盐度控制器的设计

收稿日期 :2004 - 07 - 07 　收修改稿日期 :2005 - 01 - 19 盐度控制器的设计 林砺宗 ,李福生 ,程亚军 ,王子异 (华东理工大学机械学院 ,上海 　200237) 　　摘要 :海水淡化盐度控制器主要由盐度传感器和 MCS51 单片机系统组成。传感器以两根平行安 置的圆柱铜棒作电极 ,盐度变化导致电阻值的变化 ,放大后经 A/ D 转换由 MCS51 单片机系统进行数据 采集和数据处理 ,然后和门槛值比较后 ,决定系统的控制动作。为了提高测量精度 ,采用了即时现场温 度补偿。对于非线性问题 ,采用二元代数插值参数标定方法 ,并就提高测量改进方法进行了探讨。 关键词 :电导率传感器 ;盐度 ;A/ D 转换 ;参数标定 中图分类号 :TP216 ;TQ085. 47 　　文献标识码 :B 　　文章编号 :1002 - 1841 (2005) 06 - 0013 - 02 Design of Salingity Control Equipment LIN li2zong ,LI Fu2sheng , CHENG Ya2jun , WANG Zi2yi (Dept. of Mech. & Power Eng. ,East China University of Science and Technology ,Shanghai 200237 ,China) Abstract :An equipment to measure the salinity in desalingated seawater and control the productiong of fresh2water is composed of MCS251 single2chip computer system and salinity sensor. In the sensor ,two pqrallel columnar cupreous stichs were used as electrodes. The change of salinity leads to the change of resistance between two electrodes. The MCS251 system gathered and processed data after magnifying and A/ D transform ,then compares with the door2value of salinity before controlling the action of the equiment. To improve the accuracy of the measurement ,the system also measurd the instantaneous locale temperature and removed off its influence on the re2 sistance between two electrodes. For non2linear reason ,the method of parameter demarcating by dualistic algebraic interpolation was used in data processing. Key Words :Conductance Sensor ;Salinity ;A/ D Transform ;Parameter Demarcating 1 　盐度控制系统整体设计 根据电导法原理 ,系统以两根平行安置的圆柱状 铜棒材料作探头 ,经济耐用、不易损坏。由于盐度、电 导率不同 ,使探头两端电阻值不同 ,电桥将电阻的变 化转换为输出电压的变化 (或采用串连电阻分压法) , 接着经放大、线性补偿、滤波整流再放大后到 A/ D 芯 片 ,最后由 MCS51 单片机系统读出 A/ D 转换值 ,经计 算处理核算出盐度值 ,并驱动液晶显示器显示盐度数 值 ,同时和门槛值比较后 ,决定系统的控制动作。系 统如图 1 所示 ,虚框内各模块为传感器部分的设计。 图 1 　盐度控制系统示意图 2 　传感器部分电路设计 211 　温度传感器电路设计 由于控制器正常工作温度为 30～50 ℃,所以主 要考虑此区间内的温度测定精度 ,用于系统的温度补 偿。如图 2 所示 , Rt 为MF52 型热敏电阻 ,该电路中的 减法电路是为了得到对地的信号和单片机系统的 A/ D 转换芯片 TLC0832 的地端连接。系统不采用差分接 法 ,是因为 TLC0832 的另外一路用来转换盐度传感器 信号。 控制系统进行单独的温度标定 ,目的是更换温度 传感器后不必对整个盐度测量进行重新标定 ,只需标 定温度 ;同时也便于手动温度补偿。 图 2 　温度传感器电路 212 　盐度传感器电路设计 图 3 中振荡器发出有效电压为 10 mV 的正弦信 号 ,其频率为1 596 Hz ;分压电阻 R5 选择 100 kΩ ,这样 就保证了传感器工作于交流小信号时 ,有效防止了传 感器电极的氧化电离 ,使用寿命为 10a. R5 两端的交 流小信号必须经放大后 ,再整流滤波放大 ,不可直接 整流 ,否则信号会被二极管消耗掉。 3 　系统参数标定 要求系统测量范围在 0～20 ×10 - 6 ,分辨率为 1 × 　2005 年 　第 6 期 仪 技 术 与 传 感 器 Instrument Technique and Sensor 2005 　 No16 　 10 - 6 ,超过 15 ×10 - 6即报警 ;正常工作温度为 30～50 ℃. 311 　温度的标定 试验 1 测定在不同温度下对应的温度传感器 A/ D 转换读值。表 1 为温度传感器标定试验数据记录 , 表 2 是在试验结果中抽取每隔 5 ℃的实验记录 ,图 4 是用 Excel 对试验数值进行处理所得的拟合曲线。 图 3 　盐度传感器电路 图 4 　温度传感器试验数值的拟合曲线 表 1 　温度传感器标定试验数据记录 t/ ℃ A/ D 转换读值 t/ ℃ A/ D 转换读值 20 25 55 97 25 31 60 114 30 39 65 135 35 47 70 154 40 57 75 175 45 67 80 195 50 82 85 222 　　由图 4 可看出 :在 25～45 ℃和 45～85 ℃两区间 内 ,线性度很好。用 Excel 中的函数 SLOPE 和 INTER2 CEPT求得两区间内的直线方程分别为 y = 0159 x + 6149 , y = 0126 x + 29141 式中 : x 为温度传感器读值 ; y 为其对应的温度。 表 2 　盐度传感器标定实验数据记录 x/ ℃ z y = 20 ×10 - 6 y = 15 ×10 - 6 y = 10 ×10 - 6 y = 5 ×10 - 6 y = 1 ×10 - 6 20 90 73 49 27 14 25 100 82 55 31 16 30 110 92 63 33 18 35 120 102 71 37 20 40 130 111 79 42 22 45 142 119 87 46 23 50 149 127 94 50 24 55 160 136 100 56 27 60 170 146 108 61 29 65 175 156 114 66 31 70 193 168 121 71 31 75 206 184 131 77 32 80 221 205 144 85 39 85 241 229 160 90 39 　　实践证明 :用两段直线直接求解代替代数插值方 法求得的温度值 ,精度为 ±015 ℃. 312 　盐度的标定 31211 　试验记录 试验 2 分别测得质量分数为 20 ×10 - 6、15 × 10 - 6、10 ×10 - 6、5 ×10 - 6、1 ×10 - 6盐水在不同温度下 的电导率传感器 A/ D 值 ,见表 2。对于某一确定的盐 度值 ,由于温度的不同 ,其电导率值不同 ,所以必须对 读出的盐度值进行温度补偿。 这一系列点可拟合出一空间曲面 : x 轴为温度 , y 轴为对应的盐度值 , z 轴为盐度传感器 A/ D 值。 31212 　二元函数的代数插值 设函数 z = f ( x , y ) 是定义在矩形域 D = { a ≤x ≤b , c ≤y ≤d}上的实值函数 ,在定义域内 ,由试 验得到一组数据 ( xi , yj , zr) ,为了求出此区域内任意 ( xi , yj)所对应的 zr 值 ,应用二元函数的代数插值方法。 31213 　计算举例 若某一时刻测得 x = 42 ℃, z = 85 ,求盐度值。查 表判断其所在的区间 ,求出对应的插值结点 ,见表 3。 表 3 　某测量值所对应的插值结点 x/ ℃ z y = 5 ×10 - 6 y = 10 ×10 - 6 y = 15 ×10 - 6 40 42 79 111 45 46 87 119 　　二元插值多项为 p12 = y - 10 5 - 10· y - 15 5 - 15 ( x - 45 40 - 45·42 + x - 40 45 - 40·46) + y - 5 10 - 5· y - 15 10 - 15 ( x - 45 40 - 45·79 + x - 40 45 - 40·87) + y - 5 15 - 5· y - 10 15 - 10 ( x - 45 40 - 45·111 + x - 40 45 - 40·119) (1) 由 x = 42 , z = 85 可得 : p12 = 01872 ( y - 10) ( y - 15) - 31288 ( y - 5) ( y - 15) + 21284 ( y - 5) ( y - 10) = 85 (2) 由式 (2) 可求出对应的盐度值 y = 10140 , y = 63109 (不合理 ,舍去) 。 编程实现式 (3) 的计算 ,首先查表确定测量值所 在的区间 ,确定插值结点 ,代入公式计算即可。 4 　结束语 为了提高系统盐度的测量精度 ,可选择 12 位或 16 位的 A/ D 转换芯片 ,用 C51 编写软件时 ,适当地选择数 值类型 ,也能有效地提高测量精度。系统用 TIC0832 8 位 A/ D 转换芯片 , y 的数值类型选用 unsigned char ,测 量精度可得到 1 ×10 - 6 ,能够满足该工程要求。 参 　考 　文 　献 [1 ] 　颜庆津 1 数值分析 1 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2001. [2 ] 　方建安 ,夏权 1 电化学分析仪器 1 南京 :东南大学出版社 ,1992. [3 ] 　童诗白 ,华成英 1 模拟电子技术基础 1 北京 :高等教育出版社 , 2001. [4 ] 　房小翠 1 单片微型计算机与机电接口技术 1 北京 :国防工业出版 社 ,2002. 　　 　 　 　14　　　 Instrument Technique and Sensor Jun. 2005