【文章內(nèi)容簡介】 容性的耦合技術(shù)，無須物理連接即可將信號從它的源傳輸?shù)綔y量設(shè)備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較 高的共模電壓，從而既保護了操作人員也保護了昂貴的測量設(shè)備。 多路復用 通過多路復用技術(shù)，一個測量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號傳輸至一個單一的數(shù)字化儀，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來極大地擴大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復用對于任何高通道數(shù)的應用都是十分必要的。 濾波 濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)去除不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應用都會受到一定程度的 50Hz 或者 60Hzr 噪聲（來自于電線或機械設(shè)備）。大部分信號調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制 50Hz 或 60Hz 噪聲而專門設(shè)計的低通濾波器。 激勵 激勵對于一些轉(zhuǎn)換器是必需的 。例如應變計、電熱調(diào)節(jié)器和 RTD需要外部電壓或電流激勵信號。通常 RTD 和電熱調(diào)節(jié)器測量都是使用一個電流源來完成的，這個電流源將電阻的變化轉(zhuǎn)換成一個可測量的電壓。應變計是一種超低電阻的設(shè)備，通常利用一個電壓激勵源來用于惠斯登（ Wheatstone）電橋配置。 線性化 許多傳感器感應的電信和物理量之間并不是呈線性關(guān)系，因而需要對其輸出信號進行線性化以補償傳感器帶來的誤差。 NI的 NIDAQ、 LabVIEW、 Measurement Studio 和VirtualBench 等應用軟件包都包含了應用于熱電偶、壓力計和 RTD的線性化功能。 數(shù)字信號調(diào)理 數(shù)字信號在某些情況下也必須經(jīng)過調(diào)理才能進入 DAQ 卡。譬如，不能將工業(yè)環(huán)境中的數(shù)字信號直接接入 DAQ 卡，接入之前必須經(jīng)過隔離來防止可能的高壓放電或者經(jīng)過削蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 15 減來調(diào)理電平以適應 DAQ 卡的輸入要求。 NI也提供了豐富的信號調(diào)理設(shè)備，譬如 SCXI、 SCC、 SC 系列，即插即用傳感器（ TEDS）測量設(shè)備和 5B 系列等。 溫度傳感器的原理與選擇 在溫度傳感器的選擇上，我們首先列出溫度傳感器的分類和特點，以便我們依需求選擇。 溫度傳感器依接觸性分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩類，他們 的特點如下： 接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。 非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應快等。 此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度 圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉(zhuǎn)換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。 通過以上的對比，結(jié)合水的高比熱容，我們選擇接觸式溫度傳感器。 接觸式溫度傳感器主要分為兩種：熱電偶和熱電阻，下面，我們分別介紹他們的測量原理和優(yōu)缺點。 熱電偶 熱電偶在溫度測量中應用極為廣泛，因為它結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的準確度，溫度測量范圍寬，動態(tài)響應較好。若所選擇的兩根導體材質(zhì)適當時，可以測量高達 1000℃的高溫。 熱電偶的測溫原 理是熱電效應，當兩種不同的導體兩端相互緊密地連接在一起，組成一個閉合回路，見圖 32 所示。當兩接點溫度不等（ TT0）時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應，該電動勢稱為熱電動勢。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 16 圖 32 熱電偶的原理圖 通常我們把上述兩種不同導體的組合稱為熱電偶，稱 A， B兩導體為熱電極。兩個接點，一個為工作端或熱端（ T），測溫時將它置于被測溫度場中，另一個叫自由端或冷端（ T0），一般要求恒定在某一溫度。 由于不同導體的自由電子密度是不同的。當兩種不同的導體 A， B 連接在一起時，在 A， B 的接觸處 就會發(fā)生電子的擴散。設(shè)導體 A的自由電子密度大于導體 B的自由電子密度，那么在單位時間內(nèi)，由導體 A擴散到導體 B的電子數(shù)要比導體 B擴散到導體 A的電子數(shù)多，這時導體 A因失去電子而帶正電，導體 B 因得到電子而帶負電，于是在接觸處便形成了電位差，即電動勢，這個電動勢將阻礙電子由導體 A 向?qū)w B 的進一步擴散。當電子的擴散作用與上述的電場阻礙擴散的作用相等時，接觸處的自由電子擴散便達到動態(tài)平衡。這種由于兩種導體自由電子密度不同，而在其接觸處形成的電動勢，稱為接觸電動勢，用符號 EAB(T)和 EAB(T0)。 由物理學可知 BAAB nnqkTTE ln)(0? (31) BAAB nnqkTTE ln)(000 ? (32) 式中 EAB(T)—— A， B兩種材料在溫度 T時的接觸電動勢； EAB(T0)—— A， B兩種材料在溫度 T0時的接觸電動勢； K—— 波爾茲曼常數(shù)（ k= 1023J/K）； T， T0—— 接觸處的絕對溫度； nA， nB—— 材料 A， B的自由電子密度； q0—— 電子電荷量（ q0= 1019C）。 由上可見，接觸電動勢的大小只與導體材料 A， B的性質(zhì)和兩接點的溫度有關(guān)，而與材料的幾何形狀、尺寸無關(guān)。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 17 實驗與理論均已證明，熱電偶回路總電動勢主要是由接觸電動勢引起的，又由于EAB(T)和 EAB(T0)的極性相反，所以回路的總電動勢 BAABABAB nnTTqkTETETTE ln)()()(),( 0000 ???? （ 33） 根據(jù)上述討論，可得到以下幾點結(jié)論： 如果熱電偶兩電極材料相同，無論兩接點 溫度如何，總熱電動勢為零。 如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管 A， B材料不同，回路中總電動勢等于零。 由式（ 33）可見，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只與材料和接點溫度有關(guān)，與熱電極的尺寸、形狀等無關(guān)。同樣材料的熱電極，其溫度和電動勢的關(guān)系是一樣的，因此熱電極材料相同的熱電偶可以互換。 熱電偶 A， B在接點溫度為 T1， T3時的熱電動勢，等于此熱電偶在接點溫度為 T1， T2與 T2， T3兩個不同狀態(tài)下的熱電動勢之和，即 ),( 31 TTEAB )()()()()()(),(),(3132213221TETETETETETETTETTEABABABABABABABAB???????? (34) 當熱電極 A， B選定后，熱電動勢 EAB（ T， T0）是兩接點溫度 T和 T0函數(shù)差，即 )()(),( 00 TfTfTTE AB ?? （ 35） 如果使自由端溫度 T0保持不變，則 f (T0)=C(常數(shù) )，此時 EAB（ T， T0）就成為 T 的單值函數(shù)，即 )()(),( 0 TCTfTTE AB ???? （ 36） 式（ 36）在實際測溫中得到廣泛的應用。當保持熱電偶自由端溫度 T0不變時，只要用儀表測出總電動勢，就可以求得工作端溫度 T。在實用中，我們把自由端（參考端）溫度保持 0℃。 目前國際上應用的熱電偶具有一個標準規(guī)范，國際上規(guī)定熱電偶分為八個不同的分度，分別為 B， R， S， K， N， E， J和 T，其測量溫度的最低可測零下 270攝氏度，最高可達 1800 攝氏度，其中 B， R， S屬于鉑系列的熱電偶，由于鉑屬于貴重金屬，所以他們又被稱為貴金屬熱電偶而剩下的幾個則稱為廉價金屬熱 電偶。 熱電阻 熱電阻雖然在工業(yè)中應用也比較廣泛，但是由于他的測溫范圍使他的應用受到了一蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 18 定的限制，熱電阻的測溫原理是基于導體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優(yōu)點也很多，也可以遠傳電信號，靈敏度高，穩(wěn)定性強，互換性以及準確性都比較好，但是需要電源激勵，不能夠瞬時測量溫度的變化。 工業(yè)用熱電阻一般采用 Pt100,Pt10,Cu50,Cu100,鉑熱電阻的測溫的范圍一般為零下 200800 攝氏度，銅熱電阻為零下 40到 140 攝氏度。熱電阻和熱電偶一樣的區(qū)分類型，但是他卻不需要補償導線，而且比熱點偶便宜 。 綜合以上分析，我們選擇熱電偶作為溫度傳感器。經(jīng)過比較多種不同品牌的多款產(chǎn)品，我們最終選定 GlobalWater 公司的 WQ101 水溫傳感器，它具有以下技術(shù)參數(shù)： 輸出： 420mA 量程： 50+50℃ 精度：177。 ℃ 最大壓力： 0200 psi（明渠）， 50psi（管道） 工作電壓： 224VDC 工作電流：傳感器輸出 預熱時間： 5s，最少 工作溫度 50~+100℃ 探頭： 316 不銹鋼 探頭尺寸： 直徑 長（明渠）， 直徑 長（管道） pH 值傳感 器的原理與選擇 在 pH 值傳感器的選擇上，我們同樣先列出各種不同類型的 pH 值傳感器，再根據(jù)其特點選擇適合本系統(tǒng)的傳感器。 pH值傳感器依據(jù)測量原理的不同主要分為兩種：光學比色法和電化學法。 光學比色法的測量原理是將定量的待測溶液通過蠕動泵泵入反應池與 DPD指示劑反應變色，色度儀根據(jù)顏色強度的變化確定 pH 值。這種測量方法不受溶液 pH值變化的影響，但是實時性比較差，響應速度為分鐘級，而且該型傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，故障率高，使用時要消耗藥劑，費用高，維護工作量大。正因為它的這些特點，該型傳感器已經(jīng)面臨淘汰。 下面重點 介紹電化學法傳感器。電化學法傳感器的基本原理是在被測溶液中插入兩圖 33 WQ101水溫傳感器 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 19 個不同的電極，電位隨液氫離子濃度的改變而變化，稱為工作電極；另一個電極有固定的電位，稱為參比電極。這兩個電極形成一個原電池 ， 測量兩電極間的電勢就可以知道被測溶液的 pH 值。 常用的參比電極有甘汞電極和銀 氯化銀電極。 在溶液 pH 值的測定中使用最普遍的參比電極是甘汞電極。甘汞電極由一個內(nèi)電極裝入一個玻璃外殼制成。內(nèi)電極的引線下端浸入汞中，汞下面裝有糊狀的甘汞（甘汞由Hg2Cl2t和 Hg共同研磨后加入 KCl溶液調(diào)制而成），并用浸在氯化鉀 溶液中的纖維絲堵塞。下部為溶液通道（一般為多孔陶瓷制成）。氯化鉀溶液作為鹽橋（氯化鉀鉀離子和氯離子的濃度較接近，可使液接界電位減到最小）。鹽橋連接電極被通路。由能斯特公式，甘汞電極的電位為： ][ ??? ClinFRTEE n （ 37） 式中 nE —— 電極的標準電位； R—— 氣體常數(shù)； T—— 溶液的絕對溫度； F—— 法拉第常數(shù)； [Cl]—— 氯離子濃度。 由此可見，甘汞電極的電位取決于氯離子 [Cl]的濃度，改變 氯離子濃度就能得到不同的電極電位。 采用不同濃度的氯化鉀溶液，可以制得不同電位的甘汞電極。甘汞電極可分為飽和式、 式、 IN式和 式等幾種，常用電飽和式甘汞電極，因為飽和氯化鉀溶液的濃度易于保持。當氯化鉀溶液為飽和，溫度為 25℃時，甘汞電極的電位為 E=+。 甘汞電極結(jié)構(gòu)簡單，電位較穩(wěn)定，但電極電位受溫度影響較大。 氯化銀電極 銀 氯化銀電極的原理與甘汞電極相似，對于飽和的氯化銀溶液，在 25℃時其電極電位 E=+，這種電極結(jié)構(gòu)比較簡單，電極電位在溫度較高時仍然較穩(wěn)定。 pH值傳感器的工作電極有玻璃電極、氫醌電極和銻電極等。工業(yè)上主要用的是玻璃電極，銻電極主要用于測量半固體、膠狀物及水油混合物中的 pH值。這里主要介紹玻璃電極。當玻璃電極插入測試液體時，在 pH 敏感玻璃膜內(nèi)溶液（參比溶液）和被測蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 20 溶液之間建立起氫離子的平衡狀態(tài)，此時的電極電勢為： ][ ][lg3 0 0???? HHF RTEE a （ 38） 式中 Ea—— 不對稱電位； [H+]0—— 參比溶液的氫離子濃度。 對于給定的玻璃電極， [H+]0是一個常數(shù)，則電極電位只與被測溶液氫離子濃度有函數(shù)關(guān)系。 同樣玻璃電極受溫度的影響較大，必須把溫度補償電阻接入測量電路，以補償溫度對 pH 值測量的影響。玻璃電極的正常工作溫度在 10~55℃之間。 綜合以上分析，我們選擇電化學法傳感器作為 pH值傳感器。經(jīng)過比較多種不同品牌的多款產(chǎn)品，我們最終選定 GlobalWater 公司的 WQ201 pH 值傳感器，它具有以下技術(shù)參數(shù)： 輸出： 420mA 量程： 014pH 精度： 2%全量程 最大壓力： 40psi 工作電壓： 224VDC 工作電流：傳感器輸出 預熱時間： 3s，最少 工作溫度 5~+50℃ ，具有溫度補償功能 探頭： 316 不銹鋼 探頭尺寸： 直徑 長（明渠）， 直徑 長（管道） 濁度傳感器的原理與選擇 由于水中含有懸浮及膠體狀態(tài)的微粒，使得原來無