一種基于雙模自調節電導率檢測的智能水質檢測系統的制作方法

本發明涉及水質檢測領域，特別是一種基于雙模自調節電導率檢測的智能水質檢測系統。

背景技術：

隨著我國經濟水平和城市化水平的不斷提升，環境污染的加劇和污水處理技術及控制問題日益受到人們的關注。因此，水質檢測在現代工業生產中的地位日趨重要。目前水質檢測的方法主要有紫外吸光度法，分光光度法、熒光法、電導率法等。前三種方法通過對水質進行光譜的吸收和折射估算待測水質的溶質和濃度，因此能達到一定的測量精度要求。但是其缺點是在檢測的過程中需要手工操作且檢測時間長、儀器操作復雜以及檢測成本高。同時，其在穩定性、可靠性，尤其是在測量的同步性和在中、高濃度的測量精度上很難使用戶滿意。電導率檢測法是目前工業生產中水質檢測的主要方法，因其具有數據穩定、簡便易行的優點，已成為水質檢測的重要方法。然而傳統的電導率檢測方法精度較低，智能化程度不高，并且傳統的電導率檢測方法隨使用時間增加存在由于電極極化導致同質的陽離子或者陰離子電荷會集中于同一側電極，引起檢測數值偏移，檢測結果失真的問題。目前還未有相關文獻報道解決該問題。基于此，本發明提出了一種基于雙模自調節電導率檢測電路的電導率傳感器電極極化補償的實時智能電導率檢測設計方案。

傳統電導率檢測法將電導率傳感器視為純電阻，被測信號通過電導率傳感器和已知電阻構成的反相放大電路后得到電導率輸出信號。電導率傳感器等效電阻的阻值由該反相放大器輸入和電導率輸出信號計算得出。根據電導率傳感器等效電阻求解得出溶液電導率數值。該方法存在兩個主要缺陷：(1)傳統的電導率檢測方法存在由于電極極化導致同質電荷集中于同一側電極而引起檢測數值偏移，造成檢測結果失真的問題。(2)傳統電導率檢測法將待檢測溶液的電導率視為常數值，這顯然是有局限的，因為檢測溶液會隨測試環境，濃度，時間變化而變化，因此不能簡單視為常數值。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于克服現有技術中的上述缺陷，提出一種基于雙模自調節電導率檢測的智能水質檢測系統，能自動檢測電導率，消除了電導率傳感器電極的電容效應影響，克服了電極極化導致同質電荷集中于同一側電極而引起的檢測數值偏移，檢測結果失真的缺陷。

本發明采用如下技術方案：

一種基于雙模自調節電導率檢測的智能水質檢測系統，其特征在于：包括雙模自調節電導率檢測電路、數據采集電路和可編程邏輯陣列；該雙模自調節電導率檢測電路設有第一傳感器電極和第二傳感器電極以檢測電導率；該數據采集電路與雙模自調節電導率檢測電路相連以采集第一傳感器電極和第二傳感器電極的變化數據并進行模數轉換；該可編程邏輯陣列與雙模自調節電導率檢測電路和數據采集電路相連以將檢測的電導率與模數轉換后的數據比較，并根據比較結果控制數據采集電路的采集精度和數據轉換速度。

優選的，所述雙模自調節電導率檢測電路包括第一定時器、第二定時器、第一反向器、第二反向器、第一三極管、第二三極管、第一開關、第二開關、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容、第六電容、第一電阻和第二電阻；該第一定時器、第二定時器的輸出端分別連接第一電阻、第二電阻一端，第一電阻和第二電阻另一端分別連接第一三極管和第二三極管基極并作為電導率輸出端；該第一三極管和第二三極管的集電極連接vcc；該第一三極管發射極與第一定時器的放電端、第一開關一端、第一反向器輸入端、所述第一傳感器電極一端相連；該第二三極管發射極與第二定時器的放電端、第二開關一端、第六電容一端、所述第二傳感器電極一端相連；該第一開關另一端與第三電容一端、所述第二傳感器電極另一端、第二定時器的高觸發端和低觸發端相連；該第二開關另一端與第二電容一端，所述第一傳感器電極另一端、第一定時器的高觸發端和低觸發端相連；該第三電容和第二電容另一端接地；該第一反向器的輸出端連接第五電容一端，該第五電容另一端與第二反向器的輸入端連接vcc，該第二反向器的輸出端連接第六電容另一端；該第一定時器和第二定時器的接地端分別連接第一電容和第四電容一端，第一電容和第四電容另一端接地。

優選的，所述第一三極管和第二三極管為npn三極管。

優選的，所述第一定時器和第二定時器為555定時器。

優選的，所述數據采集電路包括模數轉換器、信號放大器第三電阻、第四電阻、第五電阻和第六電阻，該第五電阻一端與所述第一傳感器電極或第二傳感器電極相連，另一端與第四電阻一端相連，第四電阻另一端與第三電阻一端和信號放大器一輸入端相連；該信號放大器另一輸入連接第六電阻；該第三電阻另一端和信號放大器輸出端與模數轉換器相連。

優選的，所述可編程邏輯陣列為altera公司的cycloneiiep2c5t144。

優選的，還包括顯示電路，該顯示器與所述可編程邏輯陣列相連以顯示電導率測試數據。

優選的，還包括存儲器，該存儲器與所述可編程邏輯陣列相連以存儲模數轉換后的數據。

由上述對本發明的描述可知，與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

本發明針對傳統的電導率檢測設備測試精度較低，智能化程度不高的問題，以及傳統的電導率檢測方法隨使用時間增加，同質電荷集中于同一側電極，引起檢測數值偏移，造成檢測結果失真的問題，提出了一種基于雙模自調節電導率檢測電路的電導率傳感器電極極化補償的實時智能電導率檢測系統。該系統不僅實現了自動檢測電導率，而且消除了電導率傳感器電極的電容效應影響，克服了電極極化導致同質電荷集中于同一側電極而引起的檢測數值偏移，檢測結果失真的缺陷，具有較好的實際意義和較高的經濟價值。

附圖說明

圖1為本發明系統的組成框圖；

圖2為本發明雙模自調節電導率檢測電路圖；

圖3為數據采集電路；

圖4為顯示電路；

其中：10、雙模自調節電導率檢測電路，20、數據采集電路，30、可編程邏輯陣列，40、存儲器，50、顯示電路。

具體實施方式

以下通過具體實施方式對本發明作進一步的描述。

參照圖1至圖4，一種基于雙模自調節電導率檢測的智能水質檢測系統，包括雙模自調節電導率檢測電路10、數據采集電路20、可編程邏輯陣列30、顯示電路50和存儲器40。該雙模自調節電導率檢測電路10設有第一傳感器電極f1和第二傳感器電極f2以檢測電導率，還能消除同質電荷極化效應，提高檢測精度和工作速度。該數據采集電路20與雙模自調節電導率檢測電路10相連以采集第一傳感器電極f1和第二傳感器電極f2的變化數據并進行模數轉換，可編程邏輯陣列30將數據暫存至存儲器40。該可編程邏輯陣列30與雙模自調節電導率檢測電路10、數據采集電路20、顯示電路50和存儲器40相連，用于分析雙模自調節電導率檢測電路10輸出，獲得電導率傳感器等價阻抗數據并與暫存到存儲器40的模數轉換后的數據比較。若兩者差值小于預設的測量精度ε，則通過顯示電路50輸出，否則，調節數據采集電路20中信號放大電路的可調電阻(即第五電阻r5)，直至滿足兩者差值小于預設的測量精度ε。

具體的，雙模自調節電導率檢測電路10還包括第一定時器j1、第二定時器j2、第一反向器iv1、第二反向器iv2、第一三極管q1、第二三極管q2、第一開關s1、第二開關s2、第一傳感器電極f1、第二傳感器電極f2、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電容c5、第六電容c6、第一電阻r1和第二電阻r2等。該第一三極管q1和第二三極管q2為npn三極管，第一定時器j1和第二定時器j2為555定時器。

該第一定時器j1、第二定時器j2的輸出端分別連接第一電阻r1、第二電阻r2一端，第一電阻r1和第二電阻r2另一端分別連接第一三極管q1和第二三極管q2基極并作為電導率輸出端v01和v01。該第一三極管q1和第二三極管q2的集電極連接vcc。該第一三極管q1發射極與第一定時器j1的放電端、第一開關s1一端、第一反向器iv1輸入端、第一傳感器電極f1一端相連。該第二三極管q2發射極與第二定時器j2的放電端、第二開關s2一端、第六電容c6一端、第二傳感器電極f2一端相連；該第一開關s1另一端與第三電容c3一端、第二傳感器電極f2另一端、第二定時器j2的高觸發端和低觸發端相連；該第二開關s2另一端與第二電容c2一端，第一傳感器電極f1另一端、第一定時器j1的高觸發端和低觸發端相連。該第三電容c3和第二電容c2另一端接地。

該第一反向器iv1的輸出端連接第五電容c5一端，該第五電容c5另一端與第二反向器iv2的輸入端共同連接vcc，該第二反向器iv2的輸出端連接第六電容c6另一端。該第一定時器j1和第二定時器j2的接地端分別連接第一電容c1和第四電容c4一端，第一電容c1和第四電容c4另一端接地。

當第一開關s1和第二開關s2關斷，即s1s2＝00時，電路正常開始工作模式，定時器的低觸發端輸入電壓低于1/3vcc，此時第一定時器j1內置的觸發器置位，第一定時器j1的輸出端輸出高電平，第一三極管q1，第二三極管q2導通，vcc通過q1和q2，并且經過第一傳感器電極f1和第二傳感器電極f2分別給c2和c4充電，同時定時器內置的放電開關管截止。在此模式下，若低觸發端觸發輸入超過參考電平2/3vcc時，高觸發端內部高電平比較器翻轉，觸發器復位，定時器的輸出端輸出低電平，同時放電開關管導通，第二電容c2和第三c3同時放電。

當第二開關s2閉合，第一開關s1關斷，即s1s2＝01時，電路處于消除極化效應模式。此時，第一定時器j1和第二定時器j2的低觸發端輸入電壓初始電壓為零，其內置觸發器置位，第一定時器j1和第二定時器j2的輸出端輸出高電平，第一三極管q1，第二三極管q2導通，vcc通過第一三極管q1和第二三極管q2，并且經過第一傳感器電極f1和第二傳感器電極f2分別給第二電容c2和第四電容c4充電。同時，由于第二開關s2閉合，因此vcc通過第六電容c6、第二反向器iv2單獨給第二電容c2充電。相較于s1s2＝00的情形，電路具有更快的充電時間。若低觸發端輸入超過參考電平2/3vcc時，高觸發端內部高電平比較器翻轉，觸發器復位，定時器的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管導通，第二電容c2和第三c3同時放電。由于第二s2閉合，因此相比于s1s2＝00工作模式，該模式增加了a2b1電荷泄放通路，具有更快的電荷放電速率。

當第二開關s2關斷，第一開關s1閉合，即s1s2＝10時，電路處于消除極化效應模式，其工作原理與s1s2＝01時類似，不再贅述。

雙模自調節電導率檢測電路10中的第一反相器iv1和第五電容c5以及第二反向器iv2和第六電容c6能夠調節電路的充放電時間系數，提高電路工作速度和拓寬噪聲容限。第一三極管q1和第二三極管q2的作用是擴展第一定時器j1和第二定時器j2的帶負載能力，保證系統測量電導率時，電路輸出有較寬的線性范圍。第一電阻r1和第二電阻r2能提高第一三極管q1和第二三極管q2的輸入阻抗，降低電路的1/f噪聲。

當檢測到同質電荷電極極化效應時，將第一開關s1、第二開關s2設置為s1s2＝01或者10，檢測電路進入消除極化效應模式，此時第一傳感器電極f1的a1端與第二傳感器電極f2的b2端導通，或者第一傳感器電極f1的a2端與第二傳感器電極f2的b1端導通，使得第一傳感器電極f1的a1端陽離子與第二傳感器電極f2的b2端的陰離子相互中和，這樣兩個電極的電勢差與測試時電勢差方向相反，可將陰極上面的陽離子和陽極上面的陰離子驅離，使得下一次測量結果準確，避免了檢測失真問題。

根據以上電路工作原理，可以得到下列公式：

其中zo為第一反相器iv1的導通電阻，zf為傳感器電阻的等效阻抗，vo1為雙模自調節電導率檢測電路10的輸出。

因此，得到雙模自調節電導率檢測電路10的輸出vo1與電導率gf(gf＝1/zf)的數學變換關系為：

從上式可以示出，vo1與gf呈現線性關系。由于電路輸出vo1采用頻率形式，因此可以采用光電耦合器將雙模自調節電導率檢測電路10與微系統實現電器隔離，從本質上電導率檢測法把傳感器電極視為可變的阻抗研究，不僅實現了阻抗隨頻率自動跳變，而且消除了電導率傳感器電極的極化效應和電容效應影響，避免了電極極化導致同質電荷集中于同一側電極而引起的檢測數值偏移，檢測結果失真的缺陷。

數據采集電路20包括模數轉換器、信號放大器、第三電阻r3、第四電阻r4、第五電阻r5和第六電阻r6，該第五電阻r5一端與所述第一傳感器電極f1或第二傳感器電極f2相連，另一端與第四電阻r4一端相連，第四電阻r4另一端與第三電阻r3一端和信號放大器一輸入端相連；該信號放大器另一輸入連接第六電阻r6；該第三電阻r3另一端和信號放大器輸出端與模數轉換器相連。本發明采用icl7189作為模數轉換器的采樣芯片。icl7189是基于雙積分式模數轉換器，它先對輸入模擬電壓進行固定時間的積分，而后對標準電壓的反相積分，直至積分輸入返回初始值，這兩個積分時間的長短正比于二者的大小，進而可以得出對應模擬電壓的數字量。icl7189具有如下特性：(a)高精度(精確為1/4096)；(b)低噪聲(典型值為15μvp-p)；(c)輸出與ttl兼容，以字節方式(分高低字節)三態輸出，并且具有vart掛鉤方式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統；(d)可用rvnhold(運行/保持)和status(狀態)信號監視和控制轉換定時。因此選擇icl7109可以滿足系統數據采集要求。信號放大器選擇lm324型號，通過采集雙模自調節電導率檢測電路10中的電導率傳感器電極變化數據，然后經過數據采集電路20中的放大器將電導率信號送入模數轉換器進行模數轉換，電導率傳感器等效為阻抗r4，被測信號通過一個由電導率傳感器和已知電阻r3構成的反相信號放大電路。r5為可調節變阻器，用來調整調節數據采集電路20中信號放大電路的可調電阻r5阻值，直至滿足兩者差值小于預設的測量精度ε

可編程邏輯陣列30用來對采集的數據分析處理，并控制存儲器40的數據，以及與顯示器、存儲器40等實現交互式訪問。可編程邏輯陣列30對數據進行處理和顯示，當某參數指標顯示變化時，系統自動輸出。雙模自調節電導率檢測電路10以及數據采集電路20的信號直接或間接由模數轉換器icl7189轉換后被可編程邏輯陣列30采集，分析和存儲。可編程邏輯陣列30的主要作用有兩點：其一為分析和控制模數轉換器的采集控制，確保數據離散化結果的準確度；其二為緩存數據，分析和判斷數據測量結果。雙模自調節電導率檢測電路10輸出與可編程邏輯陣列30連接，利用可編程邏輯陣列30獲得電導率傳感器等價阻抗數據并與暫存到存儲器40的模數轉換后的數據比較，若兩者差值小于預設的測量精度ε，則通過外圍電路顯示輸出。因此，本發明選用intel旗下的altera公司的cycloneiiep2c5t144。cycloneⅱ系列fpga采用tsmc(臺積電)的90nm工藝，將低成本fpga的密度擴展到了68416個邏輯單元(les)，從而可以在低成本fpga上實現復雜的數字系統，而且穩定性很高，可以滿足系統采集邏輯的控制需求。

顯示電路50由4位八段碼組成，具體電路如圖4所示，還包括有第三三極管q3、第四三極管q4、第五三極管q5、第六三極管q6。此電路為共陰極連接方式，將所有發光二極管的陰極連接在一起成為公共陰極數碼管。對4個數碼管采用可編程邏輯陣列30控制分時復用，輪流控制。由于可編程邏輯陣列30掃描的速度足夠快，快于人肉眼視覺反應速度，因此顯示電路50能夠穩定的顯示動態數據，同時節省大量的輸入輸出端口，功耗低。由圖4可知，4個數碼管的8個引腳a～h接入可編程邏輯陣列30的a3，b3，c3，d3，e3，f3，g3和h3引腳。第三三極管q3，第四三極管q4，第五三極管q5和第六三極管q6的發射極連接到4位八段碼。第三三極管q3，第四三極管q4，第五三極管q5和第六三極管q6的基極通過阻抗匹配第六電阻r6，第七電阻r7、第八電阻r8和第九電阻r9，分別連接到可編程邏輯陣列30的控制引腳d25，j22，e26和e25。通過控制引腳d25，j22，e26和e25可以使相應的數碼管被選中，而后將a3，b3，c3，d3，e3，f3，g3和h3引腳顯示相應的數碼管(1～4個數碼管)顯示電導率測試數據。

上述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發明保護范圍的行為。