多通道盐度测量系统的设计及应用

闫瑞杰，李海香，郝瑞霞

（1.山西电力职业技术学院 动力系，太原 030021；2.太原理工大学 水利工程学院，太原 030024）

在科研试验和工业生产中，盐度是一个应用非常广泛的重要参数。如电力生产中的化学水处理、水厂水质检测、电厂排放水力热力特性的研究、核电厂减温水离子排放等，尤其是在水力热力特性的相关研究课题中都需要对盐度进行高精度测量，如国家基金课题“盐淡水交汇水域温排放水力热力特性的研究”须同时测量多个点的盐度、以分析其排放特性，水力热力特性又容易受到接触式测量仪器的干扰和影响，降低试验研究的精确性。目前国内外相关盐度测量仪器存在几个问题：普遍采用模拟电路的峰值电压进行检测，峰值电压不能全面完整表征盐度信息，因而导致其测量精度较低；测量电极的穿孔式结构导致其尺寸过大，直径大都在15mm、长度在200mm，这种结构的测量电极干扰了流场、严重影响了垂直方向和水平方向上的水力热力特性；都为单点测量，一台仪器只能测量一个点，当需要测量多个点时须购买多套仪器，加大了使用成本；大都不能在线自动测量，只能人工记录数据，少数能用于在线测量，但需要通过DCS系统的采集板卡实现多台仪器测量数据的采集，而DCS系统结构复杂，非专业人员无法熟练应用，对科研而言无疑加大了研究成本及使用难度。

为了解决上述问题，提供了一种利用全波采样技术进行盐度高精度测量的方法，通过数字积分求取激励电压周期内所包络区域的面积，此面积完整表征了盐度信息且正比于盐度，通过前期的盐度标定系数可以计算出盐度。设计了一种尺寸较小的环形结构测量电极，减小了测量电极在垂直方向和水平方向上对流场的影响、提高了测量精度。多点盐度在线测量系统的设计有力促进了相关研究课题的应用。

1 盐度测量方法

盐度的检测原理是通过盐份离子的导电特性进行测量的，流体中（或溶液中）含有的离子就如同电子一样具有了导电特性，离子含量越大导电特性也越高，因此，盐度的测量是通过对离子导电特性的测量而间接得到[1]。

以往的盐度测量是通过模拟电路探测测量电极的峰值电压实现，峰值电压这种以点代面的方法导致测量精度较低。为此，提供了一种利用全波采样技术进行盐度高精度测量的方法，该方法测量原理如下，交流信号发生电路发出激励电流，然后施加于测量电极，测量电极的有效测量部分浸入被测流体（或被测溶液、水域等），而被测流体含有的盐份离子具有导电特性，三者构成一闭合回路，因此测量电极上可检测到与盐度相关的正弦电压信号，该正弦电压信号经放大后由A／D转换电路进行全波采样，采样结果传送至微控制器；微控制器通过数字积分的方法求取该波周期内所包络区域的面积，此面积完整表征了盐度信息且正比于盐度，通过前期的盐度标定系数可以计算出盐度。

2 硬件设计

相比以往的盐度测量仪表，本测量系统设计了独特的通道选择电路，实现了96个通道的多点测量。采用先进的嵌入式单片机ATmega16完成通道控制、数据采集及数据传输，是一种智能型在线测量系统。

系统的硬件主要由以下6部分构成：交流信号发生电路；测量电路；A／D转换电路；单片机采集控制电路；通道选择电路；通讯电路等组成。如图1所示，测量过程如下，交流信号发生电路将激励电流送至通道选择电路，通道选择电路在单片机的控制下将交流激励信号依次施加于各个测量电极，施加到测量电极两端的信号经放大器接收，由放大器的输出送至A／D转换电路，单片机读取A／D转换结果，该结果经过计算处理得到盐度值，盐度值经过RS-485通讯网络传输至远程计算机，计算机上的应用软件保存测量数据、绘制实时测量曲线等，下面分别介绍其原理。

图1 多通道盐度测量系统原理框图

2.1 交流信号发生电路

交流信号发生电路产生的交流电流为盐度测量提供激励，交流激励电流可以有效防止由于测量电极的极化所引起的测量误差。在交变电场的作用下，两电极环的极性周期性地不断改变，交替地进行着相反的过程，可维持电极环附近正负离子的平衡，消除离子沉积，防止电极极化。如图示所示。交流信号发生电路在单片机端口PB1控制下产生正弦信号，其本质上是一变型多谐振荡器，其负载是电感线圈，作用是对多谐振荡器输出方波的上升沿和下降沿进行抑制，使负载输出波形为正弦波。T1是耦合变压器，其次级线圈产生正弦交流感应电动势，其输出端口为Port1、Port2，该电动势通过端口Port1、Port2在通道选择电路的控制下施加于测量电极两端，RP为电极匹配电阻。

图2 交流信号发生电路

2.2 测量电路

测量电路是要测量施加于电极上的交流信号，由于交流信号电路产生的交流信号为毫伏级，幅值太小，因此测量电路必须将其放大，以提高测量系统的分辨率和方便A／D转换电路采样。设计原理图如图3所示。运放选用AD8552，双端差动输入。输入端口Port1、Port2取自通道选择电路连接的测量电极，输出信号A／D接A／D转换电路。其中，电容C8主要是滤除测量电极上拾回来的高频杂波，电容C7主要是电源平滑滤波，C9用于抗高频干扰。

图3 测量电路原理图

电路设计过程中，综合考虑了电路实现过程中可能存在的诸多干扰，整个电路在ORCAD软件上模拟调试，所选用参数达到设计要求，运行结果较理想[2]。

2.3 A／D转换电路

A／D转换电路以 AD7705为核心设计，AD7705是AD公司生产的双通道16位ε型高精度模数转换器，该器件接受模拟信号，然后产生串行的数字输出。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器处理调制器的输出信号并将其送至三线串行接口以完成输出。其串行接口可与具有SPI接口的单片机系统直接相连。AD7705的时钟频率设为2.4576 MHz，电源电压VCC为＋5V。AN1＋，AN1-接模拟输入信号。基准电压源选用芯片REF192，为AD7705提供2.5V基准电压，其输出引脚6到地之间须并接0.1μF和10μF的电容以保证其输出电压精准。

2.4 单片机采集控制电路

该电路由2部分构成，一部分控制AD7705以完成数据的采集，主要是利用其SPI接口控制AD7705启动A／D转换并读取转换结果；另一部分用于控制通道选择电路，实现96个通道的不间断巡检。

2.5 通道选择电路

通道选择电路如图4所示，是集成设计的32选1逻辑开关阵列，开关阵列主要由信号继电器DS2Y-S组成，控制逻辑主要由74HC154芯片组成。其输入信号X、Y来自交流信号发生电路的输出端口Port1、Port2，输出端子为 X0、Y0，X1、Y1，X2、Y2，…，X30、Y30，X31、Y31，共32个输出通道，输出端子分别接至测量电极1至32，可接32个测量电极。此电路在单片机ATmega 16的程序控制下工作，通过ATmega 16的控制信号将交流激励信号依次施加与测量电极，输入信号选择哪一通道进行输出由逻辑控制端A4、A3、A2、A1、A0决定，逻辑控制信号来源于ATmega 16的引脚PD7、PA0、PA1、PA2、PA3。通道选择电路工作与否由使能端EN确定，EN连接于ATmega 16的引脚PD6。逻辑关系见表1。96个通道由三个这样的逻辑开关阵列组成[3]。

图4 通道选择电路

表1 逻辑关系表

2.6 通信接口

串行通信接口USART是一种双线的异步串口，ATmega16串行接口只需2跟线即可实现，具有独立的接受和发送寄存器UDR，3个控制和状态寄存器A、B、C和波特率寄存器UBRR。可工作于查询方式或中断方式，编程简单灵活。借助USART和RS-485芯片MAX3485，测量系统可实现与上位机计算机之间的数据传输。RS-485通讯接口具有良好的抗噪声干扰性，传输距离长，通讯站点多等优点。MODBUS RTU通讯协议，采用命令-响应方式，测量系统不断监听计算机发送来的命令，监听到正确命令后应答响应。该电路一方面将测量系统96个通道的测量数据传输到计算机；另一方面接收计算机传输来命令。与测量系统通讯的计算机端需要配接RS-485／RS-232转换器。

3 软件设计

本系统的软件设计分两部分，一是ATmega16的软件，用C语言编写，结构性好。根据系统设计的目的，包括几个子模块：AD7705驱动模块、采集程序模块、定时器模块、通道选择程序模块、通信模块、看门狗模块等。工作过程如下，通过ATmega16的SPI接口驱动AD7705，完成AD7705通道设置、时钟设置、更新速率以及校准模式等；然后启动ATmega16的定时器，在定时器中断函数中查询AD7705的状态，如转换完成则读取转换结果，否则继续等待直到转换完成，如此不断读出所需的转换结果。另一部分是上位机软件，用VC编写，完成与测量系统之间的数据通信，具有通信参数设置、标定、测量数据自动保存和绘制实时曲线等功能。软件设计部分只介绍流程，代码不做介绍。

图5 软件流程图

4 结论

实验结果表明该系统设计科学，电路参数选择合适，测量精度高、运行稳定。通过和国内外相关技术比较发现，本测量系统解决了目前相关水力热力特性研究课题中盐度测量问题；设计的盐度测量系统减小了对被测介质的影响；上位机应用软件解决了测量结果人工记录数据的负担，且各个通道都具有测量数据自动存储功能、绘制实时测量曲线功能。大大节约了科研试验的仪器购置成本，具有很高的推广应用价值。

表2 国内外同类技术比较

[1]承慰才.电厂化学仪表[M].北京：中国电力出版社，1998：3-30.

[2]闫瑞杰，李海香.基于 DSP的磁致伸缩液位传感器的设计[J].太原理工大学学报，2008，39（3）：289-291.

[3]闫瑞杰，李海香，郝瑞霞.基于ATmega16的AD7705多通道模拟量采集系统的设计[J].化工自动化及仪表，2011，38（4）：466-469.