在磁环的线圈L1上施加一个交变的激励信号U1,L2上就会产生交变的磁通Φ,这个交变的磁通在碱液回路中形成交变电流I,随之产生交变磁通,并作用在线圈L2上,L2中就产生感应电动势U2。通过检测U2,就可以换算出被测溶液的电导率,从而得出溶液浓度。输出电压与溶液电导率的关系可用式(1)表示[5]:
U2=(U1ωL2/n1n2K)·k(1)
式中:K———流通池参数cm-1;
U1、U2———原边和副边电压;
n1、n2———分别为原边和副边绕组匝数;
L2———副边自感系数;
ω———角频率;
k———溶液的电导率(μS·cm-1)。
1.3 温度补偿
温度对电导率测量的影响很大,所以实际测量中必须对测量数据进行温度补偿。在电路设计中,加上温度测量装置,其测量数据一部分作为温度补偿,另一部分以4~20mA标准信号的方式输出。
2 电路
传感器的设计电路如图4:
2.1 激励信号源电路图
激励信号源的幅度和频率必须相对稳定,尤其是幅度,以确保测量精度。
以ICL-8038芯片为核心实现的激励信号源见图5。
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ICL-8038是性能优良的集成信号发生器。可用10~30V的单电源供电,也可以用±5~±15V的双电源供电;频率可调范围为0.001~300kHz;输出正弦波的失真度小于1%。
图5所示的电路中,通过改变RW1来调整RA和RB的数值。当RA=RB时,占空比是50%,引脚2输出为正弦波。调整电阻R3、R4和电位器RW3、RW4所组成的电路,可以使正弦波的失真度减小到0.5%。在RA与RB不变的情况下,调整RW2可以改变电路的振荡频率。
2.2 测温装置电路图
测温装置由集成温度传感器AD590及其外围电路构成,如图6所示。
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AD590是内部已作修正的电流型二端器件,工作温度范围-55~150℃。直流电源的电压范围宽(4~30V),并具有消除电源波动的特性,如电压从5V变化到15V时,电流变化小于1μA。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。AD590共有I、J、K、L和M五档,其中M档精度最高,在-55~150℃范围内,其非线性误差为±0.3℃,具有精度高、使用方便、线性和互换性好的特点。图6中,电位器RW1用于调整零点,RW2用于调整放大电路的增益,AD581是高精度集成稳压器。2.3 放大电路
放大与输出电路以LM358为核心设计(图7)。
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LM358内部包括两个独立的高增益且内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式。在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可以用单电源供电的使用运算放大器的场合。
2.4 输出电路
输出电路的作用是将1~5V的直流电压信号转换成以电源负端为基准的直流电流(4~20mA)信号,如图8所示。
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输出回路由运算放大器与复合晶体管组成。采用复合晶体管的目的是提高输出管的电流放大倍数。为了提高转换精度及恒流性能,而将输出电流在R6上的压降,反馈到LM358的输入端。
3 试验与分析
试验中,线圈磁芯均选择磁导率为7kT·m/A的铁氧体磁环,线圈绕线为0.21mm的漆包线,原边和副边分别为200匝和250匝,线圈间距15mm。测试结果如图9所示。
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