自动化电导率测量仪

智能电导率仪的设计

Design of Intelligent onductivity Meter

曹栓住（山东科技大学电气与自动化工程学院 山东 青岛 266510）

Cao Shuan-zhu(Shandong University of Science and Technology Electic and Automation

Engineering College Shandong Qingdao 266510)

摘要：智能电导率仪采用交流测量法来测量电导率。正弦激励的产生是通过阻抗测试芯片AD5933来实现的。AD5933输出的正弦激加在电导池的电极上，AD5933可以计算出溶液阻抗经过傅里叶变换后阻抗的实部R 和虚部I （结果保存在AD5933的寄存器中），然后再计算出校准系数A ，就可以通过单片机计算出溶液的真实阻抗，进而计算出溶液电导率。温度补偿电路测量溶液温度，用于修正温度对测量带来的影响。

关键字：溶液电导率；电极极化；正弦激励；滤波、放大；AD 转换 Abstract: Intelligence conductivity meter used AC measurement method measure the conductivity. Using a sine wave as a power incentives. Sinusoidal excitation is generated by impedance test chip AD5933. AD5933 output sinusoidal excitation applied to the electrode conductivity cell, AD5933 impedance solution can be calculated impedance real part R and an imaginary part I after Fourier transform (results stored in the AD5933 registers), and then calculate the calibration coefficients A which can be calculated by the microcontroller, then calculate the solution conductivity. The temperature compensation circuit measures temperature in order to refine results

Keywords: solution conductivity; electrode polarization; sinusoidal excitation; filtered and amplified; AD conversion

1 设计背景

电导率是一个衡量水溶液导电能力的电学物理量， 电阻率的倒数为电导率，用希腊字母κ表示（或者γ[1]），κ=1/ρ。一般意义上电导率的测量温度是标准温度（ 25 °C ）。在液体水的电导率是衡量水质的一个重要指标。电导率的测量在日常的生产和生活中有着比较广泛的应用，如测量饮用水的电导率用来检测水中所含电解质的浓度，用来测量沿海地下水的电导率来查看其地下水收海水的入侵程度，还可以用测量电导率的方式来辨别地沟油等。本文就是鉴于测量电导率的广泛应用而设计出了一种测量溶液电导率的智能测量仪。

2 测量原理

本文所设计的电导率传感器是通过插入溶液的两个电极在外加正弦激励的情况下，再经过信号的处理和单片机的运算而得到的】】【】【【431。

测量中所使用的正弦激励是通过阻抗测试芯片AD5933来实现的，正弦波的频率f 和幅值E 可以 通过单片机来控制。AD5933可以计算出经过溶液阻抗经过傅里叶变换后的实部R 和虚部I （结果保存在AD5933的寄存器中），然后再计算出校准系数A ，就可以通过单片机计算出溶液的真实阻抗，进而

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作者简介：曹栓住 男（1987---），山东科技大学在读研究生，检测技术与自动化装置专业，

计算出溶液电导率。另外由于溶液电导率还受到温度的影响，为了提高测量准确度还加入了温度电路， 当单片机计算得到电导率再通过由pt100采集到的温度的数值来修正。

3 传感器的结构组成

电导率测量仪采用单片机作为主控芯片，主要包括正弦信号发生电路，低通隔离直流滤波电路，传感器的测量电路，信号放大电路，多路模拟开关，温度测量电路，AD 转换电路， M-bus 通信电路。其中单片机是整个传感器的控制中枢，通过控制AD5933来调节正弦信号的幅值和频率，读取AD 转换器的数据，计算电导率的数值，控制M-bus 总线通信。

3.1 主控芯片单片机

电导率测量仪采用的微控制器是LPC932单片机，LPC932具有集成度高和成本低的特点。该单片机的封装体积比较小，有利于减小PCB 板的面积。比较高的集成度也可以减少单片机外围器件的数量。LPC932只需要二到四个时钟周期的指令执行时间，与普通的80C51器件相比速度要快很多

。

3.2 AD5933阻抗测量和正弦信号发生电路

电导率测量仪测量所需要的正弦激励是由芯片AD5933来实现的。正弦信号的幅值和频率可以通过该芯片进行调节。当AD5933外部接入负载时，负载阻抗经过傅里叶变换后的实部R 和虚部I 可以由AD5933计算出来并保存在内部寄存器中。由此可以计算出傅里叶变换后的幅值

M= 22I R +

为了得到真正的阻抗值还要计算出校准系数A ，计算A 的时候先在AD5933外部接入一个阻值已知的校正电阻R ，则 A=

M *R 1 当该频率固定不变时，校准系数A 的值也不变。就可以通过经过DFT 变换后的阻抗的实部R 和虚部I 以及校准系数A 求出引脚Vin 和V out 之间的负载的真实阻抗，计算公式为 Z=

M *A 1 当测量电极不变时，溶液的电导池常数Q 也不变，则溶液电导率 κ=Q

Z 1=Q M *A 1=Q M *A 1=Q I R *A 122+= I R *A Q 22+ AD5933的硬件连接图如图1所示：