摘 要： 分析了液體電導(dǎo)率的測(cè)量原理，將電導(dǎo)率的測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的測(cè)量，并建立了等效電路模型；利用MATLAB對(duì)測(cè)量電導(dǎo)率電路模型進(jìn)行了仿真分析，觀察不同參數(shù)變化對(duì)輸出電壓幅值的影響，得出在理想與非理想電阻情況下輸入正弦波激勵(lì)信號(hào)頻率變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為提高測(cè)量精度，可利用方波信號(hào)代替正弦波信號(hào)作為激勵(lì)源；給出了在低功耗應(yīng)用中，基于MSP430單片機(jī)和nRF905無(wú)線模塊組成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妼?dǎo)率變送器的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 電導(dǎo)率傳感器；電路模型；仿真分析；激勵(lì)信號(hào)；無(wú)線傳輸
目前，在工業(yè)、環(huán)保、勘探等自動(dòng)控制領(lǐng)域中，都需要對(duì)液體成分、性質(zhì)等因素進(jìn)行測(cè)定分析，特別是在勘探中，其工作環(huán)境惡劣，對(duì)液體分析要求較高。而電導(dǎo)率是液體的基本屬性，通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率對(duì)分析液體純凈度、電介質(zhì)含量及帶電離子濃度有著重要作用，故高精度的電導(dǎo)率測(cè)量非常重要?，F(xiàn)實(shí)中電導(dǎo)率的應(yīng)用范圍較廣，但對(duì)其模型進(jìn)行系統(tǒng)分析的文章不多，本文在利用非接觸式電磁感應(yīng)線圈探頭檢測(cè)液體電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上[1-3]，討論了電導(dǎo)率傳感器激勵(lì)信號(hào)頻率變化及分布參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響，并給出解決方案。考慮到勘探現(xiàn)場(chǎng)有線傳輸數(shù)據(jù)及調(diào)試不方便等缺點(diǎn)，給出了特別適合于低功耗、短距離(100 m～200 m)、小數(shù)據(jù)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1 測(cè)量原理
電導(dǎo)率傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩個(gè)線圈L1和L2組成，L1和L2是繞有相同匝數(shù)銅絲的鐵氧體磁環(huán)。L1作為輸入激勵(lì)線圈，與交流電壓源相連，L2作為輸出信號(hào)線圈。測(cè)量時(shí)將其全部浸入待測(cè)液體中，被測(cè)液體則必然穿過(guò)兩線圈的聯(lián)通孔，形成公共圈。將被測(cè)液體看作是具有一定電阻的單匝線圈，此時(shí)如果在線圈L1兩端加幅值不變的交流信號(hào)，因?yàn)橐后w單匝線圈穿過(guò)L1線圈，則在單匝線圈內(nèi)必然有感應(yīng)電流，同時(shí)也穿過(guò)L2線圈，于是在L2線圈內(nèi)必然感應(yīng)出輸出信號(hào)。所以，通過(guò)測(cè)量線圈L2兩端的電壓即可通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得出待測(cè)液體的電導(dǎo)率。
圖5中，曲線a對(duì)應(yīng)激勵(lì)信號(hào)頻率為200 kHz時(shí)的輸出信號(hào)，其幅值為5 mV；曲線b對(duì)應(yīng)頻率為400 kHz時(shí)的輸出信號(hào)，幅值為5 mV；曲線c對(duì)應(yīng)頻率為600 kHz 時(shí)的輸出信號(hào)，其幅值為5 mV；曲線d對(duì)應(yīng)頻率為800 kHz時(shí)的輸出信號(hào)，其幅值為5 mV；曲線e對(duì)應(yīng)頻率為1 MHz時(shí)的輸出信號(hào)，幅值為5 mV。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，各輸出波形峰值相同，在此頻率段，輸出峰值不受頻率變化影響。
(2)激勵(lì)信號(hào)頻率為1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz時(shí)，輸出波形如圖6所示。
圖6中，曲線a對(duì)應(yīng)激勵(lì)信號(hào)頻率為1 MHz時(shí)的輸出信號(hào)，其幅值為5 mV；曲線b對(duì)應(yīng)頻率為2 MHz時(shí)的輸出信號(hào)，幅值為4.95 mV；曲線c對(duì)應(yīng)頻率為3 MHz時(shí)的輸出信號(hào)，其幅值為4.89 mV；曲線d對(duì)應(yīng)頻率為4 MHz時(shí)的輸出信號(hào)，其幅值為4.82 mV；曲線e對(duì)應(yīng)頻率為5 MHz時(shí)的輸出信號(hào)，幅值為4.72 mV。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，各輸出波形峰值不同，頻率越高，影響愈大。實(shí)際中分布參數(shù)影響更嚴(yán)重，所以激勵(lì)信號(hào)的頻率會(huì)受到限制。
1.3 仿真結(jié)論
理想情況下，輸出電壓幅值與等效電阻呈線性關(guān)系；非理想情況下，輸出電壓幅值受到輸入信號(hào)頻率影響，其中低頻時(shí)影響較小，頻率越高，分布參數(shù)對(duì)輸出電壓幅值影響越大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中選取的正弦波頻率不宜太高。
當(dāng)輸入頻率高于1 MHz時(shí)，由于被測(cè)系統(tǒng)中分布電容存在，輸出幅值將會(huì)受到分布電容的影響而削弱，如果用高頻的雙極性脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，在激勵(lì)信號(hào)的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期，激勵(lì)電壓同值反向，被測(cè)系統(tǒng)中的削弱現(xiàn)象就得到抑制[4-6]。經(jīng)仿真可發(fā)現(xiàn)，用高頻的雙極性脈沖作為激勵(lì)信號(hào)時(shí)，即使頻率高達(dá)1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz，輸出值為5 mV不變。取輸入信號(hào)為5 MHz正弦波和5 MHz方波時(shí)輸出波形如圖7所示。因此，采用方波信號(hào)代替正弦波信號(hào)，可有效提高測(cè)量精度，減小分布參數(shù)的影響。
2 變送器設(shè)計(jì)
變送器硬件主要由3個(gè)模塊組成，即傳感器測(cè)量單元、數(shù)據(jù)處理控制單元和無(wú)線通信單元。
（1）傳感器測(cè)量單元：傳感元件為電導(dǎo)率傳感器探頭和溫度傳感器。由CPU產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)放大后送入傳感器測(cè)量探頭，輸出信號(hào)經(jīng)精密整流、偏移放大、濾波及限幅等處理后送往CPU。
（2）數(shù)據(jù)處理控制單元：從測(cè)量單元獲得的電壓與溫度信號(hào)由CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、零點(diǎn)與滿量程校正、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚韀7-9]，獲得待測(cè)液體的電導(dǎo)率，同時(shí)對(duì)應(yīng)輸出一路4 mA～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本單元核心部分為16位超低功耗的MSP430系列單片機(jī)，該單片機(jī)電源電壓為1.8 V～3.6 V，待機(jī)電流小于1 ?滋A，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電僅0.1 ?滋A，在活動(dòng)模式時(shí)耗電250 ?滋A/MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)條指令數(shù)）；具備高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍設(shè)備，包括10/12/16位ADC、12位DAC、比較器、多個(gè)定時(shí)器、片內(nèi)USART、看門(mén)狗、片內(nèi)振蕩器、大量的I/O端口及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，一般單片就可以滿足大多數(shù)應(yīng)用需要。基于上述特點(diǎn)，MSP430系列單片機(jī)在溫度檢測(cè)、智能變送器、便攜式儀表、實(shí)用檢測(cè)儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
（3）無(wú)線通信單元：選用單片集成射頻收發(fā)器芯片nRF905,可直接與各種單片機(jī)連接使用，軟件編程非常方便，而且抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓1.9 V～3.6 V，工作于433/868/915 MHz 3個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 ?滋s。nRF905功耗非常低，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA，以-10 dBm的輸出功率工作時(shí)電流只有9 mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。
nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的流程如圖8、圖9所示。
本文介紹了測(cè)量液體電導(dǎo)率的基本方法，并通過(guò)構(gòu)造測(cè)量電路模型進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，在理想情況下，只考慮液體為純電阻，測(cè)量電壓幅值大小與液體電導(dǎo)率高低呈線性關(guān)系，具有極高的線性度和精度，且不會(huì)受到輸入正弦波信號(hào)頻率的影響；在非理想情況下，需要考慮到液體電阻、導(dǎo)線等分布參數(shù)的存在。此時(shí)仿真結(jié)果表明，測(cè)量電壓幅值大小與液體電導(dǎo)率高低仍呈線性關(guān)系，但會(huì)受到輸入正弦波頻率的影響，針對(duì)實(shí)際環(huán)境需要選擇合適頻率的正弦波激勵(lì)信號(hào)。針對(duì)非理想情況下的這種影響，可選擇高頻雙極性脈沖方波作為傳感器的激勵(lì)源，由于在激勵(lì)信號(hào)的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期幅值相等、極性相反，激勵(lì)電流同值反向，可削弱被測(cè)系統(tǒng)中介質(zhì)電極化現(xiàn)象，同時(shí)可以減弱傳感器與導(dǎo)線分布參數(shù)的影響，可以有效提高測(cè)量精度。這里設(shè)計(jì)的基于MSP430單片機(jī)和nRF905無(wú)線模塊的電導(dǎo)率變送器具有功耗低、測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定與精度高、重復(fù)性能好等特點(diǎn)，該電導(dǎo)率傳感器已用于綜合錄井中測(cè)量泥漿電導(dǎo)率，也可用于如水質(zhì)凈化、液體電性能分析等領(lǐng)域。
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