微控制器智能在线电导率分析仪的设计

　　引言

　　近年来,随着电力、石油化工等行业的工业生产过程自动化与智能化程度的不断提高, 水质分析和水质监督工作与设备的安全经济运行、技术进步和环境保护等方面的联系愈加密切。电导率的测量广泛应用于电厂、制药、纯水处理、过程水和工业污水 处理中。通过对电导率的监测,可以监控蒸汽和凝结水中的含盐量,保证锅炉和汽轮机设备的安全、经济运行;可以监控交换器工作情况,监测水净化设备的运行效 果,分析异常情况及事故原因,为废水按环保标准排放提供依据,并且可以防止水汽系统设备的泄漏。由于在线电导率分析仪的准确、灵敏、及时、连续等优点, 所以其应用前景非常广阔。因此, 设计了基于AT-mega128 微控制器的智能在线电导率分析仪, 该系统具有功耗低、精度高和稳定性好等特点。

　　1 测量原理

　　把两块金属板(称为电极)放在电解质溶液中,就构成电导池。在两块电极上加上电源,溶液中就有电流流过,溶液所呈现的阻抗(用电阻表示)与两电极间的间距L(cm)成正比,与电极的横截面积A(cm2)成反比,即用式(1)表示,其中,ρ是溶液的电阻率(Ω·cm)。

　　对于电极而言,电极间距L 和电极截面积A 是固定不变的,即L/A 是一常数,称为电极常数K(cm-1)。溶液的导电能力用电阻率ρ的倒数 k(S·cm-1)来表示,工业上常用μS·cm-1表示。则式(1)可以变换为式(2),其中,G 是溶液的电导。

　　由式(2)可知,电导率k 与电阻的倒数G 有关,因此只要测出溶液的电阻,就可计算出k。图1 是分压法测量溶液电阻的原理示意图。为避免电极极化带来的测量误差,采用交流电源作为电导池的电源,Rx、Rm 分别表示溶液电阻和分压电阻,Em 表示Rm 上的电压,由式(3)、(4)可知,当K/k>>Rm 时,Em 与k 近似呈线性关系,其中,Rm 根据k 值测量范围的变化而变化。

　　2 硬件电路的设计分析

　　根据上述测量原理, 硬件电路以 8 位低功耗微控制器 AT-mega128 为核心,包括方波产生单元、电导池、前置放大器、检波器、温度补偿电路、多路开关、A/D 转换、显示输出、存储,总体设计框图如图(2)所示。

　　微控制器ATmega128 是基于AVR RISC 结构的8 位CMOS 微处理器,命令语句与C 语言完全兼容。ATmega128 内嵌128K 字节的可编程 Flash 程序存储器、4K 字节的EEPROM;4个具有比较模式和PWM 功能的定时器/ 计数器(T/C)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG 测试接口可用于片上调试。

　　模数转换器采用可编程∑ - △ 技术的ADC 系列的AD7715。AD7715 具有 16 位无误码输出、0.0015%非线性度、前端增益可编程、内设自校准电路和低功耗等优点。用单片机控制实现AD7715 的初始化和数据采集。在本设计中,由电导池测得的反映电导率大小的信号经放大、检波后,与恒流源温敏元件测得的温度信号一起,经多路开关CD4051 选通,输入AD7715进行模数转换,将转换后的信号输入到单片机的PE4 口进行数据处理。电路原理图如图3 所示。