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1、(10)申请公布号 CN 102854275 A (43)申请公布日 2013.01.02 CN 102854275 A *CN102854275A* (21)申请号 201210264860.7 (22)申请日 2012.07.29 G01N 30/64(2006.01) (71)申请人 安徽皖仪科技股份有限公司 地址 230088 安徽省合肥市高新区天达路 71 号华亿科技园 B 幢皖仪大厦 (72)发明人 杨鑫盛 (74)专利代理机构 安徽合肥华信知识产权代理 有限公司 34112 代理人 余成俊 (54) 发明名称 基于 DSP 的离子色谱数字电导检测装置 (57) 摘要 本发明公开一。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4。
3、 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种基于 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。
4、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。
5、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。
6、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 D。
7、SP 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。
8、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。 权 利 要 求 书 CN 102854275 A 2 1/4 页 3 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。
9、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，。
10、 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 - 型 ADC 来获取较低的噪声， 。
11、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。
12、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 说 明 书 CN 102854275 A 3 2/4 页 4 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。
13、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。
14、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， 。
15、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， 。
16、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 TMS320。
17、F28335。 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。
18、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。 说 明 书 CN 102854275 A 4 3/4 页 5 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，。
19、 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， 为初始相位。 0023 - 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。 。
20、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 换式直流微电流放大器的灵敏度可达到 10-15 ， 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。 说 明 书 CN 102854275 A 5 4/。
21、4 页 6 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。
22、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。
23、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。
24、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。
25、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。
26、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 0 ； 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 =K*G+0， 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。 说 明 书 CN 102854275 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102854275 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102854275 A 8 。