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无线传输的电导率变送器设计原理及结构

编辑:hot88
目前,在工业、环保、勘探等自动控制领域中,都需要对液体成分、性质等因素进行测定分析,特别是在勘探中,其工作环境恶劣,对液体分析要求较高。而电导率是液体的基本属性,通过测量电导率对分析液体纯净度、电介质含量及带电离子浓度有着重要作用,故高精度的电导率测量非常重要。现实中电导率的应用范围较广,但对其模型进行系统分析的文章不多,本文在利用非接触式电磁感应线圈探头检测液体电导率的基础上,讨论了电导率传感器激励信号频率变化及分布参数对测量精度的影响,并给出解决方案。考虑到勘探现场有线传输数据及调试不方便等缺点,给出了特别适合于低功耗、短距离(100m~200m)、小数据量的无线数据传输系统的设计。
1.测量原理
电导率传感器结构如图所示,主要由两个线圈L1和L2组成,L1和L2是绕有相同匝数铜丝的铁氧体磁环。L1作为输入激励线圈,与交流电压源相连,L2作为输出信号线圈。测量时将其全部浸入待测液体中,被测液体则必然穿过两线圈的联通孔,形成公共圈。将被测液体看作是具有一定电阻的单匝线圈,此时如果在线圈L1两端加幅值不变的交流信号,因为液体单匝线圈穿过L线圈,则在单匝线圈内必然有感应电流,同时也穿过L线圈,于是在L2线圈内必然感应出输出信号。所以,通过测量线圈L2两端的电压即可通过相应计算得出待测液体的电导率。
 
2.变送器设计
变送器硬件主要由3个模块组成,即传感器测量单元、数据处理控制单元和无线通信单元
(1)传感器测量单元:传感元件为电导率传感器探头和温度传感器。由CPU产生的方波激励信号,经放大后送入传感器测量探头,输岀信号经精密整流、偏移放大、滤波及限幅等处理后送往CPU。
(2)数据处理控制单元:从测量单元获得的电压与温度信号由CPU进行数据采集、零点与满量程校正、温度补偿等处理,获得待测液体的电导率,同时对应输出一路4mA~20mA的标准信号。本单元核心部分为16位超低功耗的MSP430系列单片机,该单片机电源电压为1.8V~3.6V,待机电流小于1μA,在RAM数据保持方式时耗电仅0.1μA,在活动模式时耗电250μA/MIPS(MIPS:每秒百万条指令数);具备高性能模拟技术及丰富的片上外围设备,包括10/12/16位ADC、12位DAC、比较器、多个定时器、片内 USART、看门狗、片内振荡器、大量的IO端口及大容量的片内存储器,一般单片就可以满足大多数应用需要。基于上述特点,MSP430系列单片机在温度检测、智能变送器、便携式仪表、实用检测仪器等领域得到了广泛的应用.
(3)无线通信单元:选用单片集成射频收发器芯片nRF905,可直接与各种单片机连接使用,App编程非常方便,而且抗干扰能力强,特别适合工业控制场合。nRF905是 NordicⅥISI企业推出的单片射频收发器,工作电压1.9V~3.6V,工作于433/868/915MHz3个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs。nRF905功耗非常低,工作于接收模式时的电流为12.5mA,以-10dBm的输出功率工作时电流只有9mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,使用SP接口与微控制器通信,配置方便。nRF905发送数据与接收数据的流程如下图所示。

本文先容了测量液体电导率的基本方法,并通过构造测量电路模型进行理论分析和仿真验证。结果表明在理想情况下,只考虑液体为纯电阻,测量电压幅值大小与液体电导率高低呈线性关系,具有很高的线性度和精度,且不会受到输入正弦波信号频率的影响;在非理想情况下,需要考虑到液体电阻、导线等分布参数的存在。此时仿真结果表明,测量电压幅值大小与液体电导率高低仍呈线性关系,但会受到输入正弦波频率的影响,针对实际环境需要选择合适频率的正弦波激励信号。针对非理想情况下的这种影响,可选择高频双极性脉冲方波作为传感器的激励源,由于在激励信号的前半个周期和后半个周期幅值相等、极性相反,激励电流同值反向,可削弱被测系统中介质电极化现象,同时可以减弱传感器与导线分布参数的影响,可以有效提高测量精度。这里设计的基于MSP430单片机和nRF905无线模块的电导率变送器具有功耗低、测量信号稳定与精度高、重复性能好等特点,该电导率传感器已用于综合录井中测量泥浆电导率,也可用于如水质净化、液体电性能分析等领域
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