專利名稱：一種不均勻溶液的多段液面電導率測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動測量控制技術領域，特別是一種對不均勻溶液的不同液面電導率同時進行自動測量的裝置。
背景技術：
目前市場上的溶液電導率測量儀器大多是針對均勻溶液進行電導率的測量，一般的測量方法是將一對電極插入到測量溶液中，通過在電極之間不斷施加激勵信號的方法，換算出該段液面的電導率值。即使是一般的多通道的測量儀器，也只是單純地復制上述單通道的模式，由于其多對電極通常有公共端并且不獨立，造成其多對電極之間都同時存在激勵信號。這種方法一般適用于測量一種或多種均勻溶液電導率的場合。但是在某些工業(yè)應用場合，對一種溶液進行不均勻加熱，由于溶液的各部分溫度、濃度不同，需要對該種不均勻溶液中的多段液面的電導率同時進行實時測量。如果使用上述方法，把多個普通設備或多通道設備的電極同時安裝在一種溶液的不同液面進行測量，由于多對電極之間的多個激勵信號的相互干擾影響，會對測量結果產(chǎn)生較大的偏差，而且測量所需的設備儀器復雜繁多、占用體積大、成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述所存在的問題和市場應用需求而提供的一種不均勻溶液的多段液面電導率的測量裝置。其結構簡潔、測量精度較高、制作成本較低。實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術方案如下:一種不均勻溶液的多段液面`電導率測量裝置，特點是該裝置包括多電極玻璃管、多通道切換器、擋位切換器、溫度采集器、微控制器及PC上位機，其中:所述多電極玻璃管由一端開口的長玻璃管以及可移動的數(shù)對電極組成，每對電極分布在玻璃管的不同高度上，電極的面積固定，同時數(shù)對電極之間無公共端，完全獨立 ’溶液即裝在玻璃管中。所述多通道切換器具有多路選I路的模擬電子開關。它的多路通道與多電極玻璃管中的數(shù)對電極相連；它的輸入與微控制器中DAC輸出的正弦激勵信號相連；在其輸入和輸出之間，有多個開關對應控制多路通道與輸入、輸出的聯(lián)通和斷開。另外，多通道切換器對外部引出數(shù)個控制引腳，根據(jù)引腳上的電平來決定多個開關的狀態(tài)，從而可從多路通道中選擇I路與輸入和輸出相互聯(lián)通，這樣就可以切換數(shù)對電極與激勵信號的連斷，也就可以保證在同一時刻液體內(nèi)只有一對電極輸出激勵信號，不存在相互干擾的情況。所述擋位切換器由一個1-V轉換器以及低通濾波器組成，其中，1-V轉換器的輸入連接多通道切換器的輸出電流，其反饋電阻由一個多選I模擬電子開關來選擇多個不同范圍的電阻，根據(jù)模擬電子開關的數(shù)個控制引腳上的電平來決定所選擇的反饋電阻，從而可以調節(jié)轉換器的放大倍數(shù)，也就完成了多個擋位之間的切換；模擬電子開關的控制引腳連接微控制器的10。之后，1-V轉換器的輸出即是放大后的電壓信號，通過低通濾波器用來去除放大后信號中的高頻和開關切換造成的噪聲。所述溫度采集器由熱敏電阻和數(shù)字溫度傳感器組成，測量環(huán)境溫度和通道溫度，其結果將以數(shù)字信號的方式傳給微控制器。所述微控制器包括10、片內(nèi)定時器、片內(nèi)DAC、片內(nèi)ADC以及UART接口，利用片內(nèi)DAC生成一個固定周期為T的正弦激勵信號到多通道切換器的輸入；根據(jù)通道控制方法，來循環(huán)切換各個通道；當切換到一個通道后，利用片內(nèi)ADC對擋位切換器的輸出進行采集，根據(jù)換擋算法，調節(jié)到適合當前通道的擋位，再次進行ADC采集，根據(jù)測量算法，對采集到的數(shù)據(jù)進行計算校正，得到當前通道的電導率值，即當前液面的電導率值；所述PC上位機通過微控制器·的UART接口，接收到的各液面的電導率值和溫度值，并進行顯示和分析。所述通道控制方法是:利用微控制器的片內(nèi)定時器，周期地變換聯(lián)通到多通道切換器中的控制引腳上的IO的電平，使得激勵信號循環(huán)周期地聯(lián)通到每路獨立的通道上，即每段液面之間的電極上；同時根據(jù)保存的擋位，將多通道切換器切換到相應擋位；每組通道的聯(lián)通時間為一固定時間t (ms)，其中t為激勵信號周期T的整數(shù)倍，即t=N*T (ms)，這就是每個通道ADC的采樣時間；由于T 一般在幾毫秒內(nèi)，所以一次循環(huán)切換多個通道的時間在幾十毫秒內(nèi)，從而保證了測量的實時性。當激勵信號被切換到新通道后，或者由于換擋需要切換多通道切換器中的反饋電阻時，需要等待4個周期后開始ADC采樣，這樣可以防止開關對信號的擾動以及電極之間的干擾。所述換擋算法是:設擋位切換器中J個反饋電阻，則對應有J個擋位％ (US)(j=l, 2...J)，并且J個擋位滿足W1 > Wf> ^的關系；設多通道切換器現(xiàn)被切換在擋位Wj ;根據(jù)
權利要求
1.一種不均勻溶液的多段液面電導率測量裝置，其特征在于該裝置包括多電極玻璃管、多通道切換器、擋位切換器、溫度采集器、微控制器及PC上位機，其中: 所述多電極玻璃管由一端開口的長玻璃管以及可移動的數(shù)對電極組成，每對電極分布在管的不同高度，電極的面積固定，同時數(shù)對電極之間無公共端，完全獨立； 所述多通道切換器設有數(shù)路選一路的模擬電子開關，其數(shù)路通道引腳與多電極玻璃管中的數(shù)對電極相連；其輸入與微控制器中DAC輸出的正弦激勵信號相連；數(shù)個控制引腳與微控制器的IO相連，用于控制其內(nèi)部的數(shù)個開關所對應的數(shù)路通道與其輸入和輸出的聯(lián)通和斷開； 所述擋位切換器由一個ι-v轉換器和低通濾波器組成，其中，1-V轉換器的輸入連接多通道切換器的輸出，由一個模擬電子開關來選擇不同范圍的電阻，根據(jù)電子開關的控制引腳上的電平來決定反饋電阻，模擬電子開關的控制引腳連接微控制器的IO ;1-V轉換器的輸出信號通過低通濾波器后作為擋位切換器的輸出； 所述溫度采集器由熱敏電阻和數(shù)字溫度傳感器組成，測量環(huán)境溫度和通道溫度，其結果以數(shù)字信號的方式傳給微控制器； 所述微控制器包括10、片內(nèi)定時器、片內(nèi)DAC、片內(nèi)ADC以及UART接口，利用片內(nèi)DAC生成一個固定周期為T的正弦激勵信號到多通道切換器的輸入；根據(jù)通道控制方法，來循環(huán)切換各個通道；當切換到一個通道后，利用片內(nèi)ADC對擋位切換器的輸出進行采集，根據(jù)換擋算法，調節(jié)到適合當前通道的擋位，再次進行ADC采集，根據(jù)測量算法，對采集到的數(shù)據(jù)進行計算校正，得到當前通道的電導率值，即當前液面的電導率值； 所述PC上位機通過微控制器的UART接口，接收到的各液面的電導率值和溫度值，并進行顯示和分析。
2.根據(jù)權利要求1所述的不均勻溶液的多段液面電導率測量裝置，其特征在于所述通道控制方法是:利用微控制器的片內(nèi)定時器，周期地變換聯(lián)通到多通道切換器的控制引腳上的IO的電平，使得激勵信號循環(huán)周期地聯(lián)通到每路獨立的通道上，即每段液面之間的電極上；每組通道的聯(lián)通時間為一固定時間t (ms)，其中t為激勵信號周期T的整數(shù)倍，即t=N*T (ms)。
3.根據(jù)權利要求1所述的不均勻溶液的多段液面電導率測量裝置，其特征在于所述換擋算法是: 設擋位切換器的當前擋位為％，利用微控制器的ADC采集的數(shù)據(jù)，計算當前液面的有效均方根值RMSs =指Zfn - P)2，其中Vt為ADC所采集到第i個點的數(shù)字電壓值，M為在固定時間t內(nèi)總共采集的點數(shù)，D為信號中的直流數(shù)字電平值； 預先取與相鄰兩擋位下的反饋電阻值相等的兩個測試電阻，當電極分別連接這兩個測試電阻時，測得的有效均方根值分別記作RMSmm和RMSmn，作為為兩個判別閥值；將當前液面的RMSe與RMSmm和RMSmn進行比較:當RMSe < RMSmn,則將擋位保存為Wj+1 ;當RMSe >RMSmn,則將擋位保存為W p1 ;當RMSmn < RMSg < RMSsiax，則保存當前擋位Wj ;之后，根據(jù)保存的擋位，改變聯(lián)接到1-V轉換器的電子開關的控制引腳上的IO的電平，將擋位切換器切換到相應擋位； 在不同擋位下不斷執(zhí)行上述過程，直到滿足RMSMin < RMSg < RMSmm時，即完成了測量一段液面的自動換擋。
4.根據(jù)權利要求1所述的不均勻溶液的多段液面電導率測量裝置，其特征在于所述測量算法是: 當切換到某個通道來測量某個液面時，利用換擋算法將擋位切換器調整到合適擋位后，先通過微控制器的ADC采集到的數(shù)據(jù)，計算當前液面的有效均方根值RMSe ； 預先取與當前擋位下的反饋電阻值相等的測試電阻，當電極連接這個測試電阻時，測得的有效均方根值記作RMS。，作為參考值；計算當前液面的電導率測量值為G =其中&是當前擋位下的反饋電阻的阻值； 再利用線性校正的方法，根據(jù)Gtl = l^G+bijiG進行校正，得到當前液面的電導率校正值Gtl,即為當前液面的電導率值；其中ku和bu為當前通道、當前擋位下的2個校正系數(shù)，能夠通過標準液 測得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種不均勻溶液的多段液面電導率測量裝置，包括多電極玻璃管、多通道切換器、擋位切換器、溫度采集器、微控制器及PC上位機。多通道切換器用于切換多電極玻璃管上的多個獨立通道，擋位切換器負責調節(jié)合適當前液面的擋位，溫度采集器用來采集環(huán)境和通道溫度，微控制器用來產(chǎn)生激勵信號、協(xié)調各個模塊之間的控制關系以及采集計算各液面的電導率值，最后微控制器將各液面的電導率和溫度值通過串口傳輸?shù)絇C上位機進行顯示和分析。該裝置使得多個通道之間無公共端、完全獨立，避免了溶液內(nèi)多個激勵信號相互影響而造成的誤差。其結構簡潔，有較好的測量精度，制作成本低廉。
文檔編號G01N27/06GK103115948SQ201210553018
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權日2012年12月18日
發(fā)明者沈建華, 王昕 申請人:華東師范大學