智能在线电导率仪

智能在线电导率分析仪的设计与实现林晓梅 尤文 李慧 金星 王盛慧(长春工业大学电气与电子工程学院，130012) 摘 要：介绍了一个利用单片机技术的智能在线电导率分析仪的设计，给出了系统的硬件结构和软件设计的思路。本设计符合工厂应用的要求，可以由用户自己定义、自己设计，以满足不同的要求。 关键词：电导率 专家系统0引言 近年来，随着饮用纯净水、药用蒸馏水、生物制品用水、动力锅炉及大型发电机组冷却用水需求量的急剧增加，以及木材烘干、粮食水份检测等技术的广泛应用，越来越多的产品、技术开始对介质的导电性能、成份要求给出准确的分析和评价，而且在实时性、准确度等方面提出了更高的要求。基于上述原因，国内外许多著名公司如美国的罗斯蒙特、中国石家庄科达仪表厂等相继开发了相应的产品。国外产品的价格明显偏高，如美国的1054B电导率分析仪离岸价为1600美元，不适于量大面广的使用。国内产品采用纯硬件结构，对影响测量结果的介质温度只能作分段象征性的补偿，效果不好、准确度低、稳定性差。更有甚者，国内外同类产品对介质流速变化产生的测量误差均没有补偿措施，仪表在不同条件下也需要人工多次调整才能使用，不仅影响了生产效率，而且增加了维护成本。基于上述背景，我们提出将专家系统和模糊推理应用于介质的在线电导率测量过程中，提出了在线补偿和在线学习推理的测量方法，这种方法同国内外同类产品中的技术相比，人工参与的机会少，仪表自调整自学习的能力强。同时，这种方法也为其它相关领域的研究提供了可借鉴的方案。1智能在线电导率分析仪的结构与功能 智能在线电导率分析仪的结构如图1所示。这个系统以普通计算机为基础，用硬件、软件实现测量系统的功能。图中激励信号电路为自制电路，采用交流方波驱动电路来驱动电导率传感器，与现有产品中所采用的桥式电路相比较，不仅在线性度、准确度和测量范围上都有显著提高，而且，交流驱动方式与现有产品中的直流驱动方式相比，彻底克服了电导率传感器的极化现象，从根本上保证了测量的精度。通过TCP/IP协议把采样数据送往上位机，上位机软件采用LabVIEW程序设计，可以由用户自己定义、自己设计，以满足不同的要求。 智能在线电导率分析仪的功能为： （1）能对本质情况进行实时在线检测，提供故障诊断依据，检测参数为电导率和温度值； （2）建立网络数据库，记录电导率历史运行数据，判断报警状态和报警数据； （3）利用数字信号处理和统计技术，提供反映电导率的图谱和统计分析结果； （4）提供系统参数组态功能，根据现场具体情况定义相关系统参数，完成系统重构，以满足不同用户的要求； （5）在企业网内对水质的运行实现远程监控与分析； （6）实现虚拟仪器的网页发布。2智能在线电导率分析仪的硬件介绍2.1程控放大部分 程控放大部分由1片CD4051、1片OP07和4个反馈电阻组成。采样信号进入OP07的正向输入端，CD4051的X（3脚）接OP07的负向输入端，A端（11脚）B端（10端）分别与单片机的P3.6与P3.7连接，C（9脚）接地。程序通过对CD4051不同通道的选择，来构成不同增益的同向放大器，实现对不同范围的温度与电导率信号的测量。2.2AD部分 AD部分由1片CD4040、1片ICL7135、电阻与电容组成。本系统利用ICL7135进行模数转换与时间成比例的关系，实现单片机与ICL7135的最简连接。将AT89C52的ALE通过CD4040做8分频后得到ICL7135所需500K的时钟。将ICL7135的BUSY和POL分别与单片机的INT0和T1连接。程序将INT0设成门控方式工作，即当INT0脚为高电平时，T0工作在计时方式来计高电平的时间。当ICL7135进行模数转换时，BUSY信号为高电平，转换结束时BUSY为低电平。由于T0、ALE与系统时钟频率之间有一定的比例关系就可以计算出要转换结果。2.3单片机部分 单片机部分由AT89C52、AT24C08、12M晶振和复位电路构成。其中AT24C08中存储着系统参数以及温度补偿数据表。 多路开关部分电路如图2所示，由1片CD4051、电阻、电容和稳压管等组成。CD4051的X接程控放大部分OP07的正向输入端，A端和B端分别与单片机的P1.7和P1.6连接,C接地。程序通过对CD4051不同通道的选择，选择不同的输入信号，实现对温度与电导率信号的测量。其中X3通道是电导率信号输入，X1通道是温度信号输入。2.4激励电路部分 激励信号由CD4052的Y通道经分压电阻后激励电导率传感器，同时在U1点得到与电导率信号成正比的信号。该信号经CD4053的X通道在经阻容滤波后，进入CD4051的X0通道后进入程控放大部分。为了去掉CD4052中通道电阻带来的误差，在U2点处测得直接加在分压电阻与电导率的激励信号，由CD4051的X4、X5通道经CD4053的Z通道在经阻容滤波后，进入CD4051的X2通道后进入程控放大部分。这样用U1、U2和分压电阻的阻值就可以计算出电导率的值。采用CD4094将CPU传来的转行控制信号，转换成并行的控制信号来控制多路开关选通的通道。2.5通讯部分 仪表使用异步串行通讯接口,接口电平符合RS232C或RS485标准中的规定。数据格式为1个起始位、8位数据、无校验位。1个或2个停止位。通讯传输数据的波特率可调为1200～19200bit/S。仪表采用多机通讯协议，如果采用RS485通讯接口，则可将1～101台的仪表同时连接在一个通讯接口上。采用RS232C通讯接口时，一个通讯接口只能联接一台仪表。RS485通讯接口通讯距离长达1km以上，只需两根线就能使多台AI仪表与计算机进行通讯，优于RS232通讯接口。为使用普通个人计算机PC能作上位机，可使用RS232C/RC485型通讯接口转换器，将计算机上的RS232C通讯口转为RS485通讯口。3结束语 首先，该仪表采用交流方波信号作为激励信号，提高了测量结果的线性度和精度，防止电导率传感器在使用过程中的极化现象，延长了使用寿命；其次，该仪表采用专家系统技术和在线可编程技术对介质温度和介质流速变化带来的测量误差进行的补偿，使得测量结果更为精确，体现了仪表的智能化。在不增加制造成本的情况 下，用软件技术降低了测量误差，提高了测量精度。另外，虽然整个补偿方法采用软件进行，但是由于是按预置表进行的，因此计算量不大，程序执行时间较短，从而保证了测量过程的实时性。为该仪表进入自动控制系统奠定了基础。参考文献1方初良.电导式分析仪表.北京:水利电力出版社,1983.72王永红.过程检测仪表.北京:化学工业出版社,1999.93林晓梅等.利用虚拟仪器设计的智能在线电导率分析仪.中国仪器仪表,2002.2

电导率仪是适用于精密测量各种液体介质的仪器设备,主要用来精密测量液体介质的电导率值,当配以相应常数的电极可以精确测量高纯水电导率，广泛应用各领域的科研和生产。电导率仪常规的分类是按便携性分的，分为：便携式电导率仪，台式电导率仪和笔式电导率仪。也有的按用途分为：实验室用电导率仪，工业在线电导率仪等。也有的按先进程度分为经济型电导率仪，智能型电导率仪，精密型电导率仪或分为指针式电导率仪，数显式电导率仪。 　　笔式电导率仪，一般制成单一量程，测量范围狭，为专用简便仪器。笔形还有制成TDS计，用于测量饮用水质量，盐度计测量汤(溶液)盐度等。便携式和台式电导率仪测量范围较广，常用仪器，不同点是便携式采用直流供电，可携带到现场。实验室电导率仪测量范围广、功能多、测量精度高。工业用电导率仪的特点是要求稳定性好、工作可靠，有一定的测量精度、环境适应能力强、抗干扰能力强，具有模拟里量输出、数字通讯、上下限报警和控制功

1概述　　　　在线电导率仪主要由电导率电极(传感器)和电导率显示控制仪两部分组成。其工作原理和台式电导率仪的工作原理一样,都是基于电导率、电导和电导池常数的关系式。即:　　　　式中:k—电导率仪,μS·cm-1;Kcell—电导池常数,cm-1;G电导,S;R—电阻,Ω。　　　　由于CM-230型在线电导率仪有自动温度补偿功能,故按照规程要求只需对其进行外观、电子单元引用误差、电子单元重复性、电导池常数示值误差、仪器引用误差和仪器重复性等项目的检定。　　　　2检定用设备及标准物质　　　　检定用设备及标准物质如表1所示。　　　　3检定方法　　　　3.1外观检查　　　　仪器面板应清洁,标示清晰,显示清楚完整;仪器背部接线准确无误且牢固,导线与导线间无直接及间接接触,绝缘良好;调零钮、常数调节钮及换挡插件能正常工作;仪器铭牌干净,标示齐全;传感器单元完好无损,能正常地把信号传输到电子单元。　　　　3.2电子单元引用误差的检定　　　　(1)关闭电源,对照图1连接检定装置。1和3连接电导率仪检定装置,2和4连接温度模拟补偿电阻(精密直流电阻箱)。　　　　(2)调零。断开1或3,将短路插片置于20μS·cm-1档,打开电源,调节ZERO钮,使仪器示值为零,然后把线路还原接好。　　　　(3)调节常数。将短路插片置于常数调节档(CHECK),调节CHECK钮,使常数为1.000cm-1。　　　　(4)检定。将短路插片置于20μS·cm-1量程档,从电导率仪检定装置向被检仪器输入对应量程范围内的电阻值,记下相应的仪器示值,至少检定3个点,且这些点应分散分布,重复测量3次。　　　　(5)切换到其他的量程档,重复c和d操作。　　　　(6)计算。电子单元应用误差按公式(2)计算。　　　　式中`k某点三次示值的平均值,μS·cm-1;ks—对应点输入的标准电导率,μS·cm-1;kF—检定该点时所选量程的上限值,μS·cm-1;Δk—该点仪器示值的绝对误差,μS·cm-1。　　　　3.3电子单元重复性的检定　　　　在电子单元引用误差检定的同时,选择任一量程档(通常选择200μS·cm-1档),输入一标准电导率值(如100μS·cm-1),读取电导率仪示值,连续测量6次,按公式(3)计算电子单元重复性。　　　　式中:ki—第i次仪器的示值,μS·cm-1。