基于电导电极的肥液浓度在线检测仪设计与实现

李加念　倪慧娜　马燕　冯瑞

摘要[目的]为能实时检测灌溉施肥系统进行水肥自动混合时的肥液浓度。[方法]基于电导电极设计了一种以9 V电池供电的肥液浓度在线检测仪，通过测量肥液电导率间接实现肥液浓度的测量，测量结果可通过显示器直接显示，还可通过SPI接口输出至水肥自动混合控制器。为尽量降低极化效应的影响，试验确定了以幅值为±3.5 V的方波信号作为电导电极的激励源。该检测仪具有温度自动补偿和量程自动切换功能，并通过试验确定了测量量程范围的划分及各个小量程对应的分压电阻与方波激励信号频率。[结果]在农业上，常用的0.1%～1.0%施肥浓度范围内，对检测仪进行了试验验证，其平均相对误差为2.77%。[结论]该检测仪能满足实际应用要求。

关键词肥料；溶液；肥料浓度；检测；电导率

中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2014）12-03465-03

基金项目昆明理工大学省级人培项目（KKSY201323003）；大学生创新训练项目（201310674245）。

作者简介李加念（1983-），男，湖南道县人，讲师，博士，从事电子信息及测控技术在农业上的应用研究。

收稿日期20140410灌溉施肥是一种具有施肥均匀、水肥利用率高以及有效减轻土壤污染等特点的水肥一体化灌溉技术，已被广泛应用于农业生产中。随着精细农业及相关技术的发展，出现了很多自动灌溉施肥装置或系统，根据农作物的生长状况和实际需肥需求，能自动调节水肥的混合浓度进行变量施肥[1-2]。在水肥自动混合过程中，肥液浓度的实时监测是实现水肥精确混合的关键环节。有研究表明，肥液电导率与肥液浓度有着显著相关性[3]，因此可通过测量肥液电导率的方法间接测量肥液浓度[4]。目前，测量电解质溶液电导率的方法主要有电极法、电容耦合法和电磁感应法等。每种方法各有其优缺点[5-7]。该研究采用电导电极检测肥液电导率的方法设计一种肥液浓度检测仪，在线实时监测肥液浓度，既可直接显示检测结果，又可将检测结果通过SPI（Serial peripheral interface）接口输送至自动混肥控制系统，为在线自动混肥提供肥液浓度的反馈信息。

1肥液浓度的测量原理及方法

采取电极法通过测定肥液等效电阻的方式测定其电导率，然后通过试验标定肥液电导率与其浓度的函数关系，进而测量出肥液浓度，其测量原理如图1所示。电阻R与置于待测肥液中的电导电极串联，当激励电源E加载于该串联支路的两端进行测量时，电导电极2个极片之间肥液的等效电阻Rx与电阻R构成电阻分压电路，因此通过测量电阻R两端的电压V，并且结合激励电源E的电压及电阻R的阻值，即可获知肥液的等效电阻Rx，然后根据电导电极的电极常数k计算得到肥液的电导率[8]，从而可由电导率与肥液浓度的关系换算出肥液浓度。

检测仪的原理框图如图2所示。它以9 V电池作为电源，通过电源电路转换为几路不同的工作电压为各电路单元供电；采用低功耗单片机MSP430F2132作为微处理器，通过控制激励信号产生电路产生相应的激励信号，加载于电导电极上进行肥液浓度的测量，肥液浓度不同时电导电极上的输出波形信号也不同；为便于单片机对电导电极的输出信号进行处理，先利用有效值检测电路将其转换为等效的直流电压，再送到单片机的ADC接口进行处理，计算出肥液浓度，并通过一个6位笔段式液晶显示器HT1621显示（HT1621通过芯片选通CS、读写选择WR、数据DAT三根信号控制线与单片机I/O接口相连），还可根据需要，将肥液濃度信息通过单片机的SPI接口输出至其他控制器；为提高检测精度，将电导电极的测量范围划分为多个小量程，并且对每个小量程为电导电极配置相应的电路参数和激励信号，通过量程切换电路控制测量量程的自动切换，同时采用温度传感器DS18B20反馈肥液温度，对检测仪进行温度补偿与校正，以消除温度对其检测结果的影响。

3.1 电导电极及其激励源的选择 由于农业上常用的肥液浓度（0～1%）所对应的电导率范围为0.5～5.0 mS/cm，在此选用量程为0.01～20.00 mS/cm的电导电极（钛合金材质，电极常数（k）为10 cm-1，精度为0.01 mS/cm，输出为待测溶液的等效电阻）测量肥液的电导率。

置于肥液中测量的电导电极，等效于电阻和电容串并联构成的RC网络，在测量过程中可能会存在电容效应和极化效应而影响测量精度[5]。由于电导电极在直流电压激励下的极化效应很严重，一般采用交流激励源，此时的极化误差为：

式中，δ为测量误差；Rx为溶液的等效电阻；U为极化反电势，与电极中的电流密度和电场强弱呈正比关系；f为激励源的频率。由式（1）可知，提高激励源频率可以降低极化效应引起的误差，但是因电容效应的存在，激励源频率不可能无限制提高。由此可知，电导电极激励源的类型、频率和幅值对电导率的检测精度和稳定性有着直接的影响，因此需通过试验确定激励源。

以SPF05函数发生器的输出信号为激励源，分别将电导电极置于一系列不同电导率的待测溶液中进行测试。对于每种电导率的待测溶液，分别在峰-峰值为0～10 V范围内，以1 V为步进，使SPF05输出正弦波和方波信号，并对每种波形信号在0～10 kHz内缓慢调节其频率。同时，利用示波器（Tektronix TDS2041）监测电导电极分压电阻（2.2 kΩ）两端的频率、波形形状、电压峰-峰值和有效值。若分压电阻上的波形发生变形或整体偏移而不对称，或频率与激励源不同，则说明电容效应比较显著；若波形信号的峰-峰值或有效值不稳定，则说明极化效应比较明显。由此可知，激励源采用幅值为±3.5 V的方波信号时效果最佳，并且以分压电阻两端的电压有效值反映电导率的稳定性最好。

3.2 测量量程的划分及参数配置研究表明，电导电极配置固定的分压电阻和激励源时，其误差会随着待测溶液电导率与母液电导率差距的增大而增大。因此，需根据实际情况将电导电极的量程划分为多个小量程，并且为每个量程配置合适的参数（分压电阻和激励源），以降低测量误差。

分别改变电导电极的分压电阻阻值和激励信号频率，在不同电导率的待测肥液中进行测试试验，以分压电阻两端的电压有效值接近或等于1/2激励信号作为划分依据。试验结果如表1所示。

3.3主要电路设计

3.3.1 激励信号产生电路。 电导电极的激励信号产生电路（图3）主要包括运算放大器AD8039、MOS管Q4及外围阻容元件，其输入端与单片机的I/O端口相连，以单片机内部集成的PWM控制器在该I/O端口上输出一个固定频率的方波信号作为电路的输入信号源，并通过该电路将其调理成幅值为±3.5 V的方波信号进行输出。

3.3.2 量程自動切换电路。由表1可知，电导电极有5个不同的分压电阻，在此采用一个八通道的多路复用器ADG1408来实现电极分压电阻的自动切换。电路如图4所示。分压电阻切换成功后，同时通过单片机I/O端口输出相应频率的方波激励信号至激励信号产生电路输入端。

3.3.3 有效值检测电路。 分压电阻上的波形信号有效值检测电路如图5所示，由均方根-直流转换器AD637、运算放大器AD8039以及外围阻容元件组成。AD8039连接成电压跟随器并前置于AD637的输入端，用于提高AD637的输入阻抗，以避免信号直接输入AD637时对前级信号造成的影响。输入信号经AD637后，以等效的直流电压输出，然后经电阻R30和R32分压，并送至单片机的ADC转换器进行电压检测。因此，根据电压与电导率的关系，即可换算出待测溶液的电导率。

3.4温度补偿 由于溶液电导率具有正温度系数，即溶液每升高1 ℃，其电导率约增加2%[9]。因此，采用DS18B20温度传感器感知肥液的温度，并通过式（2）将任一温度下的电导率换算成25 ℃时电导率进行补偿，以消除温度对肥液电导率检测精度的影响。

式中，σ25为25 ℃时电导率；t为溶液的温度；σt为t ℃时电导率；α为溶液的温度系数（取值0.02）。

4 检测仪的标定与验证

4.1 检测仪的标定 由于肥液浓度与其电导率呈线性关系[2]，且由测量原理可知，肥液电导率通过电导电极的分压电阻两端的电压换算得出，而在电导率换算过程中会引入运算误差。为此，直接通过单片机检测的分压电阻上的电压有效值标定肥液浓度。

以芭田中芬大量元素水溶复合肥为原料，通过对入纯水配制一系列已知浓度（质量分数）的待测肥液，并置于25 ℃的恒温水浴锅内进行标定试验。由图6可知，肥液浓度与检测仪检测的分压电阻上的电压有效值有着0.05水平显著的线性关系，决定系数（R2）为0.996 8。因此，检测仪只要能准确测得分压电阻上的电压有效值，即可根据图6中的关系式换算出肥液浓度。

图6肥液浓度与检测仪检测电压关系的标定4.2检测仪的验证 为了验证检测仪对肥液浓度测量的准确性，在肥液浓度（质量分数）为0～1.1%范围内，配制一系列已知浓度的肥液进行试验。误差为负数，表示检测值小于实际值。由图7可知，检测仪在0～1.1%肥液浓度范围内的最大绝对误差为0.038%，最大相对误差为20.81%，但最大相对误差并不是发生最大绝对误差处，而是发生在肥液浓度为0.081%处（绝对误差为0.017%）；检测仪的相对误差总体上随着肥液浓度的增加而减小，除肥液浓度为0.081%外，即在0.1%～1.1%肥液浓度范围内，检测仪的最大相对误差为7.65%，最小相对误差为0.89%，平均相对误差为277%。而农业上常用的施肥浓度为0.1%～1.0%，因此该研究设计的肥液浓度检测仪能满足应用的要求。

5结论

为了实现水肥自动混合过程中肥液浓度的实时监测，设计了一种肥液浓度在线检测仪。该检测仪以9 V电池供电，主要由MSP430F2132单片机、电导电极、温度传感器DS18B20、显示器HT1621、激励信号产生电路、量程自动切换电路以及有效值检测电路等组成。通过电导电极测量电导率的方式，间接实现肥液浓度的检测。检测结果可通过显示器直接显示，还可通过SPI接口进行数字输出，且具有温度自动补偿功能和量程自动切换功能。

通过试验，确定了电导电极的激励源为幅值±3.5 V的方波信号；在0～5.5 mS/cm范围内，将电导率全量程划分5个小量程，并且确定了各个小量程对应的分压电阻与激励信号频率；标定了肥液浓度与电压有效值的关系，二者呈显著的线性关系，决定系数（R2）为0.996 8；在0.1%～1.0%的肥液浓度范围内，对检测仪进行了验证测试，其平均相对误差为2.77%，能满足农业的应用要求。

参考文献

[1] 李加念，洪添胜，冯瑞珏，等.基于脉宽调制的文丘里变量施肥装置设计与试验[J].农业工程学报，2012，28（8）：105-110.