐振的理论中心频率为9·6kHz,即使环境条件发生微小变化,次级线圈也能在扫频范围内的某一频率处发生谐振,谐振点处的谐振电压幅值最大,也即测量信号最强,然后通过有源半波整流电路进行整流,再经过峰值检波电路检测出此谐振峰值,最后送到显示电路进行电压显示,电路基本结构组成如图2所示。

　　4　自动扫频电路组成

　　扫频电路主要由斜波发生路电路、压控振荡电路及中频功率放大器组成,电路如图3所示。图3中, LM555构成一多谐振荡器, G2、R1C2、LED1组成恒流源充电电路,接通电源后,电容C2通过G2恒流充电, VC上升,当VC上升到时,触发器被复位,电容C2被短路放电,当电容放电到小于时,电容C2又开始充电,不断往复,电容C2输出一线性良好的斜波电压,经过调整后,使其输出扫频周期为1 s,电压幅值为8~10 V变化的锯齿波,然后加到压控振荡器的控制端。集成函数发生器ICL8038[5]构成扫频电路的核心电路,它的内部电路主要有矩形波、三角波和三角波变正弦波电路,由于ICL8038的振荡频率与调频输入电压成正比,因此将调频电压加到VCC与管脚8(控制电压)之间时,振荡频率随之发生变化,即可构成一扫频式函数发生器,改变W1和W2的阻值,即可改变输出频率,振荡频率为