專利名稱：溶解氧智能變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ) 償?shù)摹⒉⑶夷軌蛟诰€檢測(cè)水體的溶解氧智能變送器。
背景技術(shù)：
溶解W:指溶解于水或溶液中的分子態(tài)的氧，是水生動(dòng)物和水生植物生存不 可缺少的條件。溶解氧受水體的溫度、鹽度變化影響明顯，測(cè)量時(shí)必須考慮溫度 4M嘗和鹽度^M嘗。天然水中溶解氧近于飽和值，當(dāng)溶解氧濃度小于3mg/1時(shí)，魚 類等的生存就會(huì)受到影響。江、河、湖泊中溶解氧減小是水質(zhì)惡化的主要原因， 溶解氧濃度的大小反映出水體受污染特別是有機(jī)物污染的程度，溶解氧濃度的測(cè) 定在工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)，水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域意義重大，它是水質(zhì)污染程度的重 要指標(biāo)之一。
隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，測(cè)控儀表正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò) 化、集成化的方向發(fā)展，用于溶解氧濃度測(cè)定的溶解氧變送器也逐漸向高智能 化和高集成度方向發(fā)展。但現(xiàn)有技術(shù)中的溶解氧變送器多為無4Hf嘗或僅能夠?qū)?現(xiàn)溫度4M嘗的溶解氧變送器，其采用模擬量輸出且普遍存在造價(jià)高、功能單一、 集成度和智能化程度低的問題。也就是說，現(xiàn)有技術(shù)中還不存在一種帶有溫度補(bǔ)
償和鹽度^Hf嘗、并且能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)水體的溶解氧智能變送器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供一種溶解氧智能變送器，該 溶解氧智能變送器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溶解氧測(cè)量的溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ)償，并且能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)水體溶解氧的在線檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種溶解氧智能變送器，包括
溶解氧探頭，用于采集水體的溶解氧信號(hào)；
溫度電導(dǎo)率探頭，用于采集水體的溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)；
激勵(lì)信號(hào)源，用于向所述溶解氧探頭提供電壓激勵(lì)信號(hào)以及向所述溫度 電導(dǎo)率探頭提供電流激勵(lì)信號(hào)；
信號(hào)調(diào)理模塊，用于將所述溶解氧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)該電壓信號(hào) 進(jìn)行放大處理生成溶解氧電壓信號(hào)，對(duì)所述電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行峰值檢波處理生 成電導(dǎo)率電壓信號(hào)，以及對(duì)所述溫度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)；
變送器電子表格TEDS存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，所述TEDS參數(shù)包括 符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的通道信息和校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)；
微控制器，用于對(duì)所述溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信 號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換處理生成數(shù)字化的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和 溫度電壓信號(hào)，并根據(jù)所述通道信息和校準(zhǔn)4卜償參數(shù)對(duì)數(shù)字化的溶解氧電壓 信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理生成溶解氧含量、電導(dǎo) 率、溫度和實(shí)用鹽度；
電源模塊，用于向所述微控制器提供供電電壓，在所述微控制器的控制 下向所述激勵(lì)信號(hào)源提供供電電壓，以及在所述微控制器的控制下向所述信 號(hào)調(diào)理模塊提供供電電壓；
總線接口模塊，用于輸出所述微控制器生成的溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫 度和實(shí)用鹽度。
本發(fā)明溶解氧智能變送器集成了溶解氧探頭、溫度電導(dǎo)率探頭、TEDS存 儲(chǔ)器、微控制器和總線接口模塊。通過溶解氧探頭采集出水體的溶解氧信號(hào) 以及通過溫度電導(dǎo)率探頭采集出溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)，由微控制器根據(jù) TEDS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的TEDS參數(shù)以及經(jīng)過處理后的溶解氧信號(hào)、溫度信號(hào)和電 導(dǎo)率信號(hào)計(jì)算出溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度，并通過總線接口模 塊對(duì)計(jì)算出的溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧測(cè)量的溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ)償以及對(duì)水體溶解氧的在線檢測(cè)。
下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧智能變送器的工作原理示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧智能變送器的具體結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧變送器中的微控制器的總體程序的流程圖4為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧智能變送器的校正補(bǔ)償流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧智能變送器的工作原理示意圖，如圖1所 示，溶解氧智能變送器包括溶解氧探頭1、溫度電導(dǎo)率探頭2、分別與溶解氧 探頭1和溫度電導(dǎo)率探頭2連接的激勵(lì)信號(hào)源3、分別與溶解氧探頭1和溫 度電導(dǎo)率探頭2連接的信號(hào)調(diào)理模塊4、變送器電子表格(Transducer Electronic Data Sheets,簡(jiǎn)稱TEDS)存儲(chǔ)器5、分別與信號(hào)調(diào)理模塊4和 TEDS存儲(chǔ)器5連接的微控制器6、與微控制器6連接的總線接口模塊7和電 源模塊8。溶解氧探頭1用于采集水體的溶解氧信號(hào)；溫度電導(dǎo)率探頭2用 于采集水體的電導(dǎo)率信號(hào)和溫度信號(hào)；激勵(lì)信號(hào)源3用于向溶解氧探頭1提 供電壓激勵(lì)信號(hào)以及向溫度電導(dǎo)率探頭2提供電流激勵(lì)信號(hào)，具體地，溫度 電導(dǎo)率探2頭可包括電導(dǎo)率探頭22和溫度探頭24,則激勵(lì)信號(hào)源3向溫度 電導(dǎo)率探頭2中的電導(dǎo)率探頭22提供電流激勵(lì)信號(hào)；信號(hào)調(diào)理模塊4用于將 溶解氧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溶解氧電壓信 號(hào)，對(duì)電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行峰值檢波處理生成電導(dǎo)率電壓信號(hào)，以及對(duì)溫度信號(hào) 進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)；TEDS存儲(chǔ)器5用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，該TEDS 參數(shù)包括符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的通道信息和校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)；微控制器6用于 對(duì)溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換處理生成數(shù)字化的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)，并根據(jù)TEDS 存儲(chǔ)器5存儲(chǔ)的TEDS參數(shù)對(duì)數(shù)字化的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫 度電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理生成溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度；電源 模塊8用于向微控制器6提供供電電壓、在微控制器6的控制下向激勵(lì)信號(hào) 源3提供供電電壓、以及在微控制器6的控制下向信號(hào)調(diào)理模塊4提供供電 電壓；總線接口模塊7用于輸出微控制器6生成的溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫 度和實(shí)用鹽度。
進(jìn)一步地，溶解氧變送器還可以包括分別與電源模塊8和微控制器6連 接的電源管理模塊9,為實(shí)現(xiàn)電源模塊8對(duì)激勵(lì)信號(hào)源3和信號(hào)調(diào)理模塊4 的供電，電源管理模塊9還分別與激勵(lì)信號(hào)源3和信號(hào)調(diào)理模塊4連接，該 電源管理模塊9用于穩(wěn)定電源模塊8提供的供電電壓，并將供電電壓提供給 微控制器6、信號(hào)調(diào)理模塊4和激勵(lì)信號(hào)源3。也就是說，電源模塊8通過電 源管理模塊9分別向微控制器6、信號(hào)調(diào)理模塊4和激勵(lì)信號(hào)源3提供供電 電壓。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧智能變送器的具體結(jié)構(gòu)示意圖，在圖1的 基礎(chǔ)上再結(jié)合圖2所示對(duì)溶解氧智能變送器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。
溶解氧探頭1是極譜型復(fù)膜式氧電極，具體可以為通用工業(yè)級(jí)極鐠型復(fù) 膜式氧電41,包括鉑電^l和Ag/AgCl參比電極，鉑電極和Ag/AgCl參比電極 組成電極對(duì)。其中，柏電極作為陰極，Ag/AgCl參比電極作為陽極。當(dāng)在鉑 電極和Ag/AgCl參比電極這兩個(gè)電極上加上一個(gè)固定的極化電壓，并將這兩 個(gè)電極插入被測(cè)水體時(shí)，水體中的溶解氧透過薄膜，在鉑電極(陰極)上發(fā) 生還原反應(yīng)。具體地，溶解氧探頭l (即極譜型復(fù)膜式氧電極)的陰極和陽 極發(fā)生的反應(yīng)可如下所示
陰才及02+2H20+2e_ —H202+20}f H202+2e- —20『
陽極Ag+C1— —AgCl+e-全反應(yīng)4Ag+02+2H20+4Cr —4AgCl+40H— 因電極輸出的電流與氧的活度(即氧分壓)成正比，所以測(cè)量出的上述鉑電 極和Ag/AgCl參比電極上的電流即為溶解氧信號(hào)。進(jìn)一步地可根據(jù)溶解氧信 號(hào)得出被測(cè)水體的溶解氧含量。溶解氧探頭l靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，殘余 電流低。為了適用于惡劣環(huán)境中對(duì)水體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在溶解氧探頭l的外部 可以設(shè)置帶有溶解氧探頭保護(hù)套濾網(wǎng)23的溶解氧探頭保護(hù)套21,該溶解氧 探頭保護(hù)套21可以增加溶解氧探頭1的使用壽命和便于對(duì)溶解氧探頭1進(jìn)行 在線清洗。溶解氧4冢頭1可以廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)、自來水廠、城市污水 處理廠和環(huán)境監(jiān)測(cè)部門等對(duì)水體中溶解氧的測(cè)定。
溫度電導(dǎo)率探頭2包括電導(dǎo)率探頭和溫度探頭24,并且該溫度探頭和電導(dǎo) 率探頭為一體設(shè)置。電導(dǎo)率探頭采用電流-電壓四環(huán)電極法，包括兩個(gè)電流電 極和兩個(gè)電壓電極，具體為在絕緣體上設(shè)置上部電流電才及26、下部電流電極 27以及兩個(gè)電壓電極25。電導(dǎo)率探頭的測(cè)量原理是在兩個(gè)電流電極上施加一 個(gè)交流電流信號(hào)，該交流電流信號(hào)是由激勵(lì)信號(hào)源3提供的。該交流電流信號(hào) 在被測(cè)水體介質(zhì)里建立起電場(chǎng)，該電場(chǎng)可以在電壓電極25上感應(yīng)出電壓。因 為感應(yīng)出的電壓電極25間的電壓降與水體的電導(dǎo)率成正比，所以測(cè)量出的電 壓電極上感應(yīng)出的電壓即為電導(dǎo)率信號(hào)。再根據(jù)電導(dǎo)率信號(hào)可以得出被測(cè)水 體的電導(dǎo)率。進(jìn)一步地，已知被測(cè)水體的電導(dǎo)率，即可計(jì)算出水體的實(shí)用鹽 度。具體地，實(shí)用鹽度(S)是根據(jù)Ki5定義和計(jì)算的，所謂Ls是指在15。C和一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下，海水樣品電導(dǎo)率和質(zhì)量比為32. 4356 x 1(^的氯化鉀 溶液電導(dǎo)率的比值。溫度探頭24設(shè)置在溫度電導(dǎo)率探頭2的最底端，即上述 絕緣體的最底端，用于采集溫度信號(hào)。溫度探頭24可采用MF51型負(fù)溫度系數(shù) (Negative Temperature Coefficient,簡(jiǎn)稱NTC)熱敏電阻，具有體積 小、檢測(cè)范圍寬、測(cè)試精度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、抗老化、互換性和 一致性好等特點(diǎn)。溫度電導(dǎo)率探頭2的外部也可以設(shè)置帶有溫度電導(dǎo)率探頭保 護(hù)套濾網(wǎng)29的溫度電導(dǎo)率探頭保護(hù)套28,該溫度電導(dǎo)率探頭保護(hù)套28對(duì)電導(dǎo)率探頭上的電流電極和電壓電極有保護(hù)的作用，可以延長(zhǎng)溫度電導(dǎo)率探頭2
的使用壽命以及便于對(duì)溫度電導(dǎo)率探頭2進(jìn)行在線清洗。
進(jìn)一步地，溶解氧探頭保護(hù)套21和溫度電導(dǎo)率探頭保護(hù)套28上均設(shè)置有 保護(hù)套流通孔20，該保護(hù)套流通孔20用于進(jìn)行水交換，使溶解氧探頭保護(hù) 套21和溫度電導(dǎo)率探頭保護(hù)套28外部的水溶液可以進(jìn)入溶解氧探頭保護(hù)套21 和溫度電導(dǎo)率探頭保護(hù)套28,以便于溶解氧探頭1和溫度電導(dǎo)率探頭2采集水 體的溶解氧信號(hào)、溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)。并且溶解氧探頭l通過溶解氧探頭 螺旋壓帽17與接線盒底座3O連接，在溶解氧探頭螺旋壓帽17與接線盒底座30 之間還設(shè)置有溶解氧探頭密封圈19。溫度電導(dǎo)率探頭2通過溫度電導(dǎo)率探頭螺 旋壓帽32與接線盒底座30連接，溫度電導(dǎo)率探頭螺旋壓帽32與接線盒底座30 之間還設(shè)置有溫度電導(dǎo)率探頭密封圏31 。
如圖2所示，溶解氧智能變送器還包括變送器線路板15，變送器線路板 15內(nèi)集成了圖1中的激勵(lì)信號(hào)源3、信號(hào)調(diào)理模塊4、 TEDS存儲(chǔ)器5、微控 制器6、總線接口模塊7和電源模塊8。其中總線接口模塊7可采用RS485總 線接口 ，變送器線路板15可通過四芯電纜11連接電源、接地以及連接總線 接口模塊7中的RS485總線接口的正極和負(fù)極。變送器線3各板15外部設(shè)置有 接線盒外殼14，接線盒外殼14和接線盒底座30之間設(shè)置有接線盒密封圈18。 也就是說，變送器線路板15密封于接線盒外殼14中。四芯電纜11穿通接線 盒外殼14，通過電纜螺旋壓帽12與接線盒外殼14連接，并且在電纜螺旋壓 帽12與接線盒外殼14之間設(shè)置有電纜線密封圈13。接線盒密封圈18和電 纜線密封圏13可以保證整個(gè)溶解氧智能變送器對(duì)水體完全封閉，防護(hù)等級(jí)為 IP68,使溶解氧智能變送器可以浸沒于水體中工作，以便測(cè)定水體中不同深 度的溶解氧含量、電導(dǎo)率、實(shí)用鹽度和溫度。其中，電導(dǎo)率探頭采集的溶解 氧信號(hào)通過電導(dǎo)率探頭引線10發(fā)送給變送器線路板15,溫度電導(dǎo)率探頭2 采集的溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)通過溶解氧探頭引線16發(fā)送給變送器線路板 15。如圖1所示，激勵(lì)信號(hào)源3包括與溶解氧探頭1連接的極化電壓源33以 及與溫度電導(dǎo)率探頭2中的電導(dǎo)率探頭22連接的交流電流源34。極化電壓 源33用于向溶解氧探頭1提供極化電壓，交流電流源34用于向電導(dǎo)率探頭 22提供交流電流。交流電流可以為正弦波電流，則交流電流源34包括正弦 電路和恒流電^^,正弦電^^用于產(chǎn)生正弦波電流，恒流電i 各用于穩(wěn)定所述正 弦波電流，并向電導(dǎo)率探頭22輸出穩(wěn)定后的正弦波電流。極化電壓源33為 高精度基準(zhǔn)電壓源，可保證溶解氧探頭1不受電源波動(dòng)和溫度波動(dòng)影響，使 溶解氧含量的測(cè)量更為準(zhǔn)確。其中，極化電壓源33提供的極化電壓優(yōu)選為 0. 7V極化電壓，交流電流源34提供的交流電流優(yōu)選為10KHz交流電流。
如圖1所示，信號(hào)調(diào)理模塊4包括分別與溶解氧探頭1和微控制器6連 接的電流轉(zhuǎn)換放大電路41、分別與溫度電導(dǎo)率探頭2中的電導(dǎo)率探頭22和 微控制器6連接的峰值檢波電路42、分別與溫度探頭24和微控制器6連接 的濾波放大電路43。電流轉(zhuǎn)換放大電路41包括低電壓低功耗高精度的運(yùn)放 電路和精密電阻，用于接收溶解氧探頭1采集的溶解氧信號(hào)，將溶解氧信號(hào) 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溶解氧電壓信號(hào)，也就是 說電流轉(zhuǎn)換放大電路41對(duì)溶解氧信號(hào)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和放大處理生成溶解氧 電壓信號(hào)。峰值檢波電路42用于接收電導(dǎo)率探頭22采集的電導(dǎo)率信號(hào)并對(duì) 電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行峰值檢波處理生成電導(dǎo)率電壓信號(hào)，峰值檢波處理具體為獲 取電導(dǎo)率信號(hào)的峰值并對(duì)獲取的峰值進(jìn)行放大處理生成電導(dǎo)率電壓信號(hào)。濾 波放大電路43包括低電壓低功耗高精度的運(yùn)放電路和精密電阻，用于接收溫 度探頭24采集的溫度信號(hào)并對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)。上 述生成的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)為后續(xù)微控制器 6進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)所需的電壓信號(hào)。
TEDS存儲(chǔ)器5，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，該TEDS參數(shù)包括符合IEEE1451. 2 標(biāo)準(zhǔn)的通道信息和校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)，符合IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的通道信息可以為 Channel-TEDS , 符合 IEEEl451. 2標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)可以為Calibration-TEDS。另外，TEDS參數(shù)還可以包括Meta-TEDS。
為增強(qiáng)系統(tǒng)的集成度，微控制器6可釆用美國(guó)TI公司的MSP430系列單 片機(jī)集成電路芯片，也可以采用其它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制的芯片。其中， MSP430系列單片機(jī)是TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機(jī)，非常適合各種 功率要求低的場(chǎng)合，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。該單片機(jī)在 1.8V-3. 6V電壓、lMHz的時(shí)鐘條件下，耗電電流在O. 1 400jaA之間；含有 P。 Ps共7個(gè)I/O 口、 2個(gè)定時(shí)器Timer A、 Timer B、 1個(gè)看門狗，內(nèi)部集 成2K的RAM和60K的Flash,MSP430系列的Flash,可十萬次重復(fù)編程；MSP430 系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40°C ~+85°C;而MSP430系 列單片機(jī)一般單價(jià)只有幾十元。由此可以看出，MSP430系列單片機(jī)的性價(jià)比 高，完全能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)的需要。
MSP430單片機(jī)具有12位8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, 簡(jiǎn)稱ADC)功能和DMA控制單元，可以分別為系統(tǒng)采樣電路和數(shù)據(jù)傳輸部分 采用，使得系統(tǒng)的硬件電路更加集成化、小型化?？赏ㄟ^MSP430單片機(jī)內(nèi)的 ADC對(duì)溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 生成數(shù)字化的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)，由于上述 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果可在微控制器6內(nèi)部根據(jù)溫度和電導(dǎo)率之間的相互影響進(jìn)行擬 合，并通過軟件的方法來消除溶解氧探頭1和溫度電導(dǎo)率探頭2由于自身工 作環(huán)境改變而？ 1起的采集的數(shù)據(jù)信號(hào)的變化，因此可保證數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。
電源模塊8向微控制器6提供供電電壓、在微控制器6的控制下向激勵(lì) 信號(hào)源3提供供電電壓，以及在微控制器6的控制下向信號(hào)調(diào)理模塊4提供 供電電壓。電源模塊8可直接向微控制器6輸入供電電壓，并通過電阻分壓 方法，為供電狀況自診斷提供依據(jù)。進(jìn)一步地，電源模塊8與微控制器6、 信號(hào)調(diào)理模塊4和激勵(lì)信號(hào)源3之間還可以設(shè)置電源管理模塊9,電源管理 模塊9 一方面通過穩(wěn)壓電路提高電源模塊8輸入的供電電壓的適應(yīng)范圍，增 強(qiáng)芯片電壓的穩(wěn)定性，另一方面與微控制器6配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)信號(hào)源3和
ii信號(hào)調(diào)理模塊4的脈沖式供電，使整個(gè)溶解氧智能變送器可以在超低功耗下 運(yùn)行。
總線接口模塊7在硬件實(shí)現(xiàn)上可采用RS485總線接口 ，在軟件協(xié)議上支 持IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)。該總線接口模塊7可實(shí)現(xiàn)即插即用功能。
IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器包括智能變送器模塊(Smart Transducer Interface Module,簡(jiǎn)稱STIM)和網(wǎng)纟各適配器才莫塊(Network Capable Application Processor,簡(jiǎn)稱NCAP)兩部分，STIM和NCAP可通過 傳感獨(dú)立接口 (Transducer Independent Interface,簡(jiǎn)稱TII)相連。STIM 可實(shí)現(xiàn)所有與變送相關(guān)的功能，例如信號(hào)調(diào)理、測(cè)量信號(hào)或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器；并 且STIM包含格式化的TEDS信息，可進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀入和參數(shù)的設(shè)定，從 而實(shí)現(xiàn)傳感器的"即插即用"功能。但I(xiàn)EEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)中僅定義了網(wǎng)絡(luò)化智 能傳感器各部分的功能，未對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。
本發(fā)明提出的溶解氧智能變送器可實(shí)現(xiàn)IEEE1451. 2中定義的STIM的功 能。實(shí)現(xiàn)STIM功能的核心是具有支持IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的TEDS存儲(chǔ)器5和總線接 口模塊7。其中，TEDS存儲(chǔ)器5可將對(duì)溶解氧探頭1和溫度電導(dǎo)率探頭2的標(biāo)定 以及數(shù)據(jù)的校正等工作轉(zhuǎn)化為微控制器6承擔(dān)的例行任務(wù)，TEDS存儲(chǔ)器5是溶 解氧智能變送器實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償?shù)戎悄芄δ艿幕A(chǔ)。
本發(fā)明溶解氧智能變送器中的總線接口模塊7不采用IEEE1451. 2中的TI1 接口而是采用應(yīng)用更為廣泛的RS485總線接口，該RS485總線接口連接了熱拔 插電路，可以實(shí)現(xiàn)RS485總線接口的熱拔插。為了方便TEDS存儲(chǔ)器5中存儲(chǔ)內(nèi) 容的升級(jí)與更新，可采用異步串行接口來下載TEDS并通過I2C總線轉(zhuǎn)存至 FM24CL16鐵電存儲(chǔ)器中。
在實(shí)現(xiàn)STIM功能方面，主要是實(shí)現(xiàn)TEDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在IEEE1451.2標(biāo) 準(zhǔn)中TEDS是核心內(nèi)容之一，其是一種嵌入于STIM內(nèi)的表格，完整定義了STIM 各個(gè)部分邏輯信息存儲(chǔ)和互操作格式，也是對(duì)STIM各通道傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校 正的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的傳感器自身帶有內(nèi)部信息，具體包括制造商、數(shù)據(jù)代碼、序列號(hào)、使用的極限以及校準(zhǔn)系數(shù)等。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，
上述內(nèi)部信息可以被提供給NCAP以及系統(tǒng)其它部分。TEDS分為8個(gè)可尋址部 分，其中兩個(gè)必備的電子數(shù)據(jù)表格是:Meta-TEDS和Channel-TEDS,其余可按 需要進(jìn)行選擇。Meta-TEDS用于描繪TEDS信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、支持的通道數(shù)和通 道極限時(shí)間參數(shù)等有關(guān)STIM的總體信息；每個(gè)STIM通道包括1個(gè) Channel-TEDS,主要用于描述每個(gè)通道的具體信息，如描述通道物理屬性、 糾正類型、返回?cái)?shù)據(jù)類型和格式通道的定時(shí)信息等。Calibration-TEDS用于 存放校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)傳感器的自校正功能。
本發(fā)明因需要實(shí)現(xiàn)自校正功能，所以TEDS存儲(chǔ)器5中存儲(chǔ)有符合 IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的Channel-TEDS和Calibration-TEDS,另外，TEDS存儲(chǔ)器5 還存儲(chǔ)有符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的Meta-TEDS。其中，Cal ibrat ion-TEDS可用于 實(shí)現(xiàn)鹽度補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，其可存放0 ~ 4(TC水體中電導(dǎo)率電壓信號(hào)和實(shí)用鹽 度之間的對(duì)應(yīng)曲線，以及溫度在0 ~ 4 (TC范圍時(shí)不同鹽度(S= 0 ~ 6 0)的水體中 溶解氧含量與溶解氧電壓信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)曲線等。
本發(fā)明TEDS存儲(chǔ)器5存儲(chǔ)的TEDS信息量多，相互之間關(guān)系復(fù)雜，例如存儲(chǔ) 有對(duì)溫度電導(dǎo)率探頭輸出的溫度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后生成的溫度電壓信號(hào)與實(shí)際 溫度的對(duì)應(yīng)曲線、0 4(TC溫度下電導(dǎo)率電壓信號(hào)與實(shí)用鹽度的對(duì)應(yīng)曲線、不 同鹽度(S = 0-60)下對(duì)溶解氧探頭輸出的溶解氧信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后生成的溶 解氧電壓信號(hào)與溫度的對(duì)應(yīng)曲線等，所以TEDS需要的存儲(chǔ)空間較大，我們將 其存儲(chǔ)于FM24CL16鐵電存儲(chǔ)器中，F(xiàn)M24CL16鐵電存儲(chǔ)器具有2KB的存儲(chǔ)容量并 擁有較大的擴(kuò)展空間。4^電存儲(chǔ)器FRAM在性能方面與EEPR0M和Flash相比有三 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)之處首先，鐵電存儲(chǔ)器的讀寫速度更快，與其它存儲(chǔ)器相比，鐵電 存儲(chǔ)器的寫入速度要快10萬倍以上，讀的速度同樣也很快，和寫操作在速度 上幾乎沒有太大的區(qū)別；其次，鐵電存儲(chǔ)器可以無限次擦寫，而EEPROM則只 能進(jìn)行100萬次的擦寫；最后，鐵電存儲(chǔ)器所需功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它非易失性存 儲(chǔ)器。本發(fā)明中的總線接口模塊7采用了 RS485總線接口 ，通過該總線接口模 塊7可以與上位機(jī)或其它設(shè)備進(jìn)行通訊。總線接口模塊7與微控制器6之間 還可以連接有RS485轉(zhuǎn)換電路(該RS485轉(zhuǎn)換電路還可以附加光電耦合電路， 以提高抗干擾能力)，用于將纟效控制器6的接口轉(zhuǎn)換為RS485總線接口。也 就是說，由于微控制器MSP430單片機(jī)不能直接連接RS485總線接口，因此還 須在MSP430單片才幾與RS485總線接口之間設(shè)置RS485轉(zhuǎn)換電3各，RS485轉(zhuǎn)換 電路可采用美國(guó)TI ^^司生產(chǎn)的一種RS485總線^l妄口芯片SN75LBC184芯片。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧變送器中的微控制器的總體程序的流程 圖，如圖3所示，圖3為微控制器程序軟件部分的流程，具體包括上電初 始化硬件狀態(tài)，調(diào)出存儲(chǔ)在FM24CL16鐵電存儲(chǔ)器中的TEDS參數(shù)，根據(jù)TEDS 參數(shù)識(shí)別探頭類型、制造商、序列號(hào)、通道數(shù)、物理類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，具 體地，可根據(jù)TEDS參數(shù)中的Meta-TEDS識(shí)別探頭類型、制造商、序列號(hào)、通 道數(shù)、物理類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。通過自診斷程序測(cè)量電源電壓、探頭接口等 信號(hào)，判斷溶解氧智能變送器是否存在故障。之后為了降低功耗，微控制器 控制外設(shè)進(jìn)入休眠狀態(tài)(也可稱為低功耗模式)，等待任務(wù)觸發(fā)。將系統(tǒng)由 休眠狀態(tài)喚醒的方式有兩種， 一種是在定時(shí)觸發(fā)采集請(qǐng)求下，進(jìn)行模擬/數(shù)字 (A/D)數(shù)據(jù)采集并執(zhí)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，包括溶解氧、電導(dǎo)率、實(shí)用鹽度和溫 度的標(biāo)定及補(bǔ)償。另一種是通過串行接口接收外部設(shè)置參數(shù)、觸發(fā)測(cè)量、讀 出參數(shù)與測(cè)量結(jié)果的請(qǐng)求，即STIM服務(wù)程序。
溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ)償是本發(fā)明溶解氧智能變送器可實(shí)現(xiàn)的重要功能，實(shí) 現(xiàn)溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ)償主要是通過微控制器中的數(shù)據(jù)處理子程序模塊，具體 地，可如圖4所示，圖4為本發(fā)明實(shí)施例的溶解氧智能變送器的校正補(bǔ)償流 程圖。步驟1、讀出A/D轉(zhuǎn)換程序提供的當(dāng)前對(duì)電導(dǎo)率探頭輸出的電導(dǎo)率信 號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后生成的電導(dǎo)率電壓信號(hào)和對(duì)溫度探頭輸出的溫度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 后生成的溫度電壓信號(hào)；步驟2、根據(jù)電導(dǎo)率電壓信號(hào)和電導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)曲線 對(duì)電導(dǎo)率電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得出電導(dǎo)率(ms/cm),以及根據(jù)溫度電壓信號(hào)和
14溫度的對(duì)應(yīng)曲線對(duì)溫度電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得出溫度(°C);步驟3、根據(jù)實(shí) 用鹽度和電導(dǎo)率電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線對(duì)溫度和電導(dǎo)率電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理 得出實(shí)用鹽度；步驟4、讀取對(duì)溶解氧探頭輸出的溶解氧信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后生 成的溶解氧電壓信號(hào)；步驟5、調(diào)出當(dāng)前實(shí)用鹽度下溶解氧含量和溶解氧電 壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線，根據(jù)當(dāng)前實(shí)用鹽度下溶解氧含量和溶解氧電壓信號(hào)的對(duì) 應(yīng)曲線對(duì)溫度和溶解氧電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得出當(dāng)前水體的溶解氧含量，該溶 解氧含量可包括絕對(duì)溶解氧含量(mg/1)和相對(duì)溶解氧含量(％ )。 綜上所述，本發(fā)明溶解氧智能變送器具有如下有益效果 (1)溶解氧智能變送器通過集成了溶解氧探頭、溫度電導(dǎo)率探頭、TEDS 存儲(chǔ)器、微控制器和總線接口模塊，通過溶解氧探頭采集出水體的溶解氧信 號(hào)以及通過溫度電導(dǎo)率探頭采集出溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)，由微控制器根據(jù) TEDS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的TEDS參數(shù)以及經(jīng)過處理后的溶解氧信號(hào)、溫度信號(hào)和電 導(dǎo)率信號(hào)計(jì)算出溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度，并通過總線接口模 塊對(duì)計(jì)算出的溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)了
對(duì)溶解氧測(cè)量的溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ)償以及對(duì)水體溶解氧的在線檢測(cè)；本發(fā)明 的溶解氧智能變送器可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間在線檢測(cè)不同水體的溶解氧含量，滿足了 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的檢測(cè)要求。
(2 )本發(fā)明溶解氧智能變送器采用單片機(jī)技術(shù)和電化學(xué)測(cè)試技術(shù)相結(jié) 合，簡(jiǎn)化了硬件電路，擴(kuò)充了測(cè)量功能，并采用IEEE1451.2的自補(bǔ)償方法。 溶解氧探頭、電導(dǎo)率探頭和溫度探頭集成在一個(gè)接線盒外殼中，在微控制器 的控制作用下可同時(shí)讀取各種數(shù)據(jù)，從而使溶解氧信號(hào)、電導(dǎo)率信號(hào)和溫度 信號(hào)三個(gè)參數(shù)獲取的同時(shí)性得到保證，并且通過內(nèi)嵌的補(bǔ)償方法，提高測(cè)量 精度。
(3)本發(fā)明通過內(nèi)置微控制器和TEDS存儲(chǔ)器可以將溶解氧探頭、電導(dǎo) 率探頭和溫度探頭三個(gè)探頭的原始輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度CC)、溶解氧絕對(duì)值 (mg/1)、溶解氧相對(duì)值(％)、電導(dǎo)率(ms/cm)和實(shí)用鹽度等不同物理量輸出。
(4 )本發(fā)明采用全數(shù)字總線傳送信號(hào)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中傳感器輸出4 ~ 20mA模擬電流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)導(dǎo)致的分辨率低而限制測(cè)量范圍的問題，擴(kuò)充了測(cè)量 范圍。
(5)本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)化智能變送器的功能。通 過RS485總線接口模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)微控制器和TEDS存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的讀出和參數(shù)的設(shè) 定并且通過RS485總線接口模塊輸出微控制器生成的電導(dǎo)率、溫度、實(shí)用鹽 度和溶解氧含量，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的"即插即用"功能。
(6 )本發(fā)明通過電源模塊和電源管理模塊可實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行；并具有能 量監(jiān)測(cè)和自動(dòng)診斷功能；本發(fā)明中的電路元件都采用貼片封裝，變送器線路 板密封于接線盒外殼中，實(shí)現(xiàn)了微型化與一體化設(shè)計(jì)，設(shè)備穩(wěn)定性好、可靠 性高。
最后應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn) 行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換， 而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種溶解氧智能變送器，其特征在于，包括溶解氧探頭，用于采集水體的溶解氧信號(hào)；溫度電導(dǎo)率探頭，用于采集水體的溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)；激勵(lì)信號(hào)源，用于向所述溶解氧探頭提供電壓激勵(lì)信號(hào)以及向所述溫度電導(dǎo)率探頭提供電流激勵(lì)信號(hào)；信號(hào)調(diào)理模塊，用于將所述溶解氧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溶解氧電壓信號(hào)，對(duì)所述電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行峰值檢波處理生成電導(dǎo)率電壓信號(hào)，以及對(duì)所述溫度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)；變送器電子表格TEDS存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，所述TEDS參數(shù)包括符合IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的通道信息和校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)；微控制器，用于對(duì)所述溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換處理生成數(shù)字化的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)，并根據(jù)所述通道信息和校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)對(duì)數(shù)字化的溶解氧電壓信號(hào)、電導(dǎo)率電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理生成溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度；電源模塊，用于向所述微控制器提供供電電壓，在所述微控制器的控制下向所述激勵(lì)信號(hào)源提供供電電壓，以及在所述微控制器的控制下向所述信號(hào)調(diào)理模塊提供供電電壓；總線接口模塊，用于輸出所述微控制器生成的溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述溶解氧 探頭為通用工業(yè)級(jí)極譜型復(fù)膜式氧電極。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述溫度 電導(dǎo)率探頭包括一體設(shè)置的溫度探頭和電導(dǎo)率探頭。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述溶解氧探頭的外部設(shè)置有帶有溶解氧探頭保護(hù)套濾網(wǎng)的溶解氧^^罙頭保護(hù)套，所述 溫度電導(dǎo)率探頭的外部設(shè)置有帶有溫度電導(dǎo)率探頭保護(hù)套濾網(wǎng)的溫度電導(dǎo)率 探頭保護(hù)套。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述激勵(lì)信號(hào)源、信號(hào)調(diào)理模塊、TEDS存儲(chǔ)器、電源模塊和總線接口模塊集成于變送器 線路板上，所述變送器線路板密封于防護(hù)等級(jí)為IP68的接線盒外殼中。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述激勵(lì)信 號(hào)源包括極化電壓源，用于向所述溶解氧探頭提供極化電壓； 交流電流源，用于向所述電導(dǎo)率探頭提供交流電流。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述信號(hào)調(diào) 理模塊包括:電流轉(zhuǎn)換放大電路，用于將所述溶解氧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)該電壓 信號(hào)進(jìn)行放大處理生成所述溶解氧電壓信號(hào)；峰值檢波電路，用于對(duì)所述電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行峰值^r波處理生成電導(dǎo)率電 壓信號(hào)；濾波放大電路，用于對(duì)所述溫度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，所述總線接 口模塊采用RS485總線接口 ，所述總線接口模塊在協(xié)議上支持IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的溶解氧智能變送器，其特征在于，還包括 電源管理模塊，與所述電源模塊、所述微控制器、所述激勵(lì)信號(hào)源和所述信號(hào)調(diào)理模塊連接，用于穩(wěn)定所述電源模塊提供的供電電壓，并將供電電 壓提供給所述微控制器、所述激勵(lì)信號(hào)源和所述信號(hào)調(diào)理模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種溶解氧智能變送器，包括溶解氧探頭、溫度電導(dǎo)率探頭、激勵(lì)信號(hào)源、信號(hào)調(diào)理模塊、變送器電子表格TEDS存儲(chǔ)器、微控制器、電源模塊和總線接口模塊。本發(fā)明溶解氧智能變送器集成了溶解氧探頭、溫度電導(dǎo)率探頭、TEDS存儲(chǔ)器、微控制器和總線接口模塊。通過溶解氧探頭采集出水體的溶解氧信號(hào)以及通過溫度電導(dǎo)率探頭采集出溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)，由微控制器根據(jù)TEDS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的TEDS參數(shù)以及經(jīng)過處理后的溶解氧信號(hào)、溫度信號(hào)和電導(dǎo)率信號(hào)計(jì)算出溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度，并通過總線接口模塊對(duì)溶解氧含量、電導(dǎo)率、溫度和實(shí)用鹽度進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧測(cè)量的溫度補(bǔ)償和鹽度補(bǔ)償以及對(duì)水體溶解氧的在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/48GK101533031SQ20091008241
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者丁啟勝, 李道亮, 王劍秦, 趙霖林, 馬道坤 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)