文 献 综 述

1课题的研究背景和应用价值

通过电导率测量溶液浓度等应用十分广泛。 随着科学与技术的不断发展， 对溶液电导率的测量在电厂、 化工、 冶金、 医学和污水处理等部门的水质监测以及的测量精度要求也越来越高。对电导率的测量通常采用电极电导率测量法、 电磁电导率测量法和超声波电导率测量法。 尤其前两种方法应用十分普遍。 电磁电导率测量是通过电磁感应方法测量溶液回路的导电能力， 通过发射极在液体回路中感应出电压，再通过接收极接收由于感应电压而在液体回路中产生的电流。 这种方法由于不是用电极， 不存在电极极化问题， 也不存在电极表面涂镀耐腐材料和堵塞问题，可在强酸强碱，高温高压等恶劣的条件下使用。 但由于测量机理的限制，该方法只能测量高电导率的溶液，不适于高纯水测量， 测量范围窄。 而且用此方法研制的电导率仪造价较高。 相对而言电极电导率测量法采用的电极结构简单， 造价低廉， 测量范围广， 尤其适于测量高纯水， 本课题主要研究电极电导率测量法以及电导率仪的 研制。

2 国内外研究状况及分析

随着传感器的更新与微处理器机的应用， 电导率仪的著名厂家有日本横河公司（YEW）， 英国肯特公司（KENT） 等。 横河公司曾推出 EXASC 智能化二线式电导率变送系统。不但具有高功能和多功能，而且使用方便。其测量范围、 温度补偿的基准温度和温度系数、 电极常数都可以任意设定。所采用的四电极式探头做到线性化。英国肯特公司曾推出两种新的电导率变送器 4511 型和 4521 型。 4511 型是墙挂式仪表， 显示器为 5 位数字显示测量值。 4521 型是盘装式仪表， 显示器为 20 个字符点阵显示单元。 两种变送器均能提供设置和操作时的信息。 最多能提供 4 个可编程设定点。 德国还发表过一种快速在线测量液体电导率的简易装置。 其特点是将许多正负极性的短脉冲施加到待测对象上， 测出每一脉冲内系统的响应， 然后由微机进行处理。 该方法能减少机械和电磁干扰对电导率测量的影响。 2国内生产电导仪的主要厂家有： 以生产电化学仪器为主的上海雷磁仪表厂。代表性产品有 DDD-32B 型和 DDG-55 型等。

3 基础知识

3.1电导率仪简介

高纯物质中金属元素的测定已有数十年的历史，最通用的分析方法有原子吸收光谱法、发射光谱法、分光光谱法、极谱法等；中子活化法及质谱分析法亦有一定的应用，但由于仪器昂贵以及分析条件较高的特点，其应用范围受到限制。在高纯水分析中，进年来离子选择性电极技术发展极为迅速。电解质电导率值是电解质溶液的一个基本物理化学量。在过程检测中电导率的测量与监控具有十分重要的地位，它是利用溶液的成分和电导率之间具有一定关系的特性来分析介质溶液的导电现象及其规律性的测量方法。由于电导测试技术具有灵敏度高可测范围宽、结构简单、便于实现连续测量等优点，被广泛应用于环境监测、工业流程控制、医药卫生、科学研究和产品质量检验过程。电解质电导率国家计量基准的建立对于工、农业生产科学研究。
　　
　　
　　3.2影响电导率的分析

由于电解质的导电是靠离子的迁移来实现的，电解质溶液在外加电场的作用下，其电流的大小是外加电压的溶液导电能力决定的。而溶液的导电能力与电解质溶液的浓度及性质有关:a.在一定范内，离子的浓度愈大，电导率愈大。b.离子的价数愈高，电导率愈大。c.离子的迁移率愈快，电率就愈大。因此电导率与离子的种类有关，还与影响离子迁移率的外部因素有关，如温度、溶剂、黏等。
　　
　　温度对测量的影响：其中影响溶液电导率变化最大的外在因素是温度，主是因为温度升高直接响电解质的电离常数，使电离常数增大此外，温度升高，亦会使离子热运动加快，导电能力增加从对电导率有直接的影响。在被测对象不变的情况下，为统一和比较水质，公认25℃为电导率的标准度。当水温不为25℃时，就要进行温度补偿，折换成25℃时的电导率。由于溶液的电导率是随着溶液的温度呈非线性变化，而且电导率的温度系数又随电导率呈非线性变化，不同纯度的水在不同温度下有不同系数
　　
　　由于电导测量仪器的指示刻度的方法是把电导池系统看作一个纯电阻元件，但在测量电源为交流时，电导池不再是一个纯电阻，而是包括容抗在内的阻抗了，其总的电导值为两者的电导值的矢量和，尽管在电导测量研究中，采取了各种措施加以克服，但对电导仪在实际测量中还是造成了一定的误差。交流激励源的采用不可避免的在电导测试系统后续电路中需要引入一系列的环节（如相敏解调、滤波电路）对交流信号进行处理，使得测试系统结构复杂，数据采集速度大为降低，难以满足对生产过程进行在线检测，实时控制的要求。虽然国内外的研究者采用了高阶滤波器乘法解调等措施不断改善采集速度，但由于激励原理的限制，数据采集速度一直难以得到提高
　　
　　
　　
　　　　
　　3.3电导率测量仪的设计

3.31测量原理

电导传感器可以将待测量的变化转化为电导的变化，测量电路则是将反映电导变化的信号转换成电压或电流，并进一步转换成数字量送入单片机进行处理，最后加以显示。由于导电液体在直流激励模式下会产生极化现象，常规的电导测量装置都是采用高频正弦波作为系统的激励源进行测量.不可避免地在电导测试系统引入复杂信号。
　　
　　根据这个特点：本系统采用高频率的双极性脉冲方波作为激励，由于在激励信号的前半个周期和后半个周期，激励电流同值反向，被测系统中那种介质极化现象就得以削弱。并且通过系统软件的控制，经放大器放大输出的电压信号Vo在被采样时己经稳定。由A/D采样点位于电压波形稳定后的平坦部位，在这一段时间内系统相当于受到一个恒定直流电压信号的激励，被测电压信号不再需要复杂的处理，相敏解调、滤波等环节就可以省略，这样极大地简化了系统的结构且提高了数据的采集速度。
　　
　　
　　
　　3.32电导率仪总体设计

电导率测量系统硬件设计，主要由电导、测量电路、温度采集电路、液晶显示电路组成。其中电导测量电路又包括电导池、方波发生电路、量程切换电路A/D转换。
　　
　　方波发生器产生占空比为50%的正负脉冲电压加到电导池电极的两端，流经电导池的电流经过运放放大后变电压信号，送入单片机再经过A/D转换后，完成电导率信号的采样。然后再进行溶液温度的采样，最后单片机计算得到被测溶液在25℃基准温度下的电导率。并将计算后的结果与设定的比较，产生相应的控制动作或声光报警。
　　
　　软件系统采用模块化设计，主要功能模块有：初始化程序，A/D采样子程序、换档子程序，数据处理子程序，LCD显示子程序。
　　
　　本系统控制的电磁阀使用220v交流电，所以采用继电器驱动。为了保证系统的抗干扰能力，采用光电耦合由晶体管来驱动继电器。为消除断开线圈时产生的反电动势干扰，继电器线圈增加了续流二极管；另外继电器驱动的负载也是感性的，应在继电器接点两端并接火花抑制电路，防止产生电火花干扰。

参考文献

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基本一、本课题要研究或解决的主要问题

本课题主要要了解电导率测量原理和方法。

熟悉循环水电导率测量仪的设计过程，学会设计硬件电路，学会印制板的设计，调试好循环水电导率测量仪的硬件部分。

完成双电导率测量仪表的硬件设计，编写相应的硬件测试程序，并完成相应的调试工作。

具体任务：

设计双电导率的测量电路和输出电路；

设计温度测量电路（传感器选用PT100）;

设计整个单片机电路

编写输入输出电路的测试程序。

二、拟采用的研究手段

电导率测量方法有很多种， 按所施加的激励源形式可分为两种：（1） 交流激励源。 一般采用交流方波或正弦波， 防止电极极化。（2）脉冲法。 用正负等电量直流脉冲消除溶液中的极化现象。 按电极在测量电路中的位置也可以分为四种：（1） 电桥法。 电极作为电桥的一臂。 这种方法常用于高要求的实验室分析。（2） 电流法。 电极一般在运放的输入端， 激励源将在电极中产生一正比于被测电导率的电流， 该电流经标准采样电阻产生正比于电导率的交流电压， 再经放大、 整流、 滤波将交变电压变成正比于电导率的直流电压。（3）分压法。 电极与分压电阻相串联， 充电极或电阻两侧取电压分压电阻分档可调， 后接放大、 检波和滤波电路， 这是一种相当成熟且应用广泛的测量方法。（4）频率法。 用电阻频率变换电路， 或用时基电路与电导电极传感器构成多谐振荡电路将电导率转化为频率信号， 电极作为振荡电路的一部分。 这种方法提供了高精度远距离传送方式

通过了解循环水电导测量仪的测量原理，并根据测量原理设计循环水双电导测量仪表，设计出具体的硬件电路，并了解相应的软件程序，核心为掌握单片机技术的硬件设计，熟悉仪表的研发过程，掌握电子与计算机技术的应用。在此平台上深入了解，实现对循环水电导率测量仪的原理有一定认识，实现循环水的硬件电路设计和了解软件程序设计，可以使双电导测量仪硬件应具有如下功能：1．能进行实时在线检测, 检测参数为两路电导率、两路温度值; 2.具有双电导的测量的温度补偿功能；3．两路电导率变送输出（4-20毫安）；4.两路继电器输出；5.485通信口一个。

三、存在的困难

a.知识储备还很缺乏，不容易掌握其中的方法。如对硬件电路，印制板硬件设计还不能很好的掌握；

b.对电导率仪的测量输出电路的分析还不够透彻；

c.对将要采取的方案还没有全局的把握；

d.没有做过如此系统的循环水电导率测试仪的设计过程。