高性能交流恒流电路模拟与实测

2015-01-15 00:22张梦玲黄扬明周黎斌

化工自动化及仪表 2015年12期

张梦玲黄扬明周黎斌

(华南理工大学化学与化工学院,广州 510640)

在金属表面处理的金属清洗工艺中，通过检测溶液电导率来达到实时监控溶液中有效离子浓度的目的[1]。电极式电导率仪由于结构简单、造价低廉且测量范围广，目前在工业现场中应用广泛[2]。电极式电导率仪的测量原理是：当给激励电极对通入幅值和频率稳定的交流电流时，测量电极对上的输出电压幅值与液体的电导有确定的对应关系[3]，因此将电导池看成电阻，其倒数为电导，则利用高性能、高精度的交流恒流电路测得电导电极两端的输出电压值后，再根据恒流电路特性即可计算出电导值。

影响电导率测量精度的因素有极化效应及电容效应等[4]，而对于工业现场在线检测的电极，由于测量流体介质的复杂性，长时间运行极易导致电导率仪电极发生结垢现象，从而使测量结果出现较大的误差。为了减少极化效应、电容效应和结垢对电导率测量的影响，笔者采用高性能集成芯片设计了一种交流恒流源电路，用于工业在线电极电导仪对溶液电导率的准确测量。

1.1 电源模块

图1所示为±5V模拟电源模块电路。220V交流电压经变压器转换为±15V交流电压，再经过稳压芯片MC7805T和电容滤波滤去电源中的杂波信号，将±15V交流电压转换成±5V直流电压，给信号发生器模块供电。

图1 ±5V模拟电源模块电路

1.2 信号发生器模块

信号发生器电路采用MAX038芯片，该芯片是一款高精度、高频率、低输出电阻且驱动能力强的新一代函数数字可编程波形信号发生器[5]。MAX038内部含有精密带隙电压基准、鉴相器和TTL同步输出，能以最少的外部元件构成多波形高频函数信号发生器，是目前较为理想的信号产生集成芯片[6]。

实验采用MAX038产生高精度频率的正弦信号，20kΩ可调电阻控制MAX038的LIN引脚电流调节信号的输出频率(0.1Hz～20.0MHz，最高可达40.0MHz)，各波形的输出幅度均为2V(P-P)。图2所示为根据MAX038特性设计的信号发生器模块。

MAX038采用±5V双电源供电，由电源模块产生，+5V接MAX038的V+引脚，-5V接MAX038的V-引脚。OUT引脚输出设定频率为20kHz的波形。经示波器检测，由MAX038产生的高频高精度输出波形，系统运行稳定、失真小、漂移小且频率范围宽。

图2 信号发生器模块

1.3 测量电路

高精度恒流源电路如图3所示，由精密运算放大器LM6172IN、LM7171AMJ-QML及高速FET输入仪器放大器INA128PA等组成。由图3可知，仪表放大器INA128PA的1脚和8脚间的电阻RG=∞，则电导G=1+50K/RG=1，电压U40=

图3 高精度恒流源电路

RA521×I、U50=RA522×I。实验设计的电路负载电阻分别为100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ，采用对称0.5Ω电阻比拟污垢阻值，该设计能较好地排除结垢产生的阻值对电导电极测量的影响。

2 软件模拟

图4 软件模拟结果

3 实例测试

交流恒流电路实例测试的目的主要是为了分析负载电阻与挡位电阻和输出电压值之间是否满足特定的关系式，实现通过测量该恒流电路的输出电压，就可以计算出电导池的电导，便于在工业在线电导率检测仪上的应用。

测试之前，需要调节信号再发生器模块的可调变阻器，使信号稳定输出，然后再加上负载电阻，待电路稳定后，开始测量。设VIN=331.29mV，依次改变挡位电阻RA521的阻值(100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ)，然后，分别改变可调负载电阻RA522的阻值(5～50Ω、50～500Ω、0.5～5.0kΩ、5～50kΩ)，利用台式万用表HIOKI3228分别测出其有效输出电压值，每组重复3次测量，测试间隔约为1h，取其平均值，并记录输出电压U40和U50，结果见表1。