（微電子學與固體電子學專業(yè)論文）電磁式酸堿濃度傳感器的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 在化工、制藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域，廣泛涉及對酸堿溶液濃度的測量，因為 電導率與溶液中的離子濃度成一定的比例關(guān)系，所以通過測量溶液的電導率可以 間接推測出溶液的濃度。本課題在總結(jié)國內(nèi)外電磁式酸堿濃度傳感器的研究成果 及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，對電磁式酸堿濃度傳感器的測試原理及參數(shù)設(shè)計進行了 分析，基于電磁感應(yīng)原理，提出了傳感器的關(guān)鍵檢測部分采用非接觸式測量的技 術(shù)方案，勵磁方式采用正弦交流信號，檢測到的濃度信號經(jīng)測量放大、峰值保持 電路后，再經(jīng)a d 轉(zhuǎn)換送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，最終將測得的濃度結(jié)果顯示在 液晶顯示屏上。由于采用非接觸式測量方法，徹底解決了傳統(tǒng)接觸式測量過程中 電極易腐蝕的問題，同時為了解決溫度對濃度測量的影響，采用單片機進行軟件 溫度補償。通過單片機程序內(nèi)嵌的經(jīng)m a t l a b 擬合好的公式實時地自動轉(zhuǎn)化成濃度 值和溫度補償值，并經(jīng)過運算處理得到最終的濃度值。在測量0 - - 1 4 和1 8 0 o - - 4 0 的n a o h 溶液和0 3 0 h 2 s 0 4 溶液時，傳感器測量的相對誤差分別為3 、2 、 4 ，同時對傳感器的靈敏度隨著被測溶液濃度變化的規(guī)律進行了探討，并且通 過實驗驗證了傳感器的穩(wěn)定性能良好。實驗結(jié)果表明，此系統(tǒng)運行可靠，測量相 對精度與穩(wěn)定性均達到了設(shè)計要求，傳感器設(shè)計達到了預(yù)期設(shè)計的指標。電磁式 酸堿濃度傳感器可以用于一些腐蝕性較強的溶液濃度的測量，是一種比較理想的 物性分析儀器，具有精度高、操作簡單、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞濃度傳感器；酸堿濃度：電磁感應(yīng)；溫度補償；單片機 黑龍江大學碩士學位論文 a b s t r a c t i nt h ec h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，f o o da n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i e l d s ，aw i d e r a n g ei n v o l v e sm e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fa c i d b a s es o l u t i o n s i n c ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yi si np r o p o t i o nt oi o nc o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o n , w ea r ea b l et oi n d u c et h e c o n c e n t r a t o no fs o l u t i o nf r o mt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fi t i n s u m m i n gu pt h i st o p i c a th o m ea n da b r o a da c i d b a s e c o n c e n t r a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cs e n s o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u oo n ，t h ep r o j e c ti st o a n a l y s et h e t e x t t h e o r y a n d p a r a m e t e r s o fa c i d - b a s ec o n c e n t r a t i o ns e n s o ro f e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，ip r o p o s et h a tw e s h o u l d a p p l y t h ec o n t a c f l e s s m e a s u r i n gs t r a g t e g yf o rt h ek e yt e x t e dp a r t so f s e n s o r s e x c i t a t i o nm e t h o du s e sas i n u s o i d a la cs i g n a la n dh a v eb e e ng o tm e a s u r i n g a m p l i f i e ra n dp e a kv a l u e ，t h ec o n c e n t r a t i o ns i g n a l sa r es e n tt om c u t od a t ap r o c e s s i n g a f t e rb e i n gt r a n s f o r m e db ya d e v e n t u a l l y , w ec a ns e et h er e s u l t so fc o n c e n t r a t i o no n t h el c d o w i n gt ot h ec o n t a c t l e s sm e a s u r i n gm e t h o d , w es o l v et h ee l e c t r o d ec o r r o s i v e b y t r a d i t i o n a le l e c t r o d ec o n t a c tm e a s u r e s m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o d a p p l i e s t h e t e m p e r a t u r ec o m p l i m e n to fs o f t w a r ef o rt h em c ut oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e w ec a nu s et h ee m b e d d e dp r o g r a mm a t l a bf o r m u l ai nt h em c dt or e a l i z e a u t o m a t i cc o n c e n t r a t i o na n dp e a kv a l u et r a n s f o r m a t i o n , a n dg e tt h ef i n a lc o n c e n t r a t i o n t h r o u g ho p e r a t i o np r o c e s s i n g i nt h em e a s u r e m e n to fo 1 4 a n d18 4 0 n a o hs o l u t i o na n d0 , - - 3 0 h 2 s 0 4 s o l u t i o n ，t h er e l a t i v ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts e n s o r sw e r e4 - 3 ，士2 ，4 - 4 e x p l o r e dt h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o r 謝t l lt h em e a s u r e dc o n c e n t r a t i o nc h a n g e si nt h e l a w e x p e r i m e n t ss h o w t h es t a b i l i t yo ft h es e n s o rh a sg o o d p e r f o r m a n c e t h et e x tp r o v e s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mr u n sr e l i a b l y ，a n dt h em e a s u r i n gr e l a t i v ea c c u r a c y a n ds t a b i l i t ya r e i nl i n e 、i t hd e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g no fs e n s o rg e t st h e e x p e c t e dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s a c i d b a s ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sc a l l b eu s e di nan u m b e ro fc o r r o s i v es t r o n gc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t s ，i sa l li d e a l p h y s i c a la n a l y s i si n s t r u m e n t s ，誠mk 曲p r e c i s i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，g o o ds t a b i l i t ya n d i i a b s t r a c t k e yw o r d s c o n c e n t r a t i o ns e n s o r ；a c i d - b a s ec o n c e n t r a t i o n ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ； t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；m c u i i i 黑龍江大學碩士學位論文 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨建塹盔堂或其他教 育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 i i 學位論文作者簽名：務(wù)牟扣學簽字日期：函勿年，月彩日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解墨蕉江太堂有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，有權(quán) 保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)墨蕉江太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學位論文作者躲杏錯 簽字日期勘尼年妨劾日 導師簽名：卯 簽字日期：幽桕年歲月砂日 學位論文作者畢業(yè)后去向l - - 。e 、 工作單位：熏粗7 = 窮璀刃翟矛拷琴挺衣嗲睦電話：侈j 膨l 莎釣鄉(xiāng) 通訊地址：斷常穆屢薌矽眵仟鄉(xiāng)f 田鋪郵編：7 如鈿 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 課題背景及研究意義 濃度的測定是分析檢測中的一項很重要的指標，也是表征介質(zhì)溶液特性的主 要參量之一，在化工、制藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，是許多質(zhì)檢 部門與相關(guān)基層單位對產(chǎn)品進行品質(zhì)分級與質(zhì)量把關(guān)必不可少的環(huán)節(jié)之一，更是 保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品產(chǎn)量的重要技術(shù)手段，對其進行深入研究與探討具有很 強的實際意義。酸堿溶液的濃度與許多物理量都有關(guān)系，如密度、電導率、折射 率及聲速等，因此，原則上可以用其中某一物理量的變化來表征濃度的變化。常 用的方法都是以檢測溶液電導率的方式來進行酸堿濃度的測量，由于電導率與溶 液中的離子濃度成一定的比例關(guān)系，因此通過測量溶液的電導率可間接推測出溶 液的濃度。目前最主要的測量方法還是接觸式測量，即以電極的形式和被測液體 接觸以測其電導率，以此來確定液體的酸、堿濃度。但是這種測量方式通常采用 鉑電極，生產(chǎn)成本高，而且最顯著的缺點就是電極極易污染，嚴重影響測量的精 度和壽命，尤其在測量腐蝕性強和高電導率溶液時，此類分析儀器的弱點更為突 出【l 】o 本課題基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計了一種非接觸式傳感器一電磁式酸堿濃度傳感 器，能夠很好地解決以上問題。電磁式酸堿濃度傳感器的突出優(yōu)點是感應(yīng)元件不 與待測溶液直接接觸，故稱為非接觸式測量法，只要有合適的耐腐蝕材料將測量 部件密封，就可以實現(xiàn)對各種腐蝕性溶液濃度的測量；同時也免除了電極式測量 易污染和極化而造成精度降低和工作不穩(wěn)定等一系列問題，因此它具有精度高、 穩(wěn)定性好、經(jīng)久耐用、使用方便等優(yōu)點。在一些腐蝕性較強的溶液濃度的測量中， 是一種比較理想的測量方法，可以廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域的酸堿溶液濃度的 在線連續(xù)測控，測量靈敏度較高，溫度補償效果理想，抗干擾能力強，具有很廣 闊的應(yīng)用前景。 黑龍江大學碩士學位論文 _i i 1 2 濃度測量方式簡介 下面簡要介紹一下工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種溶液濃度測量方式： 1 2 1 光學式濃度計 光學式濃度計主要有自動折光濃度計和自動旋光濃度計。圖1 1 是一種差動式 自動折光濃度計。該儀器是利用灌注有標準液的空心三角棱鏡與測量池內(nèi)的被測 液界面的折射角變化而引起兩個光電池接收能量變化，即光電差動信號來連續(xù)測 量液體濃度的。 溯羅弩液樣 試樣鼉鼽姚三角棱鏡登鬻二， 反射鏡l u 試樣出f 巷一鼎 蘭j 滑零偏轉(zhuǎn)器 匕：二蛆丫1l 光電池 標準液 一j ll2 嚼! 陌磊1 捌：二：量三剖 - ： 圖1 1 差動式自動折光濃度計 2 1 f i g 1 - 1a u t o m a t i cd i f f e r e n t i a lr e f r a c t i v ec o n c e n t r a t i o nm e t e r 圖1 2 是一種全反射式自動折光濃度計。儀器有一個與被測液相接的棱鏡，用 于產(chǎn)生光的全反射，q c 為臨界角。當被測液濃度變化時，折射率和臨界角也隨之 變化，從而反射光也變化。該儀器就是利用光全反射信號變化而導致的電信號變 化來測量液體濃度的。這類濃度計，廣泛用于石油、化工、食品、飲料、造紙、 制藥、制糖和釀酒等工業(yè)的生產(chǎn)管線或罐中連續(xù)測量濃度，以調(diào)節(jié)和控制生產(chǎn)， 提高生產(chǎn)管理水平。 第1 章緒論 避蒙器放大器 圖1 - 2 全反射式自動折光濃度計【2 】 f 塘1 - 2a t r a u t o m a t i cr e f r a c t i o nc o n c e n t r a t i o nm e t e r 圖1 3 是一種光電式自動旋光濃度計。通過充滿被測液體的旋光管的偏振光 經(jīng)磁光調(diào)制器調(diào)制后射到光電管上，由于光電效應(yīng)在光電管上產(chǎn)生電信號，該信 號經(jīng)放大使可逆電機轉(zhuǎn)動。石英補償器由兩塊石英組成，一個可移動，一個固定 不動。石英片的移動是借助于減速器進行的，其移動量取決于被測溶液濃度變化 引起的旋光度變化量，同時，該變化信號使差動變壓器的鐵芯上下移動而產(chǎn)生的 電感信號自動連續(xù)地輸給二次儀表即指示器。這類儀器專用于制糖工業(yè)，但也可 用于化學、石油、食品、香料及制藥等工業(yè)領(lǐng)塒2 1 。 圖1 3 光電式自動旋光濃度計1 2 1 f i g 1 - 3p h o t o e l e c t r i ca u t o m a t i co p t i c a lc o n c e n t r a t i o nm e t e r 1 光源；2 一聚光鏡；3 起偏振器；4 一旋光管；5 一濾光片；6 物鏡；7 一磁光調(diào)制器； 8 一石英補償器；9 檢偏振器；1 0 物鏡：1 l 光電管；1 2 一減速器；1 3 可逆電機； 1 4 放大器；1 卜電源 黑龍江大學碩十學位論文 1 2 2 電導式濃度計 電導式濃度計是利用溶液電導率與其濃度關(guān)系測量液體濃度的一種儀器。電 導率單位為西門子每米( s m ) 。物質(zhì)的電導率越大，它的導電本領(lǐng)越強。對于電 解液來說，它的導電性能不僅與電解液的性質(zhì)、溫度有關(guān)，而且與它的濃度有關(guān)， 即使是同一種溶液，濃度不同其導電性能也不同。 電導式濃度計主要由傳感器電化池( 也稱電導池) 和電測部分組成。電導池 的特征用電導池常數(shù)表示，單位為m - 1 。對于每臺濃度計來說，電導池常數(shù)k 是一 定的。它是由電導池內(nèi)電極間的距離三與極板面積彳決定的。計算電導池常數(shù)的公 式為： r k = 蘭艘。 ( 1 1 ) 彳 。 式中r 廠_ 溶液電阻； 置溶液電導率。 為適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的不同使用條件，電導池主要有四種結(jié)構(gòu)形式，分為浸入式、 旋入式、可卸式和直通式。電導池中的電極結(jié)構(gòu)簡單，常見的有平板電極、圓筒 形電極與環(huán)形電極。圖1 4 是一種用于連續(xù)測量與控制硫酸生產(chǎn)的d d 5 型硫酸濃 度計測量系統(tǒng)。 可逆電機 圖1 - 4d d 5 型硫酸濃度計測量系統(tǒng)【2 1 f i g 1 4d d - 5t y p es u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o nm e t e rm e a s u r i n gs y s t e m 第1 蘋緒論 如圖1 4 所示，溫度補償采用雙電導池法，其中參比電池內(nèi)裝有濃度為9 8 的硫酸溶液( 電阻為母) 。顯示部分采用自動交流平衡電橋，疋為工作電導池的電 阻【2 】。 1 2 3 電磁式濃度計 電磁式濃度計是利用電磁感應(yīng)原理來測量液體電導率與其濃度關(guān)系的一種儀 器。但是電導池內(nèi)沒有與液體試樣相接觸的電極。該儀器主要由兩個環(huán)形變壓器 和電測系統(tǒng)構(gòu)成。圖1 5 所示的是常用的測量系統(tǒng)。被測溶液構(gòu)成一短路線圈作 為勵磁變壓器的次級繞組，當一定頻率交流電通過時，由于電磁感應(yīng)原理，在這 個短路線圈中流過與被測溶液濃度成正比的電流f 1 ，與電流相應(yīng)的感應(yīng)電動勢u 即檢測變壓器上的輸出電壓，常用平衡法加以檢測。溶液電導率由滑動電阻昂上 滑動片移動的位置a 來確定： ：傳冬 m 2 ) 式中心與勵磁變壓器正連接的線圈匝數(shù)； 惕與檢測變壓器正連接的線圈匝數(shù)； 墨補償電阻( 埠j i c p ) ； 尼液體試樣短路線圈中的電阻。 由勵磁變壓器互與檢測變壓器正組成的傳感元件也稱磁頭，它是濃度計的重 要部分。磁頭結(jié)構(gòu)如圖1 - 6 所示。圖1 - 6 ( a ) 中兩個變壓器上下疊放，這種結(jié)構(gòu)比較 緊湊，但中間通道長，圖1 - 6 ( b ) 是把檢測變壓器瓦嵌在勵磁變壓器五之中，這種結(jié) 構(gòu)中間通道短，但占空間大，即磁頭尺寸大。目前常用的是前一種結(jié)構(gòu)，即兩個 變壓器上下疊放。 黑龍江大學碩士學位論文 圖1 5 平衡法電磁式濃度計測量系統(tǒng) 2 1 f i g 1 - 5b a l a n c 洽m e t _ h o de l e c t r o m a g n e t i cc o n c e n t r a t i o nm e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 回路 ( a )( b ) 圖1 _ 6 兩種變壓器結(jié)構(gòu)示意圖【2 】 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et w ol x a n s f o r m e r s 電磁式濃度計主要用于連續(xù)測量工業(yè)生產(chǎn)過程中各種酸、堿、鹽的濃度。濃 度計按傳感器安裝的形式有浸入式和流通式兩種結(jié)構(gòu)。浸入式是將傳感器直接浸 入或沉浸在開口容器或罐中，浸入深度視現(xiàn)場的需要而定；流通式是將傳感器通 過不銹鋼標準法蘭直接與主管道連接1 2 j 。 以上簡要介紹了工業(yè)生產(chǎn)中常用的三種濃度計，對于酸堿溶液濃度的測量， 歸納起來說，通?？刹捎玫姆椒ㄓ校弘姶鸥袘?yīng)法、電極法、壓力差法、密度測量 法及折射法等等。壓力差法( 3 】與密度測量法【4 j 都是通過測量液體的密度來得到溶液 濃度的。但是由于影響因素多，會使密度與濃度的換算不太精確，其檢測溶液的 靈敏度不高，所以一般只能用于較大濃度溶液的檢測；折射法【5 】是通過連續(xù)測量溶 液的折光率，從而換算成溶液濃度，該方法要求接收光的強度能夠隨溶液濃度的 第1 章緒論 變化而變化，適用范圍小；電磁感應(yīng)法和電極法都是通過測量溶液的電導率來檢 測溶液的濃度，因為對于酸堿溶液來說，其濃度和電導率成一定比例關(guān)系 6 1 ，所以 通過測量電導率，可以得到溶液的濃度。電極法以電極的形式和被測液體直接接 觸進行測量，這個過程中一個最致命的缺點就是電極容易被污染，尤其在測量腐 蝕性強的溶液濃度時尤為突出，嚴重影響了測量的準確性及使用壽命【7 1 。本課題采 用電磁感應(yīng)法來檢測液體的酸堿濃度，可以很好地解決以上問題，電磁式濃度傳 感器目前在濃度檢測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。 1 3 電磁式濃度傳感器的特點 本論文采用電磁式酸堿濃度傳感器來進行酸堿溶液濃度的測量，這是由于電 磁式濃度傳感器的特點及優(yōu)越之處有： ( 1 ) 它具有測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性。使用電磁濃度傳感器可以實現(xiàn)在線測量，從而 可以持續(xù)地觀測到溶液濃度，給操作人員提供了連續(xù)穩(wěn)定操作的數(shù)據(jù)保證。 ( 2 ) 電磁式濃度傳感器的測量方式?jīng)Q定了它的穩(wěn)定性和可靠性。由于是非接觸 式測量，避免了接觸式測量中電極發(fā)生極化，在電極表面形成雙電層或在電極附 近溶液的濃度發(fā)生變化而產(chǎn)生誤差的情況，也可以避免由于電極被污染而出現(xiàn)電 極信號誤差導致的測量準確性降低的情況，尤其在強腐蝕性和高濃度溶液中其優(yōu) 越性更加突出，為測量數(shù)據(jù)的真實性提供了保證。 ( 3 ) 電磁濃度傳感器還有較好的抗干擾能力。傳感器磁頭部分采用耐腐蝕的封 裝材料進行封裝，可以避免酸堿溶液腐蝕性的影響，電磁式的測量方法對外界工 作環(huán)境的變化帶來的電干擾、噪聲干擾等也具有很高的抑制作用。 當然，電磁濃度傳感器在測量過程中也存在不足之處，尤其是被測溶液的溫 度變化對測量的精度影響較大，可以采用溫度補償?shù)姆绞絹硖岣邷y量數(shù)據(jù)的準確 性【踟。 黑龍江大學碩士學位論文 1 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 4 1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 19 2 0 年，p i c c a d 和f r i v o l d 在瑞士物理協(xié)會的“a r c h i v e sd e ss e i e n c e sp h y s i q u e s e tn a t u r e u e 刊物上，描述了通過無電極電導來測量電解質(zhì)溶液電導的模型，首次 提出了采用電磁法進行濃度測量的方法；之后，g r o s s 等人深入研究了使用繞線方 式與屏蔽層、相位識別技術(shù)相結(jié)合的方法來消除兩個線圈之間的耦合對測量的影 響【9 】【1 0 1 。k l a u ss t r i g g o w 和r e i n h a r dd a n k e r t 在發(fā)表的論文中指出了溫度和壓力對 鐵芯磁導率存在非線性的影響，同時還有磁滯效應(yīng)的影響【l 。r o s e r n o u n t 公司介 紹了一種利用彈性隔膜來防止沉積物附著在濃度傳感器上，從而提高感應(yīng)式測量 精度的方法【翻。德國b h 公司為避免氣泡對濃度測量的影響，改進了感應(yīng)式電 導濃度傳感器的外形結(jié)構(gòu)，同時還進行了溫度的快速響應(yīng)設(shè)計及自動檢測設(shè)計， 進一步拓寬了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍1 3 1 - 4 1 5 1 。日本生產(chǎn)的雙線式電導率傳感器系 統(tǒng)內(nèi)部存儲器，用三維函數(shù)關(guān)系式( 濃度、電導率、溫度) 代替通常使用的二維關(guān) 系式，使儀表內(nèi)部存儲器比通常方式存儲更多的數(shù)據(jù)，從而在相同存儲容量下大 大擴展了濃度測量范圍。 國外的電磁濃度計研究發(fā)展十分迅速，美國、德國、日本、瑞士等國家生產(chǎn) 的電磁濃度計覆蓋了國際市場，主要產(chǎn)品有：美國哈希( h a c h ) 公司的3 7 0 0 系列 感應(yīng)式電導濃度計、德國e + h 公司的c l s 5 0 系列感應(yīng)式電導濃度計、日本d k k 公司的m b 3 2 及m d m 3 0 0 電磁濃度計以及瑞士梅特勒一托利多( m e t t l e rt o l e d o ) 公司的i n p r 0 7 2 0 0 、7 2 5 0 系列感應(yīng)式電導濃度計，這些產(chǎn)品不僅在測量精度高， 而且注重使用的溫度、壓力、測量范圍、測量響應(yīng)時間等方面的研究，全面提高 了傳感器的各項性能【1 6 - 1 。 國外電磁式濃度傳感器研究發(fā)展迅速，重視分析外界環(huán)境因素對測量的影響， 提出了多種改進傳感器的方案，傳感器的種類很多，性能也很優(yōu)良。 第1 章緒論 1 4 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國對電磁式酸堿濃度傳感器的研究起步較晚，相比于電極式傳感器，目前 使用的也不多，隨著電磁式傳感器的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，急需豐富產(chǎn)品類型，提高產(chǎn) 品性能，所以迫切要求我國進一步提高對電磁式傳感器的研究能力與技術(shù)水平。 下面介紹一下國內(nèi)的研究現(xiàn)狀。 吉林熱電廠熱工分場于1 9 7 0 試制成功了電磁式酸堿濃度計，在國內(nèi)首次實現(xiàn) 了無電極測量酸堿溶液的濃度。傳感器采用流通式結(jié)構(gòu)，適用于常壓情況下，連 續(xù)測量和自動記錄工業(yè)生產(chǎn)過程中各種酸堿鹽溶液的濃度。 二十世紀八十年代末，天津大學的李永和著作的電磁濃度計檢測器結(jié)構(gòu)參 數(shù)的選擇，討論了檢測器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對儀器線性度和靈敏度的影響，并提出了檢 測器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計原則1 7 1 。之后李永和在頻率對電磁濃度計性能的影響一 文中進一步討論了激磁電壓頻率對儀器線性度和靈敏度的影響【1 8 1 。北京理工大學 的蔣健和黃有之對電磁濃度傳感計的發(fā)送器作出兩項改進：傳感器采用液體耦合 的初級和次級變壓器線圈，初級變壓器由方波振蕩器激勵，以增加穩(wěn)定性；次級 變壓器采用零輸入阻抗放大器，以消除磁力線引起的鐵芯中磁導率的變化【1 9 】。 二十世紀九十年代，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，單片機以其價格低廉，適應(yīng)性強， 使用靈活等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)，尤其是測量領(lǐng)域，以單片機為核心的 智能測量儀以其精度高、運算速度快等特點替代了由手工操作的測量。沈陽工業(yè) 學院李福剛等人利用單片機為核心器件實現(xiàn)了堿溶液的自動檢測，同時進行了非 線性補償和溫度補償【2 0 1 。這個時期最有代表性的是陳義新于1 9 9 7 年發(fā)表的一種 電磁式酸堿濃度監(jiān)測裝置獲得了專利【2 1 1 。該專利提出了一種新的激勵與檢測方 法，采用可變諧振式勵磁方式和峰值檢波技術(shù)制成的電磁式酸堿濃度監(jiān)測裝置， 充分利用了檢測變壓器在l c 并聯(lián)諧振狀態(tài)時輸出電壓最大的特性，在單片機的控 制下，自動跟蹤檢測變壓器的諧振頻率變化趨勢并及時調(diào)節(jié)勵磁頻率，同時考慮 了實際環(huán)境的影響，運用單片機進行一些復(fù)雜的補償運算，使檢測靈敏度大為提 高，零點十分穩(wěn)定，實用性更強，適合連續(xù)檢測各種強電解質(zhì)溶液濃度。 黑龍江大學碩士學位論文 1 r_ a i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 二十一世紀以來，東北電力學院應(yīng)用化學系萬瑞軍等人設(shè)計了掃頻諧振式電 磁濃度計，通過對實驗機理的分析，選擇出了初次級線圈的匝數(shù)并消除了部分空 氣耦合磁場的干擾；設(shè)計的自動掃頻電路、峰值檢波電路，可以有效減小環(huán)境條 件改變時頻率對測量產(chǎn)生的影響，提高了儀器的抗干擾能力；另外還分析了溫度 對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，整機電路經(jīng)調(diào)試后，能夠長時間穩(wěn)定運行，而且噪聲度 較小【2 2 l 。寧夏大學韓玉蘭等人設(shè)計了一種新型電磁式濃度計，采用硬件和軟件同 時進行溫度補償，以單片機作為系統(tǒng)控制器，對放大調(diào)理后的信號進行a d 轉(zhuǎn)換、 計算濃度、顯示等，對傳感器的硬件和軟件結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化，提高了傳感 器的性能和靈敏度瞄】。 國內(nèi)對于電磁式酸堿濃度傳感器的研究相比于國外起步較晚，種類較少，應(yīng) 用范圍窄，性能不夠穩(wěn)定。對電磁式酸堿濃度傳感器的研究需要采用新技術(shù)和新 材料，提高測量的精度和靈敏度，進一步朝著集成化、智能化、多功能化方向發(fā) 展。 1 5 本課題主要完成工作 課題在比較幾種常用的濃度測量方法的基礎(chǔ)之上，提出了基于電磁感應(yīng)原理 進行濃度測量的方法，結(jié)合現(xiàn)有的實驗條件，設(shè)計了一種電磁式酸堿濃度傳感器， 主要完成的工作有： l 、詳細介紹了國內(nèi)外電磁式酸堿濃度傳感器的研究成果，在對電磁式酸堿濃 度傳感器的基本原理及特點進行研究的基礎(chǔ)之上，對影響濃度測量的因素進行了 深入分析，在此基礎(chǔ)之上對傳感器的鐵芯、激勵源參數(shù)進行了設(shè)計，提出了采用 單片機進行溫度補償?shù)姆椒?，設(shè)計了傳感器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案。 2 、在硬件設(shè)計中充分考慮了傳感器的測量范圍和精度要求來選擇芯片，詳細 介紹了勵磁信號產(chǎn)生電路、檢測信號電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制及顯示電路、溫 度補償電路及電源電路的設(shè)計與實現(xiàn)。 3 、軟件設(shè)計采用c 5 ) 語言模塊化編寫主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理程序 第1 章緒論 及溫度補償程序，運用軟件方式進行濾波和溫度補償，提高了測量的精度。 4 、課題創(chuàng)新性地引入了m a t l a b 數(shù)據(jù)擬合功能，從濃度傳感器和溫度傳感器檢 測到的數(shù)據(jù)能夠分別通過單片機程序內(nèi)嵌的經(jīng)m a t l a b 擬合好的公式自動轉(zhuǎn)化成 濃度值和溫度補償值，并經(jīng)過運算處理得到最后的濃度值。 5 、對傳感器系統(tǒng)進行實驗驗證，通過大量實驗測試傳感器性能，從而驗證了 傳感器方案設(shè)計的合理性與可行性。 完成這些工作后，要達到的系統(tǒng)總體性能指標為： 1 、傳感器濃度測量范圍：實驗中選取酸堿溶液中具有代表性的n a o h 溶液和 h 2 s 0 4 溶液為溶液樣本，通過理論與實驗研究確定所設(shè)計的傳感器對于這兩種酸堿 溶液的測量范圍，同時對傳感器的靈敏度進行研究探討。 2 、傳感器溫度測量范圍為1 0 4 0 。 3 、傳感器的相對誤差要求控制在5 之內(nèi)，穩(wěn)定性能良好。 4 、可以實現(xiàn)對溶液濃度和溫度的實時檢測。 1 6 本章小結(jié) 本章主要闡述了論文的選題背景、研究意義以及國內(nèi)外電磁式濃度傳感器的 研究進展情況，并對國內(nèi)外學者的研究概況和濃度測量方法進行了綜述，最后對 論文所完成的具體工作了一個簡要的介紹。 黑龍江大學碩士學位論文 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計 2 1 酸堿濃度與電導率 2 1 1 酸堿濃度與電導率關(guān)系的理論依據(jù) 電解質(zhì)溶液之所以能導電，是由于溶液中有離子存在。不同的電解質(zhì)溶液有 不同的導電能力，當電流通過電解質(zhì)溶液時呈現(xiàn)出與金屬一樣的電阻尺。，溶液的 電導g 用其電阻尺。的倒數(shù)表示： g ：一1 ：一a 圪 ( 2 1 ) r 。 三 式中三電解質(zhì)溶液的導電長度； 么電解質(zhì)溶液的導電截面積； k 電解質(zhì)溶液的電導率。 岸與溶液的濃度有關(guān)， 咒：絲l( 2 2 ) 咒= 一 l z z ， 1 0 0 0 6 式中入當量電導率； c 溶液濃度； 6 溶質(zhì)的克當量。 從式( 2 2 ) 可以看出，當入、6 為常數(shù)時，電導率k 就僅是濃度c 的函數(shù)，而6 僅決定于溶質(zhì)的分子量。當溶液濃度較低時，當量電導率入近似為常數(shù)，故電導率 k 與濃度c 接近線性關(guān)系。 但在濃度較高時，電導率與濃度之間會出現(xiàn)非線性關(guān)系。這是因為，電解質(zhì) 溶液的離子數(shù)不僅與溶液的濃度有關(guān)，還與在該濃度下的電離度有關(guān)，當濃度增 加到一定數(shù)值時，溶液的電離度減小，使離子總數(shù)下降，導致電導率下降2 4 1 。 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計 2 1 2 酸堿濃度對電導率的關(guān)系曲線 圖2 1 給出了不同電解質(zhì)溶液電導率與濃度的關(guān)系曲線。從圖2 1 中可以看出， 隨著濃度的增大，曲線會出現(xiàn)拐點，即會有同一個電導率值對應(yīng)著兩個濃度值的 情況。所以當雜質(zhì)和溶劑的變化引起的電導率改變較小，符合儀表內(nèi)設(shè)濃度特性 曲線的變化時，測量是合理的。如果溶劑的變化太大而超越儀表內(nèi)設(shè)濃度特性曲 線時，這種電導率改變的測量值是不合理的。由于曲線在拐點處往往較平緩，因 此在拐點處的分辨率最差，故在實際測量中，測量范圍要避開拐點及其附近的濃 度值。制造一種測量范圍包括所有這些點的儀表是很難的，因此儀表的測量范圍 必須分段設(shè)置以避開拐劇2 4 1 。例如n a o h 溶液大約在濃度為1 6 時對應(yīng)最大的電 導率值( 拐點) ，因此可能的濃度測量范圍應(yīng)當是0 - - - 1 4 或1 8 0 0 - 4 0 ，從拐點處分 段測量。h 2 s 0 4 溶液的濃度特性曲線有三個拐點，其濃度測量范圍分別為0 3 0 、 4 0 8 0 、9 3 9 9 5 。 電導率( s i r r a ) 、 i、 l i，l 、 一， 1 l l i r i 1 i l 。、i jll、l ：蟛 ，j r l ， 1 l ， 、 一 r 囊什錛q 1 l ll， 、 f i i盼 i r ，i 啦，眨tq、 l一 、 ，一l，l 一一 l簪l、1 托硝t ，r ， 1 刊 01 02 03 0 4 05 06 07 0 8 09 01 0 0 圖2 1 在2 0 c t 橢解質(zhì)溶液電導率與濃度的關(guān)系 2 4 1 f i g 2 - 12 0 。c i nd i f f e r e n te l e c t r o l y t es o l u t i o n s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n d u c t i v i t ya n dc o n c e n t r a t i o n 黑龍江大學碩士學位論文 2 1 3 影響溶液電導率大小的因素 在外加電場的作用下，電解質(zhì)溶液中電流的大小是由外加電壓的溶液導電 能力決定的。影響溶液的電導率大小的因素主要有： ( 1 ) 電解質(zhì)的種類 由于電解質(zhì)溶液中各種離子在電場作用下移動的速度不同，造成了溶液電導 率的不同。離子所帶電荷越多，受到的外加電場作用就越大，其運動速度就越快， 導電能力就越強。 強電解質(zhì)的電導率往往大于弱電解質(zhì)的電導率。因為強電解質(zhì)在較稀的濃度 范圍內(nèi)1 0 0 電離，而弱電解質(zhì)卻只有很少一部分電離，所以兩種電解質(zhì)溶液，盡 管濃度相同，但由于有效離子濃度不同，導電能力完全不同1 2 5 1 。 ( 2 ) 溶液濃度 在低濃度范圍內(nèi)，電解質(zhì)溶液的電導率與濃度之間具有線性關(guān)系。當溶液濃 度增加時，有效離子濃度也增加，離子遷移速度就越大，電導率也就越高，當濃 度大到一定程度后，由于離子間相互碰撞、吸引機會的機率增加，離子有效濃度 就會下降，溶液的導電能力反而降低1 2 6 。對于弱電解質(zhì)來說，由于受平衡條件的 約束，單位體積內(nèi)能導電的離子數(shù)目并不明顯隨濃度的增加而增加，其電導率也 就幾乎不隨濃度的變化而變化。 ( 3 ) 溶液的溫度 溫度直接影響溶液中電解質(zhì)的電離度、溶解度、離子遷移速度、溶液的粘度、 溶液的膨脹度等，從而影響溶液的電導率 2 7 1 。簡單的說，當溫度升高時，溶液粘 度降低，離子運動速度加快，在電磁場作用下，離子的定向運動也加快，溶液電 導率增加。反之，溫度下降時，溶液電導率減d x t 2 s 。因此對電解質(zhì)溶液，其電導 率的溫度系數(shù)是i e 的t 2 9 1 。溶液溫度升高時，溶液的導電能力增大。電導率與溫度 之間的關(guān)系表示如式( 2 3 ) 所示： = i c , o 牡+ f l l ( t - t o ) + p 2 ( t - t o ) 2j ( 2 3 ) 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計 i il ii ii i 式中e f 溫度下溶液的電導率； 一。o 溫度下溶液的電導率； 屆、尾溶液電導的溫度系數(shù)。 要求不高時，可舍去高次項得： 墨= _ o 【1 + 口o r o ) 】( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中口與式( 2 - 3 ) 中屈相同。 從上述情況可以了解到，溶液的電導率隨著電解質(zhì)的種類、離子的濃度、以 及溫度的不同而不同。由此，我們可以通過測量溶液的電導率以表征該溶液的物 理、化學性質(zhì)，借以判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。前兩種因素是電導率測量方法的檢測 機理，后者則是設(shè)計制造儀器時，人為考慮加以消除的因素 3 0 l 。一般溶液的電導 率會隨著溫度的升高而增大，而不同溶液，不同濃度下，其增大的斜率一般是不 同的。在確定濃度時，為了便于統(tǒng)一比較，也是要求得到參考溫度下的濃度值， 傳統(tǒng)使用2 5 c 為測量的參考溫度【2 1 1 。當水溫不為2 5 c 時，就要進行溫度補償，折 換成2 5 時的濃度值。在本課題中結(jié)合實驗室環(huán)境條件，采用2 0 為測量的參考 溫度來進行溫度補償。 2 2 電磁濃度傳感器工作原理分析 2 2 1 法拉第電磁感應(yīng)定律 為了尋求“磁生電 方法，法拉第經(jīng)過十多年努力，終于在1 8 3 1 年8 月2 9 曰使用人類第一個變壓器一軟鐵環(huán)上的初、次級線圈，成功地完成了電磁感應(yīng)實 驗，其后由法拉第和楞次等人歸納成為電磁感應(yīng)定律。 法拉第根據(jù)大量實驗事實總結(jié)出了如下定律：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā) 生變化，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流 稱為感應(yīng)電流。 當導體在磁場中作切割磁力線運動時，導體兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。此感 黑龍江大學碩士學位論文 應(yīng)電動勢u 與通過閉合回路面積的磁感應(yīng)通量九的變化率成i e l l u ：k 墮 ( 2 5 ) 講 這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。 式中，比例系數(shù)k 由實驗確定。在國際單位制中，【，的單位為v ，九的單位 為w b ，r 的單位為s 。如果k = 1 ，并考慮u 的方向，則上式可表示為 u ：一盟 ( 2 6 ) 緒 如果只考慮u 的大小，就可以略去上式中單的負號，即： 講 u ：盟毗y( 2 7 ) 講 式中召- 磁感應(yīng)強度5 三磁場中作切割磁力線運動的導體在垂直磁場方向的長度； y 導體在磁場中作垂直于磁場方向運動的速度。 由( 2 7 ) 式可知，當磁感應(yīng)強度b 恒定不變以及導體長度上為定長時，感應(yīng) 電動勢的大小僅與導體運動速度成正比1 3 l 】。 下面進一步探討感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件及感應(yīng)電動勢的種類： ( 1 ) 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 l 、電路是閉合且通的； 2 、穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。 以上兩個條件須同時具備，如果缺少一個條件，就不會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。 ( 2 ) 感應(yīng)電動勢的種類： l 、動生電動勢 動生電動勢是因為導體自身在磁場中做切割磁感線運動而產(chǎn)生的感應(yīng)電動 勢，其方向用右手定則判斷，使大拇指跟其余四個手指垂直并且都跟手掌在一個 平面內(nèi)，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運動方向， 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計 則其余四指指向動生電動勢的方向。動生電動勢的方向與產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向 相同。右手定則確定的動生電動勢的方向符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。 2 、感生電動勢 感生電動勢是因為穿過閉合線圈的磁場強度發(fā)生變化產(chǎn)生渦旋電場導致電流 定向運動，其方向符合楞次定律。右手拇指指向磁場變化的反方向，四指握拳， 四指方向即為感應(yīng)電動勢方向。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相 互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對麥克斯韋 電磁場理論的建立具有重大意義。法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義在于，一方面， 依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠距離輸送成 為可能；另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都 有廣泛的應(yīng)用【3 2 】。 2 2 2 傳感器工作原理與理論方程式 電磁濃度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理來反映電解質(zhì)溶液的電導率變化，實現(xiàn) 對溶液濃度的測量。電磁濃度傳感器是由兩個變壓器( 也稱磁頭) ，勵磁變壓器z 和檢測變壓器正組成。傳感器測量原理如圖2 2 所示： 圖2 - 2 電磁式濃度傳感器測量原理示意圖 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o n c e n t r a t i o n $ e r l s o r 圖2 3 是圖2 - 2 的等效電路，u 為激勵電壓；“、厶分別為互的原邊電 黑龍江大學碩士學位論文 流、繞組匝數(shù)和電感系數(shù)；、厶為正副邊繞組匝數(shù)和電感系數(shù)；呢、厶為疋的 原邊繞組匝數(shù)和電感系數(shù)；配、厶、之為正副邊的繞組匝數(shù)、電感系數(shù)和電流；u 2 為輸出電壓；z 為互的負載阻抗；m l 、鳩分別為五、五的互感系數(shù)；為流過 溶液電阻r ，的電流。顯然，r ，、厶、厶、呢構(gòu)成的回路就是環(huán)形流通管中 溶液所構(gòu)成的回路的等效電路，故畈= 職= 1 匝。 程： t l 固 一 一i a m l m 2 圖2 - 3 傳感器檢測裝置等效電路 f i g 2 - 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs e n s o r sd e t e c t i n gd e v i c e 設(shè)u 為正弦波電壓，根據(jù)理想變壓器原理，由圖2 - 3 可列出如下三個回路方 u 1 = j r o l l i i + j r o m l j r j 月，丘+ j c o ( l 2 + 三3 也+ j o ) m l l l + j c o m 2 之= 0 u 2 + j r a l 4 1 2 + j o j m 2 l = 0 解方程( 2 8 ) ( 2 1 0 ) 可求得： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 蜘蒜兩m , 0 一可r 0 2 m 習2 2 1 2 喇2 - 1 1 ) 吼5 一一一叱一2 。1 。 根據(jù)電感和互感系數(shù)的定義可知( 考慮到= = 1 匝) ： 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計 ，厶 厶= 壬 2 r厶 鏟孝 將這些參數(shù)帶入式( 2 一i i ) 可得： 吣j c ol4雩rs+c02i 4 2 臥 砰弋引l 4 。j 若負載z 一，則厶o ，故 u 2 地砰一等( 1 ) 2 2 + f ，墮、1 2 。l 2