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,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(100m~200m)、小數(shù)據(jù)量的無線數(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L線圈,則在單匝線圈內(nèi)必然有感應(yīng)電流,同時(shí)也穿過L線圈,于是在L2線圈內(nèi)必然感應(yīng)出輸出信號(hào)。所以,通過測(cè)量線圈L2兩端的電壓即可通過相應(yīng)計(jì)算得出待測(cè)液體的電導(dǎo)率。

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,輸岀信號(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?獲得待測(cè)液體的電導(dǎo)率,同時(shí)對(duì)應(yīng)輸出一路4mA~20mA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1.8V~3.6V,待機(jī)電流小于1μA,在RAM數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電僅0.1μA,在活動(dòng)模式時(shí)耗電250μA/MIPS(MIPS:每秒百萬條指令數(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、看門狗、片內(nèi)振蕩器、大量的IO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?；谏鲜鎏攸c(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**的應(yīng)用.

(3)無線通信單元: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 NordicⅥISI公司推出的單片射頻收發(fā)器,工作電壓1.9V~3.6V,工作于433/868/915MHz3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650μs。nRF905功耗非常低,工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA,以-10dBm的輸出功率工作時(shí)電流只有9mA,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SP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)的流程如下圖所示。

本文介紹了測(cè)量液體電導(dǎo)率的基本方法,并通過構(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,具有很高的線性度和精度,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