基于DSP的离子色谱数字电导检测装置转让专利
申请号 : CN201210264860.7
文献号 : CN102854275B
文献日 : 2014-11-12
发明人 : 杨鑫盛
申请人 : 安徽皖仪科技股份有限公司
摘要 :
本发明公开一种基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，包括有数字电导检测器电路板和电导检测池，从测量电路和信号处理上摒弃离子色谱电导检测器传统思路，采用DSP产生数字可编程正弦交流激励信号施加到电导传感器上，使用基于微电流运放的I/V电流检测和带缓冲输入的差分电压检测方法检测出电极电压和电流，通过直接交流同步采样，依托DSP实现数字正交相敏解调法将电导信号提取出来。另外，还可经过温度补偿后输出溶液的实时电导率。本发明有效的提升了离子色谱电导检测的灵敏度、精准度和检测范围，降低系统噪声和基线漂移。
权利要求 :
1.一种基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，包括有数字电导检测器电路板和电导检测池，电导检测池包括有一个池体，池体上设有两个管道，两个管道分别接于待测溶液容器、废液容器，待测溶液容器中装有待测溶液，池体中还设有电导传感器、温度传感器，温度传感器的信号输出端接入数字信号处理器DSP的片上的AD通道，电导传感器包括有激励电极1、4和采样电极2、3以及屏蔽电极5，其特征在于：所述的数字电导检测器电路板的电路包括数字信号处理器DSP、数模变换器一、低通滤波器一、数模变换器二、低通滤波器二、输入缓冲器电路一、输入缓冲器电路二、电极电流检测与放大电路、电极电压检测与放大电路、低通滤波器三、低通滤波器四、ADC驱动电路1、ADC驱动电路2、高速ADC电路，所述的数字信号处理器DSP与数模变换器一、低通滤波器一构成激励正弦信号产生电路，数字信号处理器DSP与数模变换器二、低通滤波器二构成调整正弦信号产生电路；所述的数字信号处理器DSP、数模变换器一、低通滤波器一、输入缓冲器电路一依次连接，数字信号处理器DSP与数模变换器一产生激励正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路一施加到电导传感器的激励电极1上，所述的数字信号处理器DSP、数模变换器二、低通滤波器二、输入缓冲器电路二依次连接，数字信号处理器DSP与数模变换器二产生的调整正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路二施加到电极电流检测与放大电路的前级放大器上；激励信号从激励电极1输入，经过电极间待测溶液后从激励电极4输出并连接到电极电流检测与放大电路的信号输入端，电极电流检测与放大电路检测出流过电导传感器的电流信号并进行I/V变换，转化后的电压信号接入低通滤波器三，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路1电路输出到高速ADC电路进行AD转换得出电极电流信号的采样值；电导传感器的采样电极
2、3分别连接到电极电压检测与差分放大电路的信号输入端，电极电压检测与差分放大电路检测出采样电极2、3间的电压信号，并将该电压信号接入低通滤波器四，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路2输出到高速ADC电路进行AD转换得出电极电压信号的采样值；高速ADC电路通过同步串行总线与数字信号处理器DSP的缓冲串口MCBSPB连接，电极电流信号的采样值和电极电压信号的采样值通过MCBSPB传输给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP通过对电极电流、电压信号的采样值进行数字锁相运算，通过数字正交相敏解调法解调出电极电压、电流值；通过辅助算法和二次数字滤波得出实际有用的电极电压U和电极电流I，求出待测溶液中离子的电导。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，其特征在于：所述的数字信号处理器DSP采用TMS320F28335。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，其特征在于：所述的数模变换器一采用DAC8801，数模变换器二采用ADS1174。
4.根据权利要求1所述的基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，其特征在于：所述的低通滤波器一、二、三均采用五阶巴特沃斯低通滤波器。
说明书 :
基于DSP的离子色谱数字电导检测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及电化学测量领域，具体涉及一种基于DSP的离子色谱数字电导检测装置。
背景技术
[0002] 离子色谱电导检测器基于Kohlraush定律和欧姆定律为理论基础。如图3所示，理论上我们只要测试检测电极的电压U和流过检测电极的电流I，即可求出溶液的电导G=I/U，然而实际溶液电导测量中受温度、双电层电容、电极极化、导线电阻、分布电容等影响，尤其是在低浓度样品测量时这些因素影响非常大，实际的电导信号将淹没在噪声信号中，不能准确测出。随着离子色谱应用越来越广泛，对离子色谱灵敏度、检测范围、噪声和漂移的要求也是越来越高，目前离子色谱这种传统检测方法和装置已成为离子色谱的发展的瓶颈，发明一种新的离子色谱电导检测方法和装置已迫在眉睫。
[0003] 现阶段离子色谱电导检测器主要采用二电极和四电极电导池进行检测，在电路测量方法主要采用文氏电桥的RC正弦波振荡器或晶体振荡器组成的正弦波或方波作激励信号，直接施加在电极上，电极电流检测主要是采用串电阻分压法，电极间电压二电极时直接从施加电极取电压采样，得出的交流电压、电流信号经放大处理后接二极管整流电路转成直流信号，再经单片机控制AD转换器输出电导信号。这一处理方法电路复杂，耗时，精度不高、漂移大；而且只能在离子中间浓度范围内使用。传统处理方法有如下五大缺点：
[0004] 1）激励信号频率固定，稳定幅值波动大，相位滞后；
[0005] 2）串联电阻分压法测电流降低了检测灵敏度和测量精度；
[0006] 3）使用复杂耗时的整流等后处理电路，增加了大量模拟器件，同时非线性敏感模拟器件使用会降低测量精度，增大温度的影响和基线的漂移；
[0007] 4）通过使用采样频率低的∑-Δ型ADC来获取较低的噪声，大大的降低了系统的延时，影响出峰的时间和检测的线性度；
[0008] 5）基于单片机的控制不适合进行大量数据运算，不能实现高效的滤波和数字信号处理算法，而这尤其在强噪声环境提取微弱信号所必须具备的能力。
[0009] 在中国专利申请号为201020207995.6中就提出采用24为ADC光耦隔离[0010] 采样方法来实现优化离子色谱信号采集，然而诸如提高ADC的分辨率、增大放大器的增益、提高激励信号幅值等方法，由于电路处理方法本身的局限，不能从根本上解决提高灵敏度、增大检测范围、减小噪声和漂移等问题，尤其在低浓度离子检测时，电导池传感器输出信号变化微弱，信道噪声的幅值和实际电导信号幅值相近，这些方法起不到任何作用，只能依靠有效的数字信号处理算法将有用信号从噪声中提取出来。
发明内容
[0011] 本发明旨在提供一种宽检测范围、高精灵敏度的基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，从测量电路的方法和装置上解决目前离子色谱存在的出峰延时、线性范围低、噪声和漂移大等问题，全面提升离子色谱检测器性能。
[0012] 本发明采用的技术方案是：
[0013] 基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，其特征在于：包括有数字电导检测器电路板和电导检测池，所述的数字电导检测器电路板的电路包括数字信号处理器DSP、数模变换器一、低通滤波器一、数模变换器二、低通滤波器二、输入缓冲器电路一、输入缓冲器电路二、电极电流检测与放大电路、电极电压检测与放大电路、低通滤波器三、低通滤波器四、ADC驱动电路1、ADC驱动电路2、高速ADC电路，所述的数字信号处理器DSP与数模变换器一、低通滤波器一构成激励正弦信号产生电路，数字信号处理器DSP与数模变换器二、低通滤波器二构成调整正弦信号产生电路；所述的电导检测池包括有一个池体，池体上设有两个管道，两个管道分别接于待测溶液容器、废液容器，待测溶液容器中装有待测溶液，池体中还设有电导传感器、温度传感器，温度传感器的信号输出端接入数字信号处理器DSP的片上的AD通道，电导传感器包括有激励电极1、4和采样电极2、3以及屏蔽电极5；所述的数字信号处理器DSP、数模变换器一、低通滤波器一、输入缓冲器电路一依次连接，数字信号处理器DSP与数模变换器一产生激励正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路一施加到电导传感器的激励电极1上，所述的数字信号处理器DSP、数模变换器二、低通滤波器二、输入缓冲器电路二依次连接，数字信号处理器DSP与数模变换器二产生的调整正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路二施加到电极电流检测与放大电路的前级放大器上；激励信号从激励电极1输入，经过电极间待测溶液后从激励电极4输出并连接到电极电流检测与放大电路的信号输入端，电流检测电路检测出流过电导传感器的电流信号并进行I/V变换，转化后的电压信号接入低通滤波器三，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路1电路输出到高速ADC电路进行AD转换得出电极电流信号的采样值；电导传感器的采样电极2、3分别连接到电极电压检测与差分放大电路的信号输入端，电极电压检测与差分放大电路检测出采样电极2、3间的电压信号，并将该电压信号接入低通滤波器四，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路2输出到高速ADC电路进行AD转换得出电极电压信号的采样值；高速ADC电路通过同步串行总线与数字信号处理器DSP的缓冲串口MCBSPB连接，电极电流信号的采样值和电极电压信号的采样值通过MCBSPB传输给数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP通过对电极电流、电压信号的采样值进行数字锁相运算，通过数字正交相敏解调法解调出电极电压、电流值；通过辅助算法和二次数字滤波得出实际有用的电极电压U和电极电流I，求出待测溶液中离子的电导。
[0014] 所述的数字信号处理器DSP采用TMS320F28335。
[0015] 所述的数模变换器一采用DAC8801，数模变换器二采用ADS1174。
[0016] 所述的低通滤波器一、二、三均采用五阶巴特沃斯低通滤波器。
[0017] 本发明的优点是：
[0018] 1、电导检测激励源信号采用DSP控制高速DAC产生的可编程正弦波，该正弦波可编程设置幅值、频率、相位，较目前电导检测激励方法上有两大先进性：
[0019] a由于溶液的电导在不同信号激励下有不同的响应，采用单一固定频率模式不能得到高分辨率的检测结果，频率可编程调节使我们方便针对不同浓度范围择优频率测量。
[0020] b由于正弦波由DSP存储标准波形序列产生，所以可精确实现数字锁相，消除了溶液、引线电容以及运放电路引起的相位偏差，提高信号检测准确度。
[0021] 2、采用高速ADC进行电流电压信号的交流同步采样；专业人士均知对于溶液电导检测，要消除电极的极化效应，施加的激励信号前处理电路，势必引入大量非线性模拟器件，从而增大了系统的噪声和漂移。然而采用交流同步采样法可以提高检测的线性度和灵敏度，实际使用大约30分钟能减少漂移2000uV。
[0022] 3、信号的提取方法我们采用数字正交相敏解调法，针对DSP的高速性能和超强的运算能力，由于标准信号为存储DSP控制存储序列输出，故可得出完全正交信号，设解调信号为U(n),i(n)和q(n)为标准正交信号。N为ADC的采样点数，φ为初始相位。
[0023] ------------------------------------------------ ①
[0024]
[0025]
[0026] N取偶数则根据三角函数正交特性可得出同相分量R和正交分量I：
[0027]
[0028]
[0029] 则相位： ；幅值：
[0030] 这一方法与目前离子色谱检测中所使用的方法相比，简化了电路，克服了模拟器件电压漂移、温度漂移和噪声等问题。而DSP直接控制保证了参考信号和被测信号的精确同步，解调精度高，尤其在低浓度检测中优势明显，抗噪声性能更好。
[0031] 4、对于电极间电流的测量采用微电流运放进行I/V转换实现电流检测，该I-V变-15换式直流微电流放大器的灵敏度可达到10 ，这一方法较目前串联电阻采样，减小回路阻抗，提高了响应灵敏度，减小了噪声和漂移。
[0032] 5、通过电导传感器提供专门电压采样电极，使用带缓冲输入的差分电[0033] 压检测方法，不仅有效的抑制共模干扰，同时消除电极与引线阻抗引起的误差。附图说明：
[0034] 图1为本发明的装置示意图。
[0035] 图2为本发明的主电路方框图。
[0036] 图3为本发明系统检测原理框图。具体实施方式：
[0037] 如图1、2、3所示，基于DSP的离子色谱数字电导检测装置，包括有数字电导检测器电路板1和电导检测池，数字电导检测器电路板1的电路包括数字信号处理器DSP8、数模变换器9、低通滤波器10、数模变换器11、低通滤波器12、输入缓冲器电路13、输入缓冲器电路14、电极电流检测与放大电路15、电极电压检测与放大电路16、低通滤波器17、低通滤波器
20、ADC驱动电路18、ADC驱动电路21、高速ADC电路19，数字信号处理器DSP8与数模变换器9、低通滤波器10构成激励正弦信号产生电路，数字信号处理器DSP8与数模变换器11、低通滤波器12构成调整正弦信号产生电路；电导检测池包括有一个池体2，池体2上设有两个管道3，两个管道3分别接于待测溶液容器4、废液容器5，待测溶液容器4中装有待测溶液，池体中还设有电导传感器6、温度传感器7，温度传感器7的信号输出端接入数字信号处理器DSP8的片上的AD通道，电导传感器5包括有激励电极1、4和采样电极2、3以及屏蔽电极5；数字信号处理器DSP8、数模变换器9、低通滤波器10、输入缓冲器电路13依次连接，数字信号处理器DSP8与数模变换器9产生激励正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路13施加到电导传感器6的激励电极1上，数字信号处理器DSP8、数模变换器11、低通滤波器12、输入缓冲器电路14依次连接，数字信号处理器DSP8与数模变换器11产生的调整正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路14施加到电极电流检测与放大电路15的前级放大器上；激励信号从激励电极1输入，经过电极间待测溶液后从激励电极4输出并连接到电极电流检测与放大电路15的信号输入端，电流检测电路检测出流过电导传感器6的电流信号并进行I/V变换，转化后的电压信号接入低通滤波器17，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路18电路输出到高速ADC电路19进行AD转换得出电极电流信号的采样值；电导传感器6的采样电极2、3分别连接到电极电压检测与差分放大电路16的信号输入端，电极电压检测与差分放大电路16检测出采样电极2、3间的电压信号，并将该电压信号接入低通滤波器20，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路21输出到高速ADC电路19进行AD转换得出电极电压信号的采样值；高速ADC电路19通过同步串行总线与数字信号处理器DSP8的缓冲串口MCBSPB连接，电极电流信号的采样值和电极电压信号的采样值通过MCBSPB传输给数字信号处理器DSP8，数字信号处理器DSP8通过对电极电流、电压信号的采样值进行数字锁相运算，通过数字正交相敏解调法解调出电极电压、电流值；通过辅助算法和二次数字滤波得出实际有用的电极电压U和电极电流I，求出待测溶液中离子的电导。
20、ADC驱动电路18、ADC驱动电路21、高速ADC电路19，数字信号处理器DSP8与数模变换器9、低通滤波器10构成激励正弦信号产生电路，数字信号处理器DSP8与数模变换器11、低通滤波器12构成调整正弦信号产生电路；电导检测池包括有一个池体2，池体2上设有两个管道3，两个管道3分别接于待测溶液容器4、废液容器5，待测溶液容器4中装有待测溶液，池体中还设有电导传感器6、温度传感器7，温度传感器7的信号输出端接入数字信号处理器DSP8的片上的AD通道，电导传感器5包括有激励电极1、4和采样电极2、3以及屏蔽电极5；数字信号处理器DSP8、数模变换器9、低通滤波器10、输入缓冲器电路13依次连接，数字信号处理器DSP8与数模变换器9产生激励正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路13施加到电导传感器6的激励电极1上，数字信号处理器DSP8、数模变换器11、低通滤波器12、输入缓冲器电路14依次连接，数字信号处理器DSP8与数模变换器11产生的调整正弦信号，经滤波处理后，再经输入缓冲器电路14施加到电极电流检测与放大电路15的前级放大器上；激励信号从激励电极1输入，经过电极间待测溶液后从激励电极4输出并连接到电极电流检测与放大电路15的信号输入端，电流检测电路检测出流过电导传感器6的电流信号并进行I/V变换，转化后的电压信号接入低通滤波器17，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路18电路输出到高速ADC电路19进行AD转换得出电极电流信号的采样值；电导传感器6的采样电极2、3分别连接到电极电压检测与差分放大电路16的信号输入端，电极电压检测与差分放大电路16检测出采样电极2、3间的电压信号，并将该电压信号接入低通滤波器20，滤波后的电压信号通过ADC驱动电路21输出到高速ADC电路19进行AD转换得出电极电压信号的采样值；高速ADC电路19通过同步串行总线与数字信号处理器DSP8的缓冲串口MCBSPB连接，电极电流信号的采样值和电极电压信号的采样值通过MCBSPB传输给数字信号处理器DSP8，数字信号处理器DSP8通过对电极电流、电压信号的采样值进行数字锁相运算，通过数字正交相敏解调法解调出电极电压、电流值；通过辅助算法和二次数字滤波得出实际有用的电极电压U和电极电流I，求出待测溶液中离子的电导。
[0038] 数字信号处理器DSP8采用TMS320F28335。
[0039] 数模变换器9采用DAC8801，数模变换器11采用ADS1174。
[0040] 低通滤波器10、12、17均采用五阶巴特沃斯低通滤波器。
[0041] 通过高精度浮点数字信号处理器F28335为系统主控CPU，F28335时钟可达150MHz，二路多通道缓冲串口，可直接配置DMA模式。电导传感器中预置的温度传感器将温度信号传送到F28335的片上AD通道AD0和AD1，得出当前温度t，通过内置温度补偿表求出电导率的温度补偿值к0；根据测量标定的电导传感器的常数K，求出实际溶液电导率к=K*G+к0，将电导率数据压缩编码后经RS232通信电路发送到上位机工作站和仪器显示屏，通信波特率设置为115200。