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
略
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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