基于工业控制器的水分析功能块设计

张嘉良 邓娅

摘要：液体的酸碱度、电导率以及溶氧浓度是表征液体性质的三个极其重要的参数，在电力、化工、环保、制药、冶金、生化、食品和供水等行业应用广泛。随着国民经济和科学技术的发展，各行各业对水质的要求越来越高。如何准确、快速、智能的测量出液体的酸碱度、电导率以及溶氧浓度一直是仪表生产厂家及科研人员十分关注的问题和一直追求的目标。

关键词：酸碱度;电导率;溶氧浓度;PLC

引言

近年来，自动化技术正从分布控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）发展，较有影响的有：CAN，PROFIBUS，RS485等。目前开发的溶液酸碱浓度测量仪表大多数不具有数字通讯功能，不支持现场总线，少部分设计有RS485接口，但通讯协议与标准不兼容，不被组态软件支持。具有数字通讯功能、支持现场总线的工业测量仪表是一种发展趋势。随着传感器技术的进步和微处理机的应用，酸碱浓度测量仪表的发展十分迅速。国外生产的酸碱浓度测量仪表系列有美国Honeywell公司的9782系列、7079系列;瑞士Mettler Toledo公司的Ingold2500系列、2700系列;日本横河公司的PH400G系列，PH200系列等。国内的酸碱浓度测量仪表生产厂家有上海雷磁仪表厂的PHG-217系列、武汉265厂的PHG88系列等。目前国外生产的酸碱浓度测量仪表精度可达±0.001pH，国内生产的仪表精度一般在0.1～0.5pH之间。如何让水分析系统趋于智能化，工业化，精度进一步提高，适用范围更加广泛，是液体仪表应该的发展方向。

1 水分析功能块系统的组成

基于PLC工控的智能液体仪表系统主要包括计算机，PLC工控模块，酸碱度调理板，电导率调理板，溶氧浓度调理板以及与各个调理板相对应的电极。

系统所有信号的起始都来自于前端的传感器，也就是我们所说的电极。三个电极分别用其化学特性将所要测量的物理量转化为电信号，分别送给我所做的三个调理板。对于酸碱度调理板，将送进来的电压信号通过仪用放大器实现1：1放大，这样可以有效地克服来自电极的电压抖动以及外部干扰，然后将处理过的稳定的电压信号送给PLC工控模块。而对于电导率的测量是通过电极伸入到溶液中，产生一个RC阻抗网络接到电导率调理板的输入。根据双正弦频率测量电导率的原理，在电导率调理板上产生两个不同频率相同幅值的方波，将其施加于RC阻抗上，获得两个变化的电压信号，将这两个信号作为输出，传给PLC。而对于溶氧度调理板，当溶氧电极伸入到一定氧浓度的溶液中时，会在其工作电极产生电流信号，将这个电流信号送给溶氧调理板的输入，让其在反馈电阻上产生压降，采集这个电压信号作为输出送给PLC控制模块。

通过PLC工控模块与电脑串口的连接，可以使用上位机软件读取PLC所处理后的实时数值，而且还可以通过上位机软件对PLC进行一系列的控制，如校准、写入参数等，直到准确稳定的实时数据显示在上位机软件中。

2 水分析系统的硬件电路设计

2.1 酸碱度测量电路设计

电路的基型为标准的仪用放大器，电路总的差模放大为：

选取R111 = R110 = R114 = R118 = 4.99K（0.1%，25ppm），则有：

在调理板输入处，通过5.1V稳压管构建的保护电路能有效的将共模大电压，较强的外界干扰或接线无操作引入的高压等电位钳制在运放能承受的输入电压范围以内。

2.2 电导率测量电路设计

选频法电导率测量时需要激励源提供两个频率的方波，所以使用4M晶振产生频率为4M的方波，再经过74HC4060分频得到两个频率的方波。模拟开关CD4052的选通信号A和B，其中B端接地始终为0。

2.3 溶氧度测量电路设计

由三电极恒电位仪设计原理设计恒电位电路。在电极输出电流发生改变时，通过U101A构成的负反馈调节CE3_0.7V的大小以保证RE3与WE间恒为加入的恒电压值。由于在测量低含氧量溶液时溶氧电极输出电流信号特别微弱，极容易受到外界干扰而影响测量效果。通过信号屏蔽线和外壳屏蔽线的双重抑制效果可大大减少外界的干扰。由DL5000信号电缆输出形式可知，工作电极外包围信号屏蔽线，若能保持内屏蔽线和线芯等电位，可以免除芯线和内屏蔽线之间的容性漏电流，从而消除寄生电容的影响。

3 水分析系统的软件设计

3.1 酸碱度指令算法说明

模式0：由两种标定溶液以及算法获得的斜率，通过PH计算公式得到待测溶液的PH值，计算公式如式1-4;模式1：将电极放入第一种标准溶液中，标定第一种溶液的电压，温度及PH值;模式2：将电极放入第二种标准溶液中，標定第二种溶液的电压，温度及PH值;模式3：根据从两种溶液获得的参数计算所需要的斜率K;模式4：标定完成，将所获得的斜率，电压，温度存到FLASH中;模式5：恢复出厂设置;模式6：通过手动输入的方法输入所需要的参数，计算PH值。

3.2 电导率指令算法说明

模式0：首次上电时获取获取激励源给出的输出频率f1;模式1：获取溶液的输出电压v1;模式2：获取激励源给出的第二个输出频率f2;模式3：获取溶液的输出电压v2;模式4：通过获得的电压及频率计算出Rx的值，公式如2-4并对其进行误差校准，通过校准的Rx值，计算电导率。

3.3 溶氧度指令算法说明

模式0：根据所获得的参数计算氧分压为（I测*温补）/（（I满度-I零点）*温补;模式1：计算氧浓度值，计算公式及参数意义如上页3，4所示;模式2：零点标定：用户向MODE写入2，进入零点标定模式，将氧电极放入零氧水中，待电极电流稳定后，向MODE写入4，指令将自动存储零点电流值;模式3：满度标定：用户向MODE写入3，进入满度标定模式，将氧电极放入空气中，待电极电流稳定后，向MODE写入4，指令将自动存储满度电流值，满度时的温度值;模式4：将获得的参数写入FLASH中;模式5：恢复出厂设置;模式6：通过手动输入的方法输入所需要的参数，计算PH值。

4 实验测试结果

4.1 酸碱度调理板性能测试

酸碱度调理板的线性度测试是通过FLUKE给调理板一个电压输入，模仿PH电极的电压差，由于酸碱度调理板是1：1放大，理论上实际输出因该与输入相等。具体测量的数据如下表：

达到的标准：测量时，输出电压在0.01mV级跳字，偏差△基本恒定即上下浮动在0.05mV之内。本酸碱度调理板可达到的精度为：测量误差在±0.05PH以内。

4.2 电导率调理板性能测试

电导率的测试是通过外接电阻来模拟溶液的RC阻抗网络，通过对比实际电阻值和实测电阻值的对比判断调理板是否合格。

电导率测量数据如下表：

电导率调理板现阶段能达到的标准为：全量程e都应该小于0.5%（同行业大多在1%）。

4.3 溶氧度调理板性能测试

溶氧度调理板测试是通过FLUKE给溶氧度调理板输入一个很小的电流来模拟溶氧电极在溶液中电流的变化。FLUKE提供给溶氧度调理板输入端的电流不同，在溶氧度调理板输出端所测得的电压也就有所不同，具体如下表：

达到的标准：输出电压跳字在0.01mV以内，误差基本恒定，上下浮动在0.1mV以內。本溶氧度调理板可达到的精度为：满度分辨率在0.1mg/L（跳字在±8mV以内），精度为±1.0%FS;零点分辨率在0.5ug/L（跳字在±0.15mV以内），精度为±1.0%FS。

5 结束语

随着社会的进步和科技的发展，人们对于液体的性能要求越来越高，人们想尽可能多的、准确的、快速的得到液体的很多性质。所以，人们对液体仪表的要求也渐渐地提高了。挑战伴随着机遇，困难中隐含着利润，一套精简的准确的快速的液体仪表系统具有着广阔的市场前景，同样也存在着种种困难。本文通过对现阶段液体仪表技术的学习和整合，实现了完整的可靠的液体仪表系统，包括硬件和软件。这套系统符合国内外同样产品的要求，某些方面领先于国内同行业标准（如电导率测量精度等）。

参考文献

[1]张国诚.关于电导率仪中温度补偿的讨论[J].中国计量，2010，1（11）：114-116.

[2]Tusi K M，Chan S C，Yeung K S，Design of FIR digital filters with prescribed flatness and peak error constraints using second-order cone programming[J]. IEEE Trans.on Circuits and Systems II：Express Briefs，2005，52（9）：601-605.

[3]刘哲，韩焱，姚金杰.基于DDS的多模信号发生器的设计[J].计算机测量与控制，2010，18（3）：731-733.

[4]周明军，尤佳，秦浩等.电导率传感器发展概况[J].传感器与微系统，2010，29（4）：9-11.