專利名稱：智能電導儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量電導率的裝置，用于測量各種水及水溶液的電導率和含鹽量，特別涉及一種智能電導儀。
國內目前生產的電導儀產品均為模擬式儀表，其測量精度一般為2～5％，儀表的功能少，溫度補償范圍小，精度低，傳送距離短，電極常數(shù)補償范圍窄，無量程自動切換和非線性修正，也沒有采用單片機技術實現(xiàn)電導儀智能化。市售的電導儀，其精度只有1.5～5％，報警誤差為4％，傳輸距離為40米。中國專利87214783.5所公開的裝置，其測量電路采用分壓法，這種方法的輸出信號為非線性的。另外，該專利所述的儀表無量程自動切換，無電容補償，使用功能和應用范圍有限。
本實用新型的目的在于提供一種測量精度高、穩(wěn)定性和可靠性好、使用范圍寬的多功能智能電導儀。
本實用新型的智能電導儀，包括機架、機殼、面板、模擬測量電路板和數(shù)字電路板，其特點是模擬測量電路板上的模擬測量電路單元由電導測量電路、溫度測量電路和電壓－電流轉換電路組成。電導測量電路由測量電極、方波發(fā)生器、量程切換電路、電容補償電路、電流－電壓轉換電路和整流輸出電路組成。方波發(fā)生器與量程切換電路相連，量程切換電路的一路輸出與測量電極的一端相連，另一路輸出與電容補償電路相連，電容補償電路的輸出端與電流－電壓轉換電路相連，測量電極的另一端與電流－電壓轉換電路相連，電流－電壓轉換電路與整流輸出電路相連，整流輸出電路與模數(shù)轉換電路相連。溫度測量電路由熱電阻、不平衡電橋和放大輸出電路組成。熱電阻與不平衡電橋相連接，不平衡電橋與放大輸出電路相連，放大輸出電路與模數(shù)轉換電路相連接。數(shù)字電路板上的數(shù)字電路由單片機系統(tǒng)、模數(shù)及數(shù)模轉換電路、顯示及操作電路和開關量輸出電路組成。
本實用新型由于引入單片機系統(tǒng)，使它的功能大為增加，并使其測量精度、穩(wěn)定性和靈敏度等性能有較大的改進和提高。儀表可同時測量和顯示電導和溫度兩個參數(shù)。單片機可對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波抑制由于外界干擾引起的波動。儀表具有定時自動校驗功能，能自動消除由于長期運行或元器件老化引起的漂移。
本實用新型有下列附圖

圖1智能電導儀的結構示意圖圖2智能電導儀的框圖圖3電導測量電路和溫度測量電路的框圖圖4電導測量電路的電路原理圖圖5運行程序的框圖
以下結合附圖和實施例對本實用新型作詳細描述。
本實用新型的結構示意圖見圖1。圖1中，1為面板，2為機架，3為機殼，4為模擬電路板，5為數(shù)字電路板，6為電源，7為端子板，8為顯示器，9為操作鍵。
本儀表是一種以單片機為核心的智能化儀表，其組成框圖見圖2。儀表的工作概況如下模擬測量電路12將由電極10來的電導信號和由熱電阻11來的溫度信號分別進行測量放大，并轉換為0～2V直流電壓信號。該信號經(jīng)A／D轉換器13，轉換為數(shù)字信號，通過光電隔離電路14和接口電路送入單片機15，再由單片機進行數(shù)字濾波、標度變換、溫度補償、非線性修正等運算后，將所得之電導值及溫度值送數(shù)碼管顯示器16。同時送D／A轉換器18，再經(jīng)電流轉換電路19轉換為4～20mA直流模擬信號，作為儀表的輸出信號。另外，單片機系統(tǒng)15還將所得之電導值與所設定的上限、下限值進行比較。當出現(xiàn)越限進，通過報警電路20發(fā)送越限報警接點信號。儀器還可通過面板上的操作按鍵17進行參數(shù)設定、顯示切換、消除報警音響等操作，通過切換驅動單元21進行量程自動切換。圖2中，22為電源。
模擬測量電路包括電導測量電路、溫度測量電路和電壓、電流轉換電路三部分。電導測量電路的框圖見圖3，它是由測量電極23、方波發(fā)生器24、量程切換電路25、電容補償電路28、電流－電壓轉換電路26和整流輸出電路27組成。溫度測量電路則是由熱電阻29、不平衡電橋30和放大輸出電路31組成。
電導測量實際上就是測量溶液中帶電離子在外加電場作用下的導電性能。本儀表采用直接測量方法，即在溶液中插入一對電極(又稱電導池)，外加驅動電壓，在兩電極間流過一電流。儀表的轉換電路將這一電流轉換為相應的電壓信號。該電壓值是與液體的電導率成正比的。具體測量電路見圖4。
在電導測量中，可引起測量誤差的因素很多，主要因素包括電極極化、溫度影響及導線間分布電容等。
為消除這些誤差，本儀表在測量電路采用如下措施1.采用了圖4中A1運算放大器構成的方波發(fā)生器。該放大器輸出的交流方波電壓信號，經(jīng)穩(wěn)壓后接入同相放大器A2的輸入端。該放大電路的輸出阻抗小，減小在量程切換時負載變化對方波電源的影響，保證了電壓的穩(wěn)定性，并可根據(jù)不同的測量范圍，調整方波電壓的大小。電極驅動電壓采用1KHZ方波電壓。
2.在測量電路中，增加了一級量程切換電路，該電路的放大器A3的一組輸入電阻與繼電器的接點相串連，通過單片機驅動繼電器，改變閉合接點，從而改變加在測量電極上的電壓，實現(xiàn)量程自動切換。每臺儀表測量范圍可分為2～4檔，當測量值低于某一測量值時，由單片機控制自動切換到下一檔，反之，切換到上一檔，每檔的誤差均不大于該檔最大值的1％。因此，一臺儀表可以使用在較寬的測量范圍內，并能保證測量值的測量精度。
3.儀表測量電路中增加了專門用于分布電容補償?shù)碾娙菅a償電路16，可將由分布電容引起的測量誤差全部補償?shù)簦箓鞲衅鞯蕉蝺x表的傳輸距離大大加長。該電路是由放大器A4和一組并聯(lián)電容組成，放大器A4的輸入端接在A3的輸出端，其放大倍數(shù)為1，A4輸出電壓與A3的輸出電壓大小相等，相位相反，輸出電壓加在一組并聯(lián)的電容器上的一端，并聯(lián)電容值的大小由開關來選擇，電容器的另一端和電導池的一端同時接在放大器的A5的輸入端，在電導池開路時，改變并聯(lián)電容值的大小，即可消除分布電容的影響，使儀表輸出為零，從而實現(xiàn)電容補償?shù)淖饔茫箿y量精度不受傳送距離的影響。
4.儀表通過放大器A6、A7組成的全波整流輸出電路，輸出直流電壓信號，通過調節(jié)電位器，可以補償電極常數(shù)為非標準值引起的偏差。
5.儀表增加了獨立的溫度測量電路，測溫元件采用熱電阻(如Pt100)。測量電路采用不平衡電橋，橋路由穩(wěn)壓電源供電，輸出信號經(jīng)一級差動放大和兩級反相放大，輸出直流電壓信號，該信號與電導信號同時輸入單片機，由單片機按溫度補償公式進行補償運算。
數(shù)字電路包括單片機系統(tǒng)、數(shù)模及模數(shù)轉換電路、顯示及操作電路、開關量輸出電路等部分，各部分的組成及作用如下1.單片機系統(tǒng)是由8031單片機、8155接口電路、2764程序存儲器和6116數(shù)據(jù)存儲器等組成，它是儀表的核心部分。其主要功能是完成電導、溫度數(shù)據(jù)的巡回采集、進行數(shù)字濾波、標度變換、溫度補償、非線性修正等運算，發(fā)出量程切換、越限報警等控制信息，同時接受鍵盤來的外部操作信息和向顯示器輸出數(shù)據(jù)等。通過單片機完成數(shù)字濾波，可抵制外界干擾引起的波動。利用單片機實現(xiàn)溫度補償，使溫度補償范圍和補償精度顯著提高。通過單片機進行標度變換，使儀表很方便的顯示電導值或電阻值，顯示的單位也可根據(jù)用戶要求來改變。另外，顯示值的小數(shù)點后的位數(shù)可隨測量值的大小而變，由1到3位，從而使儀表的靈敏度，無論測量值的大小，都能保持在0.05％以下。
2.數(shù)模及模數(shù)轉換電路模數(shù)轉換電路采用Mc14433雙積分A／D轉換芯片，其作用是將模擬電路來的電壓信號轉換為數(shù)字信號，轉換后的數(shù)字信號經(jīng)光電隔離，送單片機系統(tǒng)，轉換精度為0.05％，速度為3～10次／秒。電導和溫度信號是經(jīng)多路切換開關巡回送入A／D轉換器。
數(shù)模轉換器采用0832 8位D／A芯片，由8031選通D／A芯片后，將電導值的8位信號經(jīng)P8口直接送入D／A轉換器，經(jīng)D／A轉換為相應的模擬電流信號，再經(jīng)放大轉換電路，轉換為4～20mADC信號或1～5VDC電壓信號，該信號可以與各類DDZ－Ⅲ型儀表的顯示器、記錄儀或調節(jié)儀表等配套使用。
3.顯示及操作電路儀表顯示采用4位8段共陽極數(shù)碼管，顯示方式采用動態(tài)掃描，由8155接口電路來的8個位線經(jīng)驅動器作為顯示器的段選信號，4個位線加驅動器作為位選信號，動態(tài)掃描速度為20ms。
儀表面板上有四個操作鍵，人工操作信號經(jīng)與門邏輯電路送入8031的INT1端，作為第二中斷源，通過各操作鍵，可實現(xiàn)溫度、電導、電阻等顯示切換，設定上下限報警值、溫度補償系數(shù)、報警方式、以及消除報警音響等。
4.開關量輸出電路儀表的上、下限報警信號接點，儀表的量程切換接點是由一組繼電器輸出的，這些繼電器是由8031P1口和相應的驅動器電路來控制。當出現(xiàn)越限情況和量程超過一定范圍時，8031單片機的P1口的控制位線，控制驅動器，使相應的繼電器動作，接通外部聲光信號或完成量程自動切換。
本儀表采用開關電源，輸入電壓為220VAC，50HZ，輸出電壓±12V、＋5V各一組，該電源功耗少，體積小，工作可靠，適用于智能儀表。
本儀表在技術性能和功能上較國產模擬儀表有很大提高。具體技術指標如下1.測量范圍0～1000μS(可根據(jù)需要任意分檔)2.溫度測量范圍0～100℃3.測量精度≤1％分檔滿量程4.靈敏度各分檔范圍的0.05％5.穩(wěn)定性0.5％分量程／24小時6.溫度補償范圍0～100℃7.溫度補償系數(shù)任意設定8.輸出電流4～20mADC9.負載電阻≤750Ω10.輸出接點容量24V，3A
11.發(fā)送器傳送距離≤100米12.電源電壓～220V±10％，50HZ本儀表的運行程序，使用MCS－51單片機匯編語言和BASIC語言混合編寫。程序分為主程序、中斷服務程序和自檢程序三部分。主程序包括巡回采樣，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)處理，溫度補償，非線性修正，量程切換，越限報警，定時自檢等程序。程序框圖見圖5。
權利要求1.一種智能電導儀，包括機架、機殼、面板、模擬測量電路板和數(shù)字電路板，其特征在于模擬測量電路包括電導測量電路、溫度測量電路和電壓-電流轉換電路，電導測量電路由測量電極(23)、保證驅動電壓穩(wěn)定的方波發(fā)生器(24)、保證較小測量值時測量精度的量程切換電路(25)、可將由于分布電容引起的測量偏差全部抵消的電容補償電路(28)、電流-電壓轉換電路(26)和整流輸出電路(27)組成，方波發(fā)生器(24)與量程切換電路(25)相連，量程切換電路(25)的一路輸出與測量電極(23)的一端相連，另一路輸出與電容補償電路(28)相連，電容補償電路(28)的輸出端與電流-電壓轉換電路(26)相連，測量電極(23)的另一端與電流-電壓轉換電路(26)相連，電流-電壓轉換電路(26)與整流輸出電路(27)相連，整流輸出電路(27)與模數(shù)轉換電路(13)相連，溫度測量電路由熱電阻(29)、不平衡電橋(30)和放大輸出電路(31)組成，熱電阻(29)與不平衡電橋(30)相連，不平衡電橋(30)與放大輸出電路(31)相連，放大輸出電路(31)與模數(shù)轉換電路(13)相連，數(shù)字電路由單片機系統(tǒng)(15)、模數(shù)及數(shù)模轉換電路(13，18)、顯示及操作電路(16，17)和開關量輸出電路(20)組成。
2.按照權利要求1所述的電導儀，其特征在于方波發(fā)生器(24)由運算放大器A1構成，該放大器輸出的交流方波電壓信號，經(jīng)穩(wěn)壓后接入同相放大器A2的輸入端。
3.按照權利要求2所述的電導儀，其特征在于量程切換電路(25)的放大器A3的一組輸入電阻與繼電器的接點相串連，通過單片機驅動繼電器，改變閉合接點，從而改變加在測量電極上的電壓，實現(xiàn)量程自動切換。
4.按照權利要求3所述的電導儀，其特征在于電容補償電路(28)是由放大器A4和一組并聯(lián)電容組成，放大器A4的輸入端接在A3的輸出端，其放大倍數(shù)為1，A4輸出電壓與A3的輸出電壓大小相等，相位相反，并分別加在補償電路和電導池的一端，電容補償電路的另一端和電導池的另一端同時接在放大器A5的輸入端。
5.按照權利要求4所述的電導儀，其特征在于溫度測量電路中采用不平衡電橋，橋路由穩(wěn)壓電源供電，輸出信號經(jīng)一級差動放大和兩級反相放大，輸出直流電壓信號，該信號與電導信號同時輸入單片機。
6.按照權利要求5所述的電導儀，其特征在于單片機系統(tǒng)(15)是由8031單片機、8155接口電路、2764程序存儲器和6116數(shù)據(jù)存儲器等組成；模數(shù)轉換電路采用MC14433雙積分A／D轉換芯片；數(shù)模轉換采用08328位D／A芯片，由0831選通D／A芯片后，將電導值的8位信號經(jīng)Pθ口直接送入D／A轉換器。
專利摘要一種智能電導儀，由模擬測量電路單元和數(shù)字電路單元組成。模擬測量電路中的電導測量電路包括測量電極、方波發(fā)生器、量程自動切換電路、電容補償電路、電流-電壓轉換電路和整流輸出電路。本儀表具有量程自動切換、高精度大范圍分布電容補償、數(shù)字式溫度補償?shù)葍?yōu)點。該儀表功能強，操作方便，儀表精度保證在每一個量程范圍內為1％，同時具有上下限報警信號輸出?？蓮V泛用于化工、醫(yī)藥、電力、冶金等生產過程的水處理行業(yè)。
文檔編號G01R27/22GK2195761SQ94208460
公開日1995年4月26日 申請日期1994年4月15日 優(yōu)先權日1994年4月15日
發(fā)明者呂繼業(yè), 許鈞才, 胡麗娜, 劉合軍 申請人:核工業(yè)第四研究設計院