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無線傳輸的電導率變送器設計原理及結構

作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
目前,在工業、環保、勘探等自動控制領域中,都需要對液體成分、性質等因素進行測定分析,特別是在勘探中,其工作環境惡劣,對液體分析要求較高。而電導率是液體的基本屬性,通過測量電導率對分析液體純淨度、電介質含量及帶電離子濃度有著重要作用,故高精度的電導率測量非常重要。現實中電導率的應用範圍較廣,但對其模型進行系統分析的文章不多,本文在利用非接觸式電磁感應線圈探頭檢測液體電導率的基礎上,討論了電導率傳感器激勵信號頻率變化及分布參數對測量精度的影響,並給出解決方案。考慮到勘探現場有線傳輸數據及調試不方便等缺點,給出了特別適合于低功耗、短距離(100m~200m)、小數據量的無線數據傳輸系統的設計。
1.測量原理
電導率傳感器結構如圖所示,主要由兩個線圈L1和L2組成,L1和L2是繞有相同匝數銅絲的鐵氧體磁環。L1作爲輸入激勵線圈,與交流電壓源相連,L2作爲輸出信號線圈。測量時將其全部浸入待測液體中,被測液體則必然穿過兩線圈的聯通孔,形成公共圈。將被測液體看作是具有一定電阻的單匝線圈,此時如果在線圈L1兩端加幅值不變的交流信號,因爲液體單匝線圈穿過L線圈,則在單匝線圈內必然有感應電流,同時也穿過L線圈,于是在L2線圈內必然感應出輸出信號。所以,通過測量線圈L2兩端的電壓即可通過相應計算得出待測液體的電導率。
 
2.變送器設計
變送器硬件主要由3個模塊組成,即傳感器測量單元、數據處理控制單元和無線通信單元
(1)传感器测量单元:传感元件为電導率傳感器探头和温度传感器。由CPU产生的方波激励信号,经放大后送入传感器测量探头,输岀信号经精密整流、偏移放大、滤波及限幅等处理后送往CPU。
(2)数据处理控制单元:从测量单元获得的电压与温度信号由CPU进行数据采集、零点与满量程校正、温度补偿等处理,获得待测液体的电导率,同时对应输出一路4mA~20mA的标准信号。本单元核心部分为16位超低功耗的MSP430系列单片机,该单片机电源电压为1.8V~3.6V,待机电流小于1μA,在RAM数据保持方式时耗电仅0.1μA,在活动模式时耗电250μA/MIPS(MIPS:每秒百万条指令数);具备高性能模拟技术及丰富的片上外围设备,包括10/12/16位ADC、12位DAC、比较器、多个定时器、片内 USART、看门狗、片内振荡器、大量的IO端口及大容量的片内存储器,一般单片就可以满足大多数应用需要。基于上述特点,MSP430系列单片机在温度检测、智能变送器、便携式仪表、实用检测仪器等领域得到了广泛的应用.
(3)无线通信单元:选用单片集成射频收发器芯片nRF905,可直接与各种单片机连接使用,软件编程非常方便,而且抗干扰能力强,特别适合工业控制场合。nRF905是 NordicⅥISI公司推出的单片射频收发器,工作电压1.9V~3.6V,工作于433/868/915MHz3个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs。nRF905功耗非常低,工作于接收模式时的电流为12.5mA,以-10dBm的输出功率工作时电流只有9mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,使用SP接口与微控制器通信,配置方便。nRF905发送数据与接收数据的流程如下图所示。

本文介紹了測量液體電導率的基本方法,並通過構造測量電路模型進行理論分析和仿真驗證。結果表明在理想情況下,只考慮液體爲純電阻,測量電壓幅值大小與液體電導率高低呈線性關系,具有很高的線性度和精度,且不會受到輸入正弦波信號頻率的影響;在非理想情況下,需要考慮到液體電阻、導線等分布參數的存在。此時仿真結果表明,測量電壓幅值大小與液體電導率高低仍呈線性關系,但會受到輸入正弦波頻率的影響,針對實際環境需要選擇合適頻率的正弦波激勵信號。針對非理想情況下的這種影響,可選擇高頻雙極性脈沖方波作爲傳感器的激勵源,由于在激勵信號的前半個周期和後半個周期幅值相等、極性相反,激勵電流同值反向,可削弱被測系統中介質電極化現象,同時可以減弱傳感器與導線分布參數的影響,可以有效提高測量精度。這裏設計的基于MSP430單片機和nRF905無線模塊的電導率變送器具有功耗低、测量信号稳定与精度高、重复性能好等特点,该電導率傳感器已用于综合录井中测量泥浆电导率,也可用于如水质净化、液体电性能分析等领域
 
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