目前,在工業、環保、勘探等自動控制領域中,都需要對液體成分、性質等因素進行測定分析,特別是在勘探中,其工作環境惡劣,對液體分析要求較高。而電導率是液體的基本屬性,通過測量電導率對分析液體純凈度、電介質含量及帶電離子濃度有著重要作用,故高精度的電導率測量非常重要?，F實中電導率的應用范圍較廣,但對其模型進行系統分析的文章不多,本文在利用非接觸式電磁感應線圈探頭檢測液體電導率的基礎上,討論了電導率傳感器激勵信號頻率變化及分布參數對測量精度的影響,并給出解決方案。考慮到勘探現場有線傳輸數據及調試不方便等缺點,給出了特別適合于低功耗、短距離(100m~200m)、小數據量的無線數據傳輸系統的設計。

1.測量原理

電導率傳感器結構如圖所示,主要由兩個線圈L1和L2組成,L1和L2是繞有相同匝數銅絲的鐵氧體磁環。L1作為輸入激勵線圈,與交流電壓源相連,L2作為輸出信號線圈。測量時將其全部浸入待測液體中,被測液體則必然穿過兩線圈的聯通孔,形成公共圈。將被測液體看作是具有一定電阻的單匝線圈,此時如果在線圈L1兩端加幅值不變的交流信號,因為液體單匝線圈穿過L線圈,則在單匝線圈內必然有感應電流,同時也穿過L線圈,于是在L2線圈內必然感應出輸出信號。所以,通過測量線圈L2兩端的電壓即可通過相應計算得出待測液體的電導率。

2.變送器設計

變送器硬件主要由3個模塊組成,即傳感器測量單元、數據處理控制單元和無線通信單元

(1)傳感器測量單元:傳感元件為電導率傳感器探頭和溫度傳感器。由CPU產生的方波激勵信號,經放大后送入傳感器測量探頭,輸岀信號經精密整流、偏移放大、濾波及限幅等處理后送往CPU。

(2)數據處理控制單元:從測量單元獲得的電壓與溫度信號由CPU進行數據采集、零點與滿量程校正、溫度補償等處理,獲得待測液體的電導率,同時對應輸出一路4mA~20mA的標準信號。本單元核心部分為16位超低功耗的MSP430系列單片機,該單片機電源電壓為1.8V~3.6V,待機電流小于1μA,在RAM數據保持方式時耗電僅0.1μA,在活動模式時耗電250μA/MIPS(MIPS:每秒百萬條指令數);具備高性能模擬技術及豐富的片上外圍設備,包括10/12/16位ADC、12位DAC、比較器、多個定時器、片內 USART、看門狗、片內振蕩器、大量的IO端口及大容量的片內存儲器,一般單片就可以滿足大多數應用需要?；谏鲜鎏攸c,MSP430系列單片機在溫度檢測、智能變送器、便攜式儀表、實用檢測儀器等領域得到了**的應用.

(3)無線通信單元:選用單片集成射頻收發器芯片nRF905,可直接與各種單片機連接使用,軟件編程非常方便,而且抗干擾能力強,特別適合工業控制場合。nRF905是 NordicⅥISI公司推出的單片射頻收發器,工作電壓1.9V~3.6V,工作于433/868/915MHz3個ISM(工業、科學和醫學)頻道,頻道之間的轉換時間小于650μs。nRF905功耗非常低,工作于接收模式時的電流為12.5mA,以-10dBm的輸出功率工作時電流只有9mA,內建空閑模式與關機模式,易于實現節能。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成,使用SP接口與微控制器通信,配置方便。nRF905發送數據與接收數據的流程如下圖所示。

本文介紹了測量液體電導率的基本方法,并通過構造測量電路模型進行理論分析和仿真驗證。結果表明在理想情況下,只考慮液體為純電阻,測量電壓幅值大小與液體電導率高低呈線性關系,具有很高的線性度和精度,且不會受到輸入正弦波信號頻率的影響;在非理想情況下,需要考慮到液體電阻、導線等分布參數的存在。此時仿真結果表明,測量電壓幅值大小與液體電導率高低仍呈線性關系,但會受到輸入正弦波頻率的影響,針對實際環境需要選擇合適頻率的正弦波激勵信號。針對非理想情況下的這種影響,可選擇高頻雙極性脈沖方波作為傳感器的激勵源,由于在激勵信號的前半個周期和后半個周期幅值相等、極性相反,激勵電流同值反向,可削弱被測系統中介質電極化現象,同時可以減弱傳感器與導線分布參數的影響,可以有效提高測量精度。這里設計的基于MSP430單片機和nRF905無線模塊的電導率變送器具有功耗低、測量信號穩定與精度高、重復性能好等特點,該電導率傳感器已用于綜合錄井中測量泥漿電導率,也可用于如水質凈化、液體電性能分析等領域