一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置

摘要

本发明公开了一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，包括多电极玻璃管、多通道切换器、挡位切换器、温度采集器、微控制器及PC上位机。多通道切换器用于切换多电极玻璃管上的多个独立通道，挡位切换器负责调节合适当前液面的挡位，温度采集器用来采集环境和通道温度，微控制器用来产生激励信号、协调各个模块之间的控制关系以及采集计算各液面的电导率值，最后微控制器将各液面的电导率和温度值通过串口传输到PC上位机进行显示和分析。该装置使得多个通道之间无公共端、完全独立，避免了溶液内多个激励信号相互影响而造成的误差。其结构简洁，有较好的测量精度，制作成本低廉。

主权项

一种不均匀溶液的多段液面电导率测量装置，其特征在于该装置包括多电极玻璃管、多通道切换器、档位切换器、温度采集器、微控制器及PC上位机，其中：所述多电极玻璃管由一端开口的长玻璃管以及可移动的数对电极组成，每对电极分布在管的不同高度，电极的面积固定，同时数对电极之间无公共端，完全独立；所述多通道切换器设有数路选一路的模拟电子开关，其数路通道引脚与多电极玻璃管中的数对电极相连；其输入与微控制器中DAC输出的正弦激励信号相连；数个控制引脚与微控制器的IO相连，用于控制其内部的数个开关所对应的数路通道与其输入和输出的联通和断开；所述档位切换器由一个I‑V转换器和低通滤波器组成，其中，I‑V转换器的输入连接多通道切换器的输出，由一个模拟电子开关来选择不同范围的电阻，根据电子开关的控制引脚上的电平来决定反馈电阻，模拟电子开关的控制引脚连接微控制器的IO；I‑V转换器的输出信号通过低通滤波器后作为档位切换器的输出；所述温度采集器由热敏电阻和数字温度传感器组成，测量环境温度和通道温度，其结果以数字信号的方式传给微控制器；所述微控制器包括IO、片内定时器、片内DAC、片内ADC以及UART接口，利用片内DAC生成一个固定周期为T的正弦激励信号到多通道切换器的输入；根据通道控制方法，来循环切换各个通道；当切换到一个通道后，利用片内ADC对档位切换器的输出进行采集，根据换挡算法，调节到适合当前通道的挡位，再次进行ADC采集，根据测量算法，对采集到的数据进行计算校正，得到当前通道的电导率值，即当前液面的电导率值；所述PC上位机通过微控制器的UART接口，接收到的各液面的电导率值和温度值，并进行显示和分析；其中：所述通道控制方法是：利用微控制器的片内定时器，周期地变换联通到多通道切换器的控制引脚上的IO的电平，使得激励信号循环周期地联通到每路独立的通道上，即每段液面之间的电极上；每组通道的联通时间为一固定时间t(ms)，其中t为激励信号周期T的整数倍，即t＝N*T(ms)；所述换挡算法是：设档位切换的当前档位为W_j，利用微控制器的ADC采集的数据，计算当前液面的有效均方根值其中V_i为ADC所采集到第i个点的数字电压值，M为在固定时间t内总共采集的点数，D为信号中的直流数字电平值；预先取与相邻两档位下的反馈电阻值相等的两个测试电阻，当电极分别连接这两个测试电阻时，测得有效方根值分别记作RMS_Max和RMS_Min，作为为两个判别阀值；将当前液面的RMS_G与TMS_Max和RMS_Min进行比较；当RMS_G＜RMS_Min，则将档位保存为W_j+1；当RMS_G＞RMS_Min，则将档位保存为W_j‑1；当RMS_Min＜RMS_G＜RMS_Max，则保存当前档位W_j；之后，根据保存的档位，改变联接到I‑V转换器的电子开关的控制引脚上的IO的电平，将档位切换器切换到相应档位；在不同档位下不断执行换挡算法，直到满足RMS_Min＜RMS_G＜RMS_Max时，即完成了测量一段液面的自动换挡；所述测量算法是：当切换到某个通道来测量某个液面时，利用换挡算法将挡位切换器调整到合适档位后，先通过微控制器的ADC采集到的数据，计算当前液面的有效均方根值RMS_G；预先取与当前档位下的反馈电阻值相等的测试电阻，当电极连接这个测试电阻时，测得的有效均方根值记作RMS_c，作为参考值；计算当前液面的电导率测量值为其中R_j是当前档位下的反馈电阻的阻值；再利用线性校正的方法，根据G₀＝k_ijG+b_ij对G进行校正，得到当前液面的电导率校正值G₀，即为当前液面的电导率值；其中k_ij和b_ij为当前通道、当前档位下的2个校正系数，能够通过标准液测得。