專利名稱：智能化酸堿鹽濃度測量控制儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種通過測量電導率來測定溶液酸堿鹽濃度的儀表，確切地說是一種智能化酸堿鹽濃度測量控制儀。
通過測量溶液的電導率來測量被測溶液酸、堿、鹽濃度的方法是工業生產中常用的方法之一，通常可采用兩電極法或四電極法進行測量，并進行溫度補償。現有技術給出的基于上述原理的測量儀表(例如DD－5A酸堿濃度計)，采用兩電極法，精度及穩定度均有待改進。現有的電導測量單元采用電流反饋自動平衡的電路結構，容易出現自激振蕩；其溫度補償采用在輸入信號電路中并聯一個感溫元件，補償誤差大，范圍小，不易調節。
本實用新型的目的在于利用四電極結構和微機技術，設計一種智能化酸堿鹽濃度測量控制儀，以克服上述不足之處。
本實用新型包括面板、機架、機殼、電源、端子板、顯示器、操作鍵、主機系統板和測量單元板，其特征在于所說的測量單元板上安裝有電導測量和溫度測量單元，所說的電導測量單元包括四電極發送器、放大單元、整流單元、比較單元、比例積分單元、調制放大單元、方波發生器、輸出單元和基準電源，電極發送器的電壓電極經輸入電阻R1、R2與放大單元的兩個輸入端相聯，放大單元的輸出端與整流單元的輸入端相聯，整流單元的輸出端與比較單元的一個輸入端相聯，基準電源與比較單元的另一個輸入端相聯，比較單元的輸出端與比例積分單元的輸入端相聯，比例積分單元的輸出端與調制放大單元的輸入端相聯，方波發生器的輸出端經三極管G也與調制放大單元的輸入端相聯，調制放大單元的輸出端與四電極發送器的一個電壓電極相聯，四電極發送器的另一個電壓電極與輸出單元的輸入端相聯，輸出單元的輸出端將與被測溶液電導率成正比的直流電壓信號Vθ1送入主機系統板，所說的溫度測量單元包括熱電阻、不平衡電橋和放大輸出單元，熱電阻連接在不平衡電橋的一個臂上，不平衡電僑的兩個輸出端分別與放大輸出單元的兩個輸入端相聯，放大輸出單元的輸出端將由被測溫度信號轉換來的直流電壓信號Vθ2送入主機系統板，所說的主機板采用可對直流電壓信號Vθ1相應的被測溶液濃度進行非線性修正且可對直流電壓信號Vθ2相應的溫度下的被測溶液濃度進行溫度補償的單片機系統板。
本實用新型由于采用了四電極和電極電流閉環調節電路結構，同時采用單片機進行濃度非線性修正和溫度自動補償，提高了儀表的測量精度和穩定性，儀表的精度為1％，靈敏度可達0.05％，穩定性為0.5％。
本實用新型有如下附圖

圖1本實用新型結構示意圖圖2本實用新型工作原理框圖圖3測量單元結構框圖圖4電導測量單元電路結構示意圖圖5溫度測量單元電路結構示意圖圖6本實用新型主程序框圖圖7溫度補償、非線性修正程序框圖
以下結合附圖對本實用新型作詳細說明。
圖1為本實用新型結構示意圖，包括面板28、機架29、機殼30、電源35、端子板36、顯示器19、操作鍵20、主機系統板39和測量單元板40。測量單元板40上安裝有電導測量單元和溫度測量單元15，也稱模擬電路板。電導測量單元包括四電極發送器1、放大單元2、整流單元3、比較單元4、比例積分單元6、調制放大單元7、方波發生器8、輸出單元9和基準電源5，其具體電路結構可參見圖3、圖4。
本實用新型采用電極電流閉環調節的設計方案，可實現電極電流的穩定連續調節。電壓電極32、33上的電壓信號先經過放大整流，再與基準電壓VB進行比較，其差值經放大后，再經比例積分單元，輸出一個與差值成比例積分關系的調節信號，該信號經調制單元調制成交流方波信號，經放大后加在電流電極31、34上，以此實現電流的閉環調節。電導測量單元的具體工作過程如下測量溶液電導率的四電極發送器1插入被測溶液中，其中31、34兩電極為電流電極，32、33電極為電壓電極。當儀表工作時，電流電極在外加電壓V1.4的作用下，流過一個電流IL。該電流在電壓電極上產生一個電壓降V2.3，該電壓是一個僅幾毫伏的微小方波電壓信號。電壓V2.3經過輸入電阻R1、R2、接在差動放大單元2的兩個輸入端，經過兩極放大和全波整流單元3輸出一直流電壓VA，該電壓接到比較單元4的一個輸入端，另一個基準電壓VB接在比較單元的另一個輸入端。當VA等于VB時，放大器輸出為零，當VA不等于VB時輸出一個電壓△VAB，該電壓經過比例積分單元6和調制放大單元7，調節加在電流電極31、34上的電壓V14，使流過溶液的電流IL發生變化，從而改變V1.3電壓，使放大后的VA電壓與VB趨于相等，當VA≈VB時，系統處于平衡狀態，IL保持不變。當溶液的電導率改變時，IL發生變化，V2.3和VA隨之變化，造成系統不平衡。通過自動調節電流IL，使V2.3和VA回復到原來值，系統達到了新的平衡。穩定后的IL值，是與溶液的電導率成正比的。取該電流在電阻上產生的壓降經輸出單元9轉換為與電導率成正比的直流電壓信號Vθ1，送入單片機系統。
本實用新型的溫度測量單元包括熱電阻10、不平衡電橋11和放大輸出單元12(參見圖3)，具體電路結構可參見圖5，它將被測溫度信號轉換成統一的直流電壓信號Vθ2送入單片機系統。
本實用新型的主機板39可采用單片機系統板，其組成可以采用公知的設計方案，例如可包括A／D轉換器16、光電隔離器17、單片機系統18D／A轉換器21、22，開關量轉換單元25和切換驅動單元26，顯示器19、操作鍵20設在面板上。主機系統板39也稱數字電路板，其組成圖可參見圖2，其主要功能是完成數據采集、數字濾波、標度變換、溫度補償、非線性修正等數值運算、求解出被測溶液的濃度值，送顯示器19顯示，同時完成PID控制運算、參數自整定運算、以及控制量、模擬量、開關量的輸入輸出控制等。上述功能均可根據公知的軟件設計原則進行設計，本儀表的主程序框圖可參見圖6。
各種酸、堿、鹽、溶液的電導率在濃度不變情況下，會隨著溫度的變化而變化，其溫度系數與溶液的種類和濃度范圍有關。為消除溫度變化對濃度測量值的影響，本儀表利用單片機進行溫度自動補償運算。儀表的模擬測量電路，將溶液的電導率和溫度信號，轉換為統一的直流電壓信號，送入單片機，單片機按一定的計算公式和方法進行補償運算，算出標準溫度下的電導率值。溫度補償系數可根據被測溶液的實際情況，通過鍵盤20任意設定。同一種溶液，在不同濃度范圍可以設定一個以上的溫度補償系數。
溶液的電導率與濃度之間存在著非線性關系，必須進行非線性修正。本儀表也是由單片機來實現非線性修正的。儀表采用三點修正法，其基本原理是將濃度與電導率的非線性關系曲線用一個二階關系式來逼近即 V(Y)＝Cθ＋ (C1Y)/(C+C2Y)Y－溶液的電導率V(Y)－溶液的濃度Cθ、C1、C2－系數具體作法是，根據已知濃度與電導率關系曲線，用三點法求取式中Cθ、C1、C2三個系數，將三個系數存入計算機內，計算機根據所測電導率值，用上述公式計算出相應的濃度值。這種方法比較簡便，公式簡單，占用內存小，且修正精度高，適用于智能儀表。
主機系統板39的輸入輸出電路可采用數模轉換器16，將電導和溫度的直流電壓信號，轉換為11位數字信號，經光電隔離器17，送入單片機系統18，單片機將8位濃度信號和調節信號送入數模轉換器21、22，轉換為直流電流信號。單片機亦將上下限報警信號通過開關量輸出單元25轉換為開關量輸出信號。
溫度補償、非線性修正的程序框圖參見圖7。
本儀表的面板28上有兩組4位數碼顯示器19和16個操作鍵20，通過鍵盤及顯示接口電路與單片機相聯。顯示器19可以切換顯示濃度值、電導值、溫度值、各種設定參數以及模擬量輸出值。利用16位操作鍵可以輸入各種參數值及操作信號，可以進行顯示切換、參數設定、自檢、手動－自動切換、手動操作、復位等操作。可以設定的參數有調節器的給定值、上下限報警值、溫度補償系數、非線性修正系數、PID整定參數等。
本儀表電源采用開關電源27，體積小、穩定性好、運行可靠、適用于能儀表。
本實用新型所達到的技術性能如下1.濃度測量范圍NaOH0～5％，0～10％；H2SO40～5％ 0～10％，0～15％；HCl0～5％0～10％；NaCl0～10％0～20％；HNO30～5％ 0～10％。
2.溫度測量范圍0～100℃。
3.測量精度≤1％滿量程。
4.溫度補償范圍0～80℃，基準溫度25℃。
5.靈敏度0.1％滿量程，穩定性0.5％6.帶PID自動調節。
7.輸出4～20mADC(兩組)。
8.輸出報警接點三組，容量24V3A。
權利要求1.智能化酸、堿、鹽、濃度測量控制儀，包括面板(28)、機架(29)、機殼(30)、電源(35)、端子板(36)、顯示器(19)、操作鍵(20)、主機系統板(39)、和測量單元板(40)，其特征在于所說的測量單元板(40)上安裝有電導測量和溫度測量單元(15)，所說的電導測量單元包括四電極發送器(1)、放大單元(2)、整流單元(3)、比較單元(4)、比例積分單元(6)、調制放大單元(7)、方波發生器(8)、輸出單元(9)和基準電源(5)，電極發送器的電壓電極(32、33)經輸入電阻R1、R2與放大單元(2)的兩個輸入端相聯，放大單元(2)的輸出端與整流單元(3)的輸入端相聯，整流單元(3)的輸出端與比較單元(4)的一個輸入端相聯，基準電源(5)與比較單元(4)的另一個輸入端相聯，比較單元(4)的輸出端與比例積分單元(6)的輸入端相聯，比例積分單元(6)的輸出端與調制放大單元(7)的輸入端相聯，方波發生器(8)的輸出端經三極管G也與調制放大單元(7)的輸入端相聯，調制放大單元(7)的輸出端與四電極發送器的一個電壓電極(31)相聯，四電極發送器的另一個電壓電極(34)與輸出單元(9)的輸入端相聯，輸出單元(9)的輸出端將與被測溶液電導率成正比的直流電壓信號V 1送入主機系統板(39)，所說的溫度測量單元包括熱電阻(10)、不平衡電橋(11)和放大輸出單元(12)，熱電阻(10)連接在不平衡電橋(11)的一個臂上，不平衡電橋(11)的兩個輸出端分別與放大輸出單元(12)的兩個輸入端相聯，放大輸出單元(12)的輸出端將由被測溫度信號轉換來的直流電壓信號V 2送入主機系統板(39)，所說的主機板(39)采用可對直流電壓信號V 1相應的被測溶液濃度進行非線性修正且可對直流電壓信號V 2相應的溫度下的被測溶液濃度進行溫度補償的單片機系統板。
專利摘要本實用新型公開了一種智能化酸、堿、鹽、濃度測量控制儀，包括四電極發送器、電導測量單元、溫度測量單元和單片機系統，其特征在于電導測量單元采用了電極電流閉環調節的設計方案，并增加了由熱電阻、不平衡電橋和放大輸出單元組成的溫度測量單元，采用單片機進行非線性修正和溫度補償，結構設計合理、成本低，提高了儀表的測量精度和穩定性，可廣泛用于工業上各種酸、堿、鹽濃度的自動測量控制。
文檔編號G01N27/416GK2204419SQ9421337
公開日1995年8月2日 申請日期1994年6月8日 優先權日1994年6月8日
發明者呂建業, 許鈞才, 胡麗娜, 劉合軍 申請人:核工業第四研究設計院