基于無線傳輸的電導率變送器設計

彭 超 ，張 鵬 ，肖本賢

(1.安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖241000；2.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥230009)

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凈度、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?，F實中電導率的應用范圍較廣，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[1-3]，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，并給出解決方案。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

圖1 電導率傳感器及其測量等效電路

電導率傳感器結構如圖1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作為輸入激勵線圈，與交流電壓源相連，L2作為輸出信號線圈。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，因為液體單匝線圈穿過L1線圈，則在單匝線圈內必然有感應電流，同時也穿過L2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。

1.1 電路模型

考慮到盛放被測液體的容器很大，測量容器中探頭磁環外液體阻值與磁環內圓柱形液體阻值相比，阻值很小可以忽略不計。取圓柱形液體長度為L,截面積為S，等效電阻為R，電導率為σ，則有關系式：。

利用等效電阻R表示液體電阻，可得到傳感器的電路模型，如圖1所示。

圖1中，R為液體等效電阻，R1為取值電阻；T1的一次繞組、二次繞組分別為 M、N（N=1）；T2的一次繞組、二次繞組分別為 N、M（N=1）。

在T1的一次繞組兩端加幅值為 Ui、頻率為 f的等幅交流電壓信號，則必在其二次繞組感應出電壓U2：

流過電阻R的電流為：i2=

R1兩端電壓為：U0=R1×i3

綜上各式，得關系式：

由上述分析可知，運用電磁感應原理，測量液體電導率可以轉化為測量液體電阻，進而轉化為測量輸出端電壓，由于輸出電壓與電導率存在線性關系，通過一定線性轉換，即可求出被測液體電導率。

1.2 仿真分析

為了驗證理論分析的有效性，在MATLAB中對建立的電路模型進行仿真分析。

1.2.1 理想情況下的仿真分析

理想情況下的電路仿真模型如圖2所示，取輸入交流信號幅值為 10 V，頻率為 20 kHz，M=100，N=1，R1=5 Ω，R 分別取值為 1Ω、2Ω、2.5Ω、5Ω、10Ω。

圖2 理想情況下的仿真電路模型

圖3中，曲線a對應等效電阻R=1Ω時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線b對應R=2Ω時的輸出信號，幅值為2.5 mV；曲線c對應R=2.5Ω時的輸出信號，幅值為2 mV；曲線d對應R=5Ω時的輸出信號，幅值為1 mV；曲線e對應R=10Ω時的輸出信號，幅值為0.5 mV。

由仿真結果發現，輸出電壓幅值與液體等效電阻R之間存在較高的線性度。但是，這是在理想情況下的結果。實際中液體、傳輸導線都存在一定的分布參數，激勵信號頻率的變化對輸出結果是否存在影響，分布參數的存在是否會影響到測量精度還需做進一步分析。

圖3 不同電導率下的輸出電壓波形

1.2.2 非理想情況下的仿真分析

非理想情況下，考慮輸入信號幅值為10 V，頻率可變，R取1Ω，現在R的兩端并聯一個 1 pF的電容C，電路模型如圖4所示。記錄不同頻率下的輸出波形和輸出信號幅值。

圖4 非理想情況下的仿真電路模型

(1)激勵信號頻率為200 kHz、400 kHz、600 kHz、800 kHz、1 MHz時，輸出波形如圖5所示。

圖5 不同頻率激勵信號下的輸出電壓波形

圖5中，曲線a對應激勵信號頻率為200 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線b對應頻率為400 kHz時的輸出信號，幅值為5 mV；曲線 c對應頻率為 600 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線d對應頻率為800 kHz時的輸出信號，其幅值為5 mV；曲線e對應頻率為1 MHz時的輸出信號，幅值為5 mV。由仿真結果可見，各輸出波形峰值相同，在此頻率段，輸出峰值不受頻率變化影響。

(2)激勵信號頻率為 1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz時，輸出波形如圖6所示。

圖6中，曲線a對應激勵信號頻率為1 MHz時的輸出信號，其幅值為5mV；曲線b對應頻率為2 MHz時的輸出信號，幅值為4.95mV；曲線c對應頻率為3 MHz時的輸出信號，其幅值為4.89 mV；曲線d對應頻率為4 MHz時的輸出信號，其幅值為4.82 mV；曲線e對應頻率為5 MHz時的輸出信號，幅值為4.72 mV。由仿真結果可見，各輸出波形峰值不同，頻率越高，影響愈大。實際中分布參數影響更嚴重，所以激勵信號的頻率會受到限制。

圖6 不同高頻激勵信號下的輸出信號波形

1.3 仿真結論

理想情況下，輸出電壓幅值與等效電阻呈線性關系；非理想情況下，輸出電壓幅值受到輸入信號頻率影響，其中低頻時影響較小，頻率越高，分布參數對輸出電壓幅值影響越大。因此，在實際應用中選取的正弦波頻率不宜太高。

當輸入頻率高于1 MHz時，由于被測系統中分布電容存在，輸出幅值將會受到分布電容的影響而削弱，如果用高頻的雙極性脈沖作為激勵信號，在激勵信號的前半個周期和后半個周期，激勵電壓同值反向，被測系統中的削弱現象就得到抑制[4-6]。經仿真可發現，用高頻的雙極性脈沖作為激勵信號時，即使頻率高達1 MHz、2MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz，輸出值為 5mV 不變。 取輸入信號為5 MHz正弦波和5 MHz方波時輸出波形如圖7所示。因此，采用方波信號代替正弦波信號，可有效提高測量精度，減小分布參數的影響。

圖7 不同激勵信號源下的輸出信號仿真比較

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）傳感器測量單元：傳感元件為電導率傳感器探頭和溫度傳感器。由CPU產生的方波激勵信號，經放大后送入傳感器測量探頭，輸出信號經精密整流、偏移放大、濾波及限幅等處理后送往CPU。

（2）數據處理控制單元：從測量單元獲得的電壓與溫度信號由CPU進行數據采集、零點與滿量程校正、溫度補償等處理[7-9]，獲得待測液體的電導率，同時對應輸出一路4mA～20mA的標準信號。本單元核心部分為16位超低功耗的MSP430系列單片機，該單片機電源電壓為 1.8 V～3.6 V，待機電流小于 1μA，在 RAM數據保持方式時耗電僅 0.1μA，在活動模式時耗電 250μA/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數）；具備高性能模擬技術及豐富的片上外圍設備，包括10/12/16位ADC、12位DAC、比較器、多個定時器、片內 USART、看門狗、片內振蕩器、大量的I/O端口及大容量的片內存儲器，一般單片就可以滿足大多數應用需要。基于上述特點，MSP430系列單片機在溫度檢測、智能變送器、便攜式儀表、實用檢測儀器等領域得到了廣泛的應用。

（3）無線通信單元：選用單片集成射頻收發器芯片nRF905,可直接與各種單片機連接使用，軟件編程非常方便，而且抗干擾能力強，特別適合工業控制場合。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，工作電壓 1.9 V～3.6 V，工作于 433/868/915 MHz 3個 ISM(工業、科學和醫學)頻道，頻道之間的轉換時間小于650μs。nRF905功耗非常低，工作于接收模式時的電流為12.5 mA，以-10 dBm的輸出功率工作時電流只有9mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。

nRF905發送數據與接收數據的流程如圖8、圖9所示。

圖8 nRF905發送數據流程圖

本文介紹了測量液體電導率的基本方法，并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，只考慮液體為純電阻，測量電壓幅值大小與液體電導率高低呈線性關系，具有極高的線性度和精度，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為傳感器的激勵源，由于在激勵信號的前半個周期和后半個周期幅值相等、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。這里設計的基于MSP430單片機和nRF905無線模塊的電導率變送器具有功耗低、測量信號穩定與精度高、重復性能好等特點，該電導率傳感器已用于綜合錄井中測量泥漿電導率，也可用于如水質凈化、液體電性能分析等領域。

圖9 nRF905接收數據流程圖

[1]周明軍，尤佳，秦浩，等.電導率傳感器發展概況[J].傳感器與微系統，2010，29(4)：9-11.

[2]容蘭，王喆陽，寇大武，等.利用非接觸式電磁感應線圈探頭測液體電導率[J].物理實驗，2011，31(3)：8-10.

[3]陳培杰，汪志云.用自制非接觸式液體電導率傳感器測量液體的電導率[J].科技信息（學術版），2008(7)：96-98.

[4]譚有廣，劉峰.非接觸測量液體電導率的仿真與實驗分析[J].電工技術雜志，2004(7)：69-71.

[5]李琳，陳文薌.頻率自適應電流源克服電容影響的電導率測量[J].儀器儀表學報，2007，28(12)：2256-2259.

[6]趙學亮，史云，馮蒼旭.雙極性電壓脈沖激勵的智能電導率測量儀[J].自動化儀表，2011，32(1)：76-79.

[7]張兆英.海水電導率、溫度和深度測量技術探討[J].儀器儀表學報，2003，24(Z2)：38-41.

[8]劉長國.智能電導率測量系統的數據處理[J].長春工業大學學報（自然科學版），2011，32(1)：33-37.

[9]丁和斌，張凱，黃揚明.基于C8051F單片機的電導率儀的研制[J].儀表技術，2008(2)：51-53.