多通道鹽度測量系統的設計及應用

閆瑞杰，李海香，郝瑞霞

（1.山西電力職業技術學院 動力系，太原 030021；2.太原理工大學 水利工程學院，太原 030024）

在科研試驗和工業生產中，鹽度是一個應用非常廣泛的重要參數。如電力生產中的化學水處理、水廠水質檢測、電廠排放水力熱力特性的研究、核電廠減溫水離子排放等，尤其是在水力熱力特性的相關研究課題中都需要對鹽度進行高精度測量，如國家基金課題“鹽淡水交匯水域溫排放水力熱力特性的研究”須同時測量多個點的鹽度、以分析其排放特性，水力熱力特性又容易受到接觸式測量儀器的干擾和影響，降低試驗研究的精確性。目前國內外相關鹽度測量儀器存在幾個問題：普遍采用模擬電路的峰值電壓進行檢測，峰值電壓不能全面完整表征鹽度信息，因而導致其測量精度較低；測量電極的穿孔式結構導致其尺寸過大，直徑大都在15mm、長度在200mm，這種結構的測量電極干擾了流場、嚴重影響了垂直方向和水平方向上的水力熱力特性；都為單點測量，一臺儀器只能測量一個點，當需要測量多個點時須購買多套儀器，加大了使用成本；大都不能在線自動測量，只能人工記錄數據，少數能用于在線測量，但需要通過DCS系統的采集板卡實現多臺儀器測量數據的采集，而DCS系統結構復雜，非專業人員無法熟練應用，對科研而言無疑加大了研究成本及使用難度。

為了解決上述問題，提供了一種利用全波采樣技術進行鹽度高精度測量的方法，通過數字積分求取激勵電壓周期內所包絡區域的面積，此面積完整表征了鹽度信息且正比于鹽度，通過前期的鹽度標定系數可以計算出鹽度。設計了一種尺寸較小的環形結構測量電極，減小了測量電極在垂直方向和水平方向上對流場的影響、提高了測量精度。多點鹽度在線測量系統的設計有力促進了相關研究課題的應用。

1 鹽度測量方法

鹽度的檢測原理是通過鹽份離子的導電特性進行測量的，流體中（或溶液中）含有的離子就如同電子一樣具有了導電特性，離子含量越大導電特性也越高，因此，鹽度的測量是通過對離子導電特性的測量而間接得到[1]。

以往的鹽度測量是通過模擬電路探測測量電極的峰值電壓實現，峰值電壓這種以點代面的方法導致測量精度較低。為此，提供了一種利用全波采樣技術進行鹽度高精度測量的方法，該方法測量原理如下，交流信號發生電路發出激勵電流，然后施加于測量電極，測量電極的有效測量部分浸入被測流體（或被測溶液、水域等），而被測流體含有的鹽份離子具有導電特性，三者構成一閉合回路，因此測量電極上可檢測到與鹽度相關的正弦電壓信號，該正弦電壓信號經放大后由A／D轉換電路進行全波采樣，采樣結果傳送至微控制器；微控制器通過數字積分的方法求取該波周期內所包絡區域的面積，此面積完整表征了鹽度信息且正比于鹽度，通過前期的鹽度標定系數可以計算出鹽度。

2 硬件設計

相比以往的鹽度測量儀表，本測量系統設計了獨特的通道選擇電路，實現了96個通道的多點測量。采用先進的嵌入式單片機ATmega16完成通道控制、數據采集及數據傳輸，是一種智能型在線測量系統。

系統的硬件主要由以下6部分構成：交流信號發生電路；測量電路；A／D轉換電路；單片機采集控制電路；通道選擇電路；通訊電路等組成。如圖1所示，測量過程如下，交流信號發生電路將激勵電流送至通道選擇電路，通道選擇電路在單片機的控制下將交流激勵信號依次施加于各個測量電極，施加到測量電極兩端的信號經放大器接收，由放大器的輸出送至A／D轉換電路，單片機讀取A／D轉換結果，該結果經過計算處理得到鹽度值，鹽度值經過RS-485通訊網絡傳輸至遠程計算機，計算機上的應用軟件保存測量數據、繪制實時測量曲線等，下面分別介紹其原理。

圖1 多通道鹽度測量系統原理框圖

2.1 交流信號發生電路

交流信號發生電路產生的交流電流為鹽度測量提供激勵，交流激勵電流可以有效防止由于測量電極的極化所引起的測量誤差。在交變電場的作用下，兩電極環的極性周期性地不斷改變，交替地進行著相反的過程，可維持電極環附近正負離子的平衡，消除離子沉積，防止電極極化。如圖示所示。交流信號發生電路在單片機端口PB1控制下產生正弦信號，其本質上是一變型多諧振蕩器，其負載是電感線圈，作用是對多諧振蕩器輸出方波的上升沿和下降沿進行抑制，使負載輸出波形為正弦波。T1是耦合變壓器，其次級線圈產生正弦交流感應電動勢，其輸出端口為Port1、Port2，該電動勢通過端口Port1、Port2在通道選擇電路的控制下施加于測量電極兩端，RP為電極匹配電阻。

圖2 交流信號發生電路

2.2 測量電路

測量電路是要測量施加于電極上的交流信號，由于交流信號電路產生的交流信號為毫伏級，幅值太小，因此測量電路必須將其放大，以提高測量系統的分辨率和方便A／D轉換電路采樣。設計原理圖如圖3所示。運放選用AD8552，雙端差動輸入。輸入端口Port1、Port2取自通道選擇電路連接的測量電極，輸出信號A／D接A／D轉換電路。其中，電容C8主要是濾除測量電極上拾回來的高頻雜波，電容C7主要是電源平滑濾波，C9用于抗高頻干擾。

圖3 測量電路原理圖

電路設計過程中，綜合考慮了電路實現過程中可能存在的諸多干擾，整個電路在ORCAD軟件上模擬調試，所選用參數達到設計要求，運行結果較理想[2]。

2.3 A／D轉換電路

A／D轉換電路以 AD7705為核心設計，AD7705是AD公司生產的雙通道16位ε型高精度模數轉換器，該器件接受模擬信號，然后產生串行的數字輸出。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調制器的增益可編程專用前端，片內數字濾波器處理調制器的輸出信號并將其送至三線串行接口以完成輸出。其串行接口可與具有SPI接口的單片機系統直接相連。AD7705的時鐘頻率設為2.4576 MHz，電源電壓VCC為＋5V。AN1＋，AN1-接模擬輸入信號。基準電壓源選用芯片REF192，為AD7705提供2.5V基準電壓，其輸出引腳6到地之間須并接0.1μF和10μF的電容以保證其輸出電壓精準。

2.4 單片機采集控制電路

該電路由2部分構成，一部分控制AD7705以完成數據的采集，主要是利用其SPI接口控制AD7705啟動A／D轉換并讀取轉換結果；另一部分用于控制通道選擇電路，實現96個通道的不間斷巡檢。

2.5 通道選擇電路

通道選擇電路如圖4所示，是集成設計的32選1邏輯開關陣列，開關陣列主要由信號繼電器DS2Y-S組成，控制邏輯主要由74HC154芯片組成。其輸入信號X、Y來自交流信號發生電路的輸出端口Port1、Port2，輸出端子為 X0、Y0，X1、Y1，X2、Y2，…，X30、Y30，X31、Y31，共32個輸出通道，輸出端子分別接至測量電極1至32，可接32個測量電極。此電路在單片機ATmega 16的程序控制下工作，通過ATmega 16的控制信號將交流激勵信號依次施加與測量電極，輸入信號選擇哪一通道進行輸出由邏輯控制端A4、A3、A2、A1、A0決定，邏輯控制信號來源于ATmega 16的引腳PD7、PA0、PA1、PA2、PA3。通道選擇電路工作與否由使能端EN確定，EN連接于ATmega 16的引腳PD6。邏輯關系見表1。96個通道由三個這樣的邏輯開關陣列組成[3]。

圖4 通道選擇電路

表1 邏輯關系表

2.6 通信接口

串行通信接口USART是一種雙線的異步串口，ATmega16串行接口只需2跟線即可實現，具有獨立的接受和發送寄存器UDR，3個控制和狀態寄存器A、B、C和波特率寄存器UBRR。可工作于查詢方式或中斷方式，編程簡單靈活。借助USART和RS-485芯片MAX3485，測量系統可實現與上位機計算機之間的數據傳輸。RS-485通訊接口具有良好的抗噪聲干擾性，傳輸距離長，通訊站點多等優點。MODBUS RTU通訊協議，采用命令-響應方式，測量系統不斷監聽計算機發送來的命令，監聽到正確命令后應答響應。該電路一方面將測量系統96個通道的測量數據傳輸到計算機；另一方面接收計算機傳輸來命令。與測量系統通訊的計算機端需要配接RS-485／RS-232轉換器。

3 軟件設計

本系統的軟件設計分兩部分，一是ATmega16的軟件，用C語言編寫，結構性好。根據系統設計的目的，包括幾個子模塊：AD7705驅動模塊、采集程序模塊、定時器模塊、通道選擇程序模塊、通信模塊、看門狗模塊等。工作過程如下，通過ATmega16的SPI接口驅動AD7705，完成AD7705通道設置、時鐘設置、更新速率以及校準模式等；然后啟動ATmega16的定時器，在定時器中斷函數中查詢AD7705的狀態，如轉換完成則讀取轉換結果，否則繼續等待直到轉換完成，如此不斷讀出所需的轉換結果。另一部分是上位機軟件，用VC編寫，完成與測量系統之間的數據通信，具有通信參數設置、標定、測量數據自動保存和繪制實時曲線等功能。軟件設計部分只介紹流程，代碼不做介紹。

圖5 軟件流程圖

4 結論

實驗結果表明該系統設計科學，電路參數選擇合適，測量精度高、運行穩定。通過和國內外相關技術比較發現，本測量系統解決了目前相關水力熱力特性研究課題中鹽度測量問題；設計的鹽度測量系統減小了對被測介質的影響；上位機應用軟件解決了測量結果人工記錄數據的負擔，且各個通道都具有測量數據自動存儲功能、繪制實時測量曲線功能。大大節約了科研試驗的儀器購置成本，具有很高的推廣應用價值。

表2 國內外同類技術比較

[1]承慰才.電廠化學儀表[M].北京：中國電力出版社，1998：3-30.

[2]閆瑞杰，李海香.基于 DSP的磁致伸縮液位傳感器的設計[J].太原理工大學學報，2008，39（3）：289-291.

[3]閆瑞杰，李海香，郝瑞霞.基于ATmega16的AD7705多通道模擬量采集系統的設計[J].化工自動化及儀表，2011，38（4）：466-469.