基于DSP的电导率在线分析仪的设计

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ

仪表技术与传感器

２０１９　Ｎｏ􀆰４　

基于ＤＳＰ的电导率在线分析仪的设计

邱丽莉

（郑州科技学院实践中心，河南郑州　４５００６４）

　　摘要：介绍了一种利用电磁感应特性测量水溶液电导率的分析仪，该仪器以ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ为控制核心，采用ＤＤＳ技术产生高精度的驱动信号去激励电磁线圈，利用相位检测芯片实现对参考信号和测量信号相位差的提取，根据系统在不同水溶液中检测到的相位差来计算出该水溶液的电导率。实际实验表明，该系统可以根据测量到的相位差的大小来计算出水溶液的电导率，进而判断出水质，具有很高的工程应用价值。

关键词：电导率；ＤＤＳ；相位检测；相位差

中图分类号：ＴＰ９３４　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００２－１８４１（２０１９）０４－００３６－０４

ＤｅｓｉｇｎｏｆＯｎ⁃ｌｉｎｅＣｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙＡｎａｌｙｚｅｒＢａｓｅｄｏｎＤＳＰ

（ＰｒａｃｔｉｃｅＣｅｎｔｅｒ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００６４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎａｎａｌｙｚｅｒｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｂｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃ⁃ｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｔｏｏｋＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｏｒｅ．ＤＤＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｒｉｖｅｓｉｇｎａｌｔｏｅｘｃｉｔｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｉｌ，ａｎｄｔｈｅｐｈａｓｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｈｉｐｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎａｌａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅａｃｔｕａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｎｊｕｄｇｅｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙａｎｄｈａｖｅｈｉｇｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ；ＤＤＳ；ｐｈａｓｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

ＱｉｕＬｉ⁃ｌｉ

０　引言

随着科技的发展、社会的进步以及工业化进程的加快，人类对水资源的需求日益强烈，水资源过度消耗的同时也造成了水资源的污染，因此对水质的检测就显得尤为重要［１］。工业生产时，对于不同用途的水，对水质的要求也不尽相同，测量水质最方便快捷的方法就是测量水的电导率［２］。水质越纯净，水中含电导率作为水溶液的基本电特性，它是水质检测中的一个重要参数。由于不同水质含有的杂质成分不同，由此得到的电导率也不一样，根据测得的电导率的差异可分析出水质的好坏。本文设计了一种基于ＤＳＰ的电导率在线分析仪，主要是利用电磁感应技术来测量激励信号经过被测水溶液后与参考信号的相位差，通过测量相位差值来求得被测水溶液的电导率，进而分析得到水溶液的水质。由于该种方法不与被测水溶液直接接触，减少了环境因素带来的误差，提高了

基金项目：２０１６年河南省科技计划项目（１６２１０２４１００７５）收稿日期：２０１８－０３－１６

１　基于磁感应式的电导率的检测原理

磁感应式电导率的检测原理是将被测水质置于２个线圈中间，如图１所示，上面的线圈为激励线圈，被测水质下面的线圈为检测线圈［４］。当把正弦波信号施加到激励线圈上时，由相关电磁感应知识可知，线圈内部会产生一个固定的磁场，设为Ｂ。当激励线圈产生的磁场穿过被测水质时，就会在被测水质的液面上产生涡流，此涡流就会反作用于激励线圈从而产生一个新的磁场，设为ΔＢ，此时检测线圈检测到的磁场大小为Ｂ＋ΔＢ。ΔＢ的大小与被测水质的电导率有关，不同水质其电导率不同，其感应产生的磁场大小也不相同，因此对于不同的水质，检测线圈检测到的磁场强度不同。当把被测水质置于线圈中时，检测线圈检测到的磁场Ｂ＋ΔＢ在相位上要滞后于激励线圈产生的磁场Ｂ，把滞后的相位角设为θ。对于不同水质，检测到的滞后相位角θ也不同。本文就是通过检测相位差来测量被测水质的电导率，进而判断水质。２　系统总体设计

磁感应电导率测量模型如图２所示。基于ＤＳＰ

测量的准确性［３］。

有的杂质就越少，水的导电性能就越差，电导率越小。

　第４期邱丽莉：基于ＤＳＰ的电导率在线分析仪的设计

　３７　

电路、功率放大电路、检测信号调理电路、相位检测电路以及ＤＳＰ最小系统电路等［６］。系统通过ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５０产生２路固定频率的高精度正弦波信号，一路信号进行功率放大后去驱动激励线圈，另一路作为参考信号。检测线圈检测到的信号首先经过滤波放大电路调理后，送入相位检测芯片ＡＤ８３０２中，相位检测芯片把检测线圈接收到的信号和参考信号进行混

图１　系统测量原理图

频，最后得到二者的相位差值，根据测量出的相位差值就可以计算得到被测溶液的电导率。具体硬件框图如图３所示。

的电导率在线分析仪就是利用磁感应式检测原理来检测不同水质的相位差，然后利用相位差与电导率的关系求得电导率，进而判断出水质的类别

［５］

把待测溶液放在一个圆柱形容器中，在容器的上下端

。首先，

分别缠有线圈，上方为检测线圈，下方为激励线圈。然后通过一个固定频率的信号源驱动激励线圈，激励线圈产生的磁场经过待测水溶液后，检测线圈会检测到的一个磁场，该磁场强度在相位上滞后原激励线圈的磁场。最后通过专用相位检测芯片检测出其相位差，利用检测出的相位差就可以求得被测水质的电导率。

图３　系统硬件框图

３．１　ＤＤＳ驱动电路

本文采用ＴＭＳ３２０Ｆ＋ＡＤ９８５０的方式产生所需的正弦波信号源［７］。ＡＤ９８５０是直接数字合成芯片，其采用数字控制的方法来合成一个频率和相位均可以随时调节的正弦波。ＡＤ９８５０内部还包括１个高速比较器，这个比较器可以收到从外部Ｄ／Ａ转换器的输出，然后形成一个相对平滑的方波，因此ＡＤ９８５０作为时钟发生器十分便捷。ＡＤ９８５０可使输出的频率步进很小，当参考时间的频率为１２５ＭＨｚ的时候，可以输

图２　系统测量模型

出的最小频率为０．０２９１Ｈｚ。本文设计产生了２路正弦波信号，一路用来驱动激励线圈，另一路作为相位检测电路的参考信号，具体电路图如图４所示。

３　系统硬件设计

系统硬件电路主要包括高精度ＤＤＳ激励信号源

图４　ＤＤＳ信号源电路

　　３８ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ

其中ＣＬＫＤＤＳ为时钟信号的接入口，ＷＬＣＫ与

Ａｐｒ􀆰２０１９　

ＤＳＰ的管脚相连，ＲＳＴ为复位管脚，Ｄ０－Ｄ１直接与ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ相连，ＥｘｃｉｔｅＳＩＮ为ＤＤＳ输出的正弦波信号。

３．２　功率放大电路

由ＡＤ９８５０输出的正弦波幅值较小，峰峰值约为２Ｖ左右，必须对此电压进行功率放大后才能驱动激励线圈，本文采用推挽式功率放大来放大ＤＤＳ输出的正弦波信号，ＥｘｃｉｔｅＳＩＮ与ＡＤ９８５０输出的信号相连，Ｃｏｎｎｎｅｃｔ１、Ｃｏｎｎｎｅｃｔ２中Ｒ、Ｄ为Ｑ分别连接激励线圈的两端。其２７１、Ｄ２、Ｒ２８１、Ｑ避免交叉失真２提供直流偏置，使二极管Ｑ１、Ｑ２处于微导通状态，。具体电路图如图５所示。

图５　功率放大电路

３．３　检测信号调理电路

检测线圈检测到的电信号是由微弱的磁场产生的且常常伴随着高频干扰，该信号十分微弱无法满足后续处理电路的要求，因此必须对其进行适当的滤波放大，提高信号的信噪比

［８］

放大电路滤除信号中的高频干扰。本文首先利用前置滤波

，再利用后置差分放大电路对信号的幅值进行放大，使其符合相位检测电路的要求。具体电路图如图６所示。

在前置滤波电路中，本文选用全差分滤波放大器ＬＴ６６００滤波效果－２０，同时还具有一定的差分放大功能实现，ＬＴ６６００－２０不但具有４阶滤波器的。ＩＮ＋、

ＩＮ信号首先进入前置滤波电路进行滤波－分别与检测线圈的两端相连，检测线圈检测到的，滤除高频干扰的同时，还可以对信号进行初级放大。后置差分放大电路选用输入阻抗高、低噪声的仪用放大器ＡＤ８１３０，其主要是将前置滤波电路输出的信号进行第二级放大，并把输入的信号转换为单端输出ＯＵＴ１，便于在相位角检测电路中与参考信号进行混频，求出相位差。图６　检测信号调理电路

３．４　相位检测电路

相位检测电路是整个系统电导率测量的关键，相位检测的精度直接决定着电导率测量的准确性［９－１０］本文采用专用相位检测芯片ＡＤ８３０２来实现相位差的。提取，其工作电压为２．７～５．５Ｖ，它可以检测出被测信

号的幅值信息和相位信息。同时该芯片具有较宽的频率测量范围，最高可测量高达２．７ＧＨｚ频率的信号。具体电路图如图７所示。

图７　相位检测电路

其中ＥｘｃｉｔｅＳＩＮ２、ＯＵＴ１分别连接参考信号和检测线圈经过信号调理电路后的信号。将ＡＤ８３０２的ＭＳＥＴ值。把其输出信号和ＶＭＡＧ相连ＯＵＴ２，可以检测到送到ＤＳＰ２内部的个信号叠加的幅Ａ／Ｄ转换器进行采集，可以准确测量信号幅值，将相位差输出Ｐｈａｓｅ＿ｏｕｔ模拟信号转换为数字信号供连接到ＤＳＰ内部的ＤＳＰＡ／Ｄ计算处理转换器，，把输出的从而计算出２个信号的相位差值。３．５　串口通讯电路

在数据传输上，采用ＲＳ４８５通讯的方式把ＤＳＰ中计算处理得到的电导率数据发送到上位机显示。ＲＳ４８５十分便捷的电平与，其次还具有很强的抗共模能力ＴＴＬ电平兼容，因此和ＴＴＬ，传输距离远电路连接，

可达１．２ｋｍ，数据传输速率快，最快约为１０Ｍｂｉｔ／ｓ。本系统使用的ＲＳ４８５通讯芯片为ＳＰ３４８５，它是一款低功　　

　第４期邱丽莉：基于ＤＳＰ的电导率在线分析仪的设计

　３９　

耗的芯片且符合ＲＳ４８５协议的收发器，最大传输速率可达２．５Ｍｂｉｔ／ｓ，具有一个使能引脚用于控制芯片的数据发送和接收。４　软件设计

本系统软件设计主要包括ＤＤＳ激励信号源的软件设计、相位差值检测电路的软件设计、Ａ／Ｄ采样的软件设计、串口通讯的软件设计以及ＤＳＰ最小系统的软件设计等。系统上电后首先执行复位操作，根据外部按键控制启动系统，由ＤＤＳ控制程序产生２路正弦由图９可知，１０ｍｉｎ共采集２０００个数据点，２０００个数据点最大误差约为０．０７３ｍＶ，由此可见系统具体良好的一致性，稳定性高。空管时系统相位检测的误差为０．０７３ｍＶ，相位检测系统的灵敏度为１０ｍＶ／（°），因此本文设计的基于ＤＳＰ的电导率在线分析仪的电导率检测系统的相位分辨率为０．００７３°，相位角检测芯片ＡＤ８３０２的灵敏度约０．００１６°，因此该相位检测芯片完全满足本系统的要求。

验证完成系统的稳定性之后，开始验证系统采集波信号源，当检测线圈接收到叠加后的磁场信号之后，通过相位检测电路来求得参考信号与被测信号的相位差值，通过ＤＳＰ内部的Ａ／Ｄ采样后计算得到被测溶液的电导率，通过ＲＳ４８５串口通讯的方式把数据发送到上位机显示。具体软件流程图如图８所示。

图８　系统软件软件流程图

５　实验数据分析

系统设计完成之后，开始验证系统的稳定性和测量的准确性。首先验证空管采集即没有待测溶液时，相位检测电路输出的相位差经过Ａ／Ｄ采样后输出的电压值，根据输出电压值的波动范围可以判断系统的稳定性如何。测量装置按图２的方式进行搭建，通过软件设置ＤＳＰ内部Ａ／Ｄ转换速率为３．７５次／ｓ，采集１０在上位机界面上观察经ｍｉｎ，总共２０００个数据点Ａ／。Ｄ搭建完之后启动系统转换后输出的电压值，。具体数据如图９所示。

图９　Ａ／Ｄ转换器输出电压

的准确性。利用标定的氯化钠溶液，通过市场上购买的电导率分析仪与本系统测量得到的电导率进行对比，来验证本系统测量的准确性，分别进行６组实验，标定的氯化钠溶液的电导率分别为０．５、１、２、３、４、５作为该溶液的电导率Ｓ／ｍ，每个溶液测量，８具体数据如表组电导率数据１，所示然后取平均值。

表１　测量数据对比表

标定电导率仪器测得系统测量系统测量序号的氯化钠溶液

电导率电导率相对误差

／（Ｓ·ｍ－１）／（Ｓ·ｍ－１）／（Ｓ·ｍ－１）／％

１２０．５０．４９３１．０１．０２０．４８４２．０２．０８１．０４４．０５３．０３．１０２．０５４．０６

４．０５．０

３．９４３．１２２．５５．０８

４．０８４．０５．１４

２．０　高　、稳定性好由６组测量对比实验数据可知２．８。系统测量的相对误差小于，本系统测量精度５％，系统每次测量的电导率与市场上购买的电导率分析仪测量的数据基本保持一致，因此本系统具有较高的测量精度，符合设计预期，有着良好的应用前景。６　结束语

本文设计了一种基于ＤＳＰ的电导率在线分析仪，在测量模型上，选用双侧双线圈的测量模型，便于产生较强的磁场，提高了检测线圈检测信号的准确度。在激励信号源上，利用ＤＤＳ原理产生高精度的信号源，保证了激励信号的精度。在相位检测上，通过采用专用的低噪声高精度相位检测芯片ＡＤ８３０２来检测参考信号与检测信号的相差值，求得被测溶液的电导率。实际实验结果表明，该系统测量精度高，电导率测量误差范围在５％内，稳定性好，可以根据测量的的相位差值计算出水溶液的电导率，进而判断出水质，具有很高的工程应用价值。

（下转第４３页）

　第４期黄超等：基于双速度探头的微小流量热式气体流量计

　４３　

图６　流量计特性曲线

段流量测量相对误差较大暂时未找到原因，有待进一

步研究论证。５　结束语

本文设计了基于双速度探头的微小流量热式气体质量流量计。与传统热式流量计相比，简化了测量电路，测量方法不受环境温度影响，使温度补偿更为合理。简述了速度探头加工工艺，消除了传统热式流量计在微小流量下探头之间自然对流换热的问题。在不同环境温度下，流量计运行效果良好。受实验条件限制，未对过低温和稍高温环境进行实验，今后若有条件，会对其开展测试研究。

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作者简介：邱丽莉（１９８３—），硕士，实验师，主要研究领域为计

算机技术。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｑｉｕｌｉｌｉ４０６＠１２６．ｃｏｍ

置，对流量计进行实验。管道口径为ＤＮ３０，标准流量为０．５～７．５ｋｇ／ｈ时，对应气体流速范围约为０．２～２．３ｍ／ｓ。按照流量计特性曲线公式进行数据拟合，给出气体温度６．３℃和１１．６℃时的实验结果，见表２。

表２　实验结果

标准流量／（ｋｇ·ｈ）

－１

测试流量１／（ｋｇ·ｈ）

－１

相对误差０．８５６３－０．５６４７－１．３１４６－０．２２４８０．８４６６０．２７９３０．０５６６０．１２１４２．１３７８０．７４５６／％

测试流量２／（ｋｇ·ｈ）

－１

相对误差０．０７０７－０．８７７０－１．４２１０１．３４５１１．０１３４－０．２４９６－０．００６３０．０４４６０．１６６２０．７２４７０．２７３３／％

０．６１８２０．９９３９１．５０５６２．４９９３３．１１６０４．９２５１５．５４１５６．０００５６．４３０８７．０４７９７．４２５２

０．６２３５１．００１３１．４９７１２．５５２７３．０７５０４．９１４０５．５８８４６．０１７３６．４００５７．０５１９７．４３４２

０．６１８６０．９９６６１．４９２４２．５１７０３．０７１７４．９９１３５．５９７７６．０１０５６．４１４８７．０４７５７．４２８５

－０．４７１１

从表２数据可知，在不同环境温度下，双速度探头热式流量计大部分流量点相对误差小于２％，其中中段流量相对误差较大，个别流量点相对误差大于２％小于３％，且通过多次实验发现相对误差变化不大，说明双速度探头热式流量计稳定性及重复性好，温度补偿合理。该方法可实现对气体微小流量的测量。中（上接第３９页）

参考文献：

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