在磁環(huán)的線圈L1上施加一個交變的激勵信號U1,L2上就會產(chǎn)生交變的磁通Φ,這個交變的磁通在堿液回路中形成交變電流I,隨之產(chǎn)生交變磁通,并作用在線圈L2上,L2中就產(chǎn)生感應(yīng)電動勢U2。通過檢測U2,就可以換算出被測溶液的電導(dǎo)率,從而得出溶液濃度。輸出電壓與溶液電導(dǎo)率的關(guān)系可用式(1)表示[5]:
U2=(U1ωL2/n1n2K)·k(1)
式中:K———流通池參數(shù)cm-1;
U1、U2———原邊和副邊電壓;
n1、n2———分別為原邊和副邊繞組匝數(shù);
L2———副邊自感系數(shù);
ω———角頻率;
k———溶液的電導(dǎo)率(μS·cm-1)。
1.3 溫度補(bǔ)償
溫度對電導(dǎo)率測量的影響很大,所以實際測量中必須對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在電路設(shè)計中,加上溫度測量裝置,其測量數(shù)據(jù)一部分作為溫度補(bǔ)償,另一部分以4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號的方式輸出。
2 電路
傳感器的設(shè)計電路如圖4:
2.1 激勵信號源電路圖
激勵信號源的幅度和頻率必須相對穩(wěn)定,尤其是幅度,以確保測量精度。
以ICL-8038芯片為核心實現(xiàn)的激勵信號源見圖5。
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ICL-8038是性能優(yōu)良的集成信號發(fā)生器。可用10~30V的單電源供電,也可以用±5~±15V的雙電源供電;頻率可調(diào)范圍為0.001~300kHz;輸出正弦波的失真度小于1%。
圖5所示的電路中,通過改變RW1來調(diào)整RA和RB的數(shù)值。當(dāng)RA=RB時,占空比是50%,引腳2輸出為正弦波。調(diào)整電阻R3、R4和電位器RW3、RW4所組成的電路,可以使正弦波的失真度減小到0.5%。在RA與RB不變的情況下,調(diào)整RW2可以改變電路的振蕩頻率。
2.2 測溫裝置電路圖
測溫裝置由集成溫度傳感器AD590及其外圍電路構(gòu)成,如圖6所示。
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AD590是內(nèi)部已作修正的電流型二端器件,工作溫度范圍-55~150℃。直流電源的電壓范圍寬(4~30V),并具有消除電源波動的特性,如電壓從5V變化到15V時,電流變化小于1μA。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓,因而器件反接也不會被損壞。AD590共有I、J、K、L和M五檔,其中M檔精度最高,在-55~150℃范圍內(nèi),其非線性誤差為±0.3℃,具有精度高、使用方便、線性和互換性好的特點。圖6中,電位器RW1用于調(diào)整零點,RW2用于調(diào)整放大電路的增益,AD581是高精度集成穩(wěn)壓器。2.3 放大電路
放大與輸出電路以LM358為核心設(shè)計(圖7)。
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LM358內(nèi)部包括兩個獨立的高增益且內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式。在推薦的工作條件下,電源電流與電源電壓無關(guān)。使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其它所有可以用單電源供電的使用運算放大器的場合。
2.4 輸出電路
輸出電路的作用是將1~5V的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成以電源負(fù)端為基準(zhǔn)的直流電流(4~20mA)信號,如圖8所示。
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輸出回路由運算放大器與復(fù)合晶體管組成。采用復(fù)合晶體管的目的是提高輸出管的電流放大倍數(shù)。為了提高轉(zhuǎn)換精度及恒流性能,而將輸出電流在R6上的壓降,反饋到LM358的輸入端。
3 試驗與分析
試驗中,線圈磁芯均選擇磁導(dǎo)率為7kT·m/A的鐵氧體磁環(huán),線圈繞線為0.21mm的漆包線,原邊和副邊分別為200匝和250匝,線圈間距15mm。測試結(jié)果如圖9所示。
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