海水淡化盐度检测方法及参数标定

摘要:介绍一款海水淡化盐度监控系统,主要就此传感器电路设计及其参数标定方法进行探讨。模拟电路部分主要是振荡电路和集成放大电路,参数标定着重介绍二元代数插值方法,并就提高测量精度提出改进方法。

关键词:电导;传感器;盐度;A/D转换;参数标定

0、 对海水盐度的监控在海水养殖和海水淡化等产业上十分重要,就目前产业的发展,越来越需要对盐度进行自动检测和控制。鉴于此,我们开发了一款盐度控制器,只需改变此标定精度和I/O接口定义,可应用于许多不同的场合。下面就此传感器部分的电路设计和一具体应用的标定进行探讨。

1 盐度控制器系统设计

七十年代以来,实验室盐度测量技术由电导测盐法代替了传统的化学滴定法,并研制出多种不同型式的盐度计,它们显示了各自的长处,目前,应用最广泛的是感应式盐度计和电极式盐度计。本装置根据电导法原理,以两根平行安置的圆柱状铜棒材料做探头,具有经济耐用、不易损坏的特点。由于盐度不同,电导率不同,从而探头两端电阻值不同,电桥将电阻的变化转换为输出电压的变化(或者采取串连电阻分压法),接着经放大和线性补偿后传给A/D转换器,最后由MCS51单片机系统读出A/D转换值,经计算处理核算出盐度值,并驱动液晶显示器进行盐度数字显示,同时和门槛值比较后,决定系统的控制动作。

我们设计了如图1所示的盐度计控制系统。



图1 盐度控制系统示意图

2 温度传感器电路设计及其标定

下面针对某一特定场合下海水淡化盐度控制器的参数标定进行探讨。本系统要求测量

范围在0—20ppm,分辨率为1ppm,超过15 ppm即报警。

2 温度传感器电路设计及其标定

下面针对某一特定场合下海水淡化盐度控制器的参数标定进行探讨。本系统要求测量

范围在0—20ppm,分辨率为1ppm,超过15 ppm即报警。

2.1 温度传感器电路设计

由于本控制器正常工作温度范围在30—50OC之间,所以我们主要关心此区间内的温度测定精度,用于系统的温度补偿。为此我们做了如图2所示电路,该电路中之所以加了减法电路,是为了得到对地的信号,和单片机系统的A/D转换芯片TLC0832的地端连接,因为TLC0832的另外一路用来转换盐度传感器信号,系统不采用差分接法,可省去一片A/D转换芯片。本控制系统之所以进行单独的温度标定,目的是在更换温度传感器后不必对整个盐度测量进行重新标定,只需标定温度,同时也便于手动温度补偿。

另外,热敏电阻器采用MF52 E103,它是采用新材料、新工艺生产的小体积树脂包封型NTC热敏电阻器,具有高精度和快速反应、 能长时间稳定工作、 互换性、一致性好等优点。



图2 温度传感器电路

2.2 试验数值记录及处理

表二是在试验结果中抽取的每隔5OC的实验记录;图3是用Excel对试验数值进行处理所得的拟合曲线。

表1 温度传感器标定试验数据记录

温度(OC) 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

A/D转换读值 25 31 39 47 57 67 82 97 114 135 154 175 195 222



图3 温度传感器试验数值的拟合曲线

由图3的拟合曲线可看出:在20-450C和45-850C两区间内,线性度很好。实践证明,用两断直线代替代数插值方法,求取的温度值,可以得到很高的精度,完全满足了此项工程的需要,简化了程序设计,并提高了单片机的运行效率。

用 Excel中的函数SLOPE和INTERCEPT很容易求得两区间内的直线方程分别为: 和 ,其中 为温度传感器读值, 为其对应的温度。例如,如果读出的A/D值为80,精确求出的温度值是50.210C。考虑到单片机系统的实际容量和数据处理能力,设 为unsigned char数值类型,求出的温度为近似值50。此方法求出的温度精度为正负0.50C。

3盐度值的标定

3.1盐度传感器部分电路设计



图4 盐度传感器电路

3.2试验记录处理

试验分别测得浓度为20ppm、15ppm、10ppm、5ppm、1ppm盐水在不同温度下的电导率传感器A/D读值,记录如表2。对于某一确定的盐度值,由于温度的不同,其电导率值是不同的,所以必须对读出的盐度值进行温度补偿。

这一系列点可拟合出一空间曲面: 轴为温度, 轴为对应的盐度值, 轴为盐度传感器A/D读值。为了求出任一 和 值所对应的盐度值,应用二元函数的代数插值方法求取。

表2 盐度传感器标定实验数据记录



3.3二元函数的代数插值原理

设函数 是定义在矩形域 上的实值函数,在定义域内,由试验得到一组数据 ,为了求出此区域内任意 所对应的 值,即可应用二元函数的代数插值方法求得。其原理如下:

在矩形区域 内,以点集 为插值结点,寻求二元插值多项式,使其满足插值条件:

(1)

有二元多项式: (2)

其中: ,

很显然二元多项式(2)满足插值条件(1)式,多项式(2)也称为Lagrange形式的插值曲面。

3.4应用举例

如果某一时刻测得:温度 ,盐度传感器读值为 ,求取盐度值。查表判断其所在的区间,求出对应的插值结点,如表3。

表3 某测量值所对应的插值结点

根据二元函数的代数插值原理,二元插值多项式为:

(3)

由 , 可得:

(4)

由(4)4 结论

  为了提高系统盐度的测量精度,可选择十二位或十六位的A/D转换芯片, 编写软件时,恰当地选择数值类型,兼顾单片机的容量和处理效率。本系统用tlc0832八位A/D转换芯片, 的数值类型选用unsigned char ,测量精度可得到1ppm,能够满足本工程的要求。

参考文献:

[1] 颜庆津.数值分析.北京航空航天大学出版社.2001

[2] 方建安、夏权.电化学分析仪器.东南大学出版社.1992

[3] 童诗白、华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2001

[4] 房小翠.单片微型计算机与机电接口技术.国防工业出版社.2002
式,可求出对应的盐度值 ,另一值 不合理,舍去。



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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2009年7月16日 已被浏览 1598 次 〖 打印本文