一种新型海水盐度测量技术
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摘要：该文提出了一种新型电导法测量海水盐度的技术方案，该方案采用交流自动平衡电桥测量法，以防止海水电解，同时能够达到高的测量精度。该测量方案采用全数字技术实现程控方波交流激励，并采用积分零点偏移自动校正方法消除激励源波形的不对称性，克服直流电解效应；桥路的自动平衡电压由高精度（18位）DAC发出，非平衡桥路电压经高灵敏数字检流计检出，CPU按照逐次逼近的算法逐位调节DAC的值，达到电桥平衡，从而实现了桥路的自动测量。
关键词：电导法；平衡电桥；逐次逼近
中图分类号：TP29 文献标识码：B 文章编号：1009-3044(2011)10-2408-03
A New Technology of the Salinity Measurement
DIAO Zhen-wei, LIU Lan-jun
(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)
Abstract: The paper presents a new technology project of the salinity measurement of the seawater based on conductivity method. The project uses the ac automatic balance-bridge measurement method to prevent the electrolysis of the sea water and achieve high measurement accuracy. The measurement program implements the square wave AC excitation with full-digital technology, and auto-calibration method with the integral of the zero offset to eliminate the asymmetry of wave excitation in order to overcome the effect of the direct current electrolysis effect. The voltage of the automatic balance branch comes from the DAC with 18-bit solution, and the digital galvanometer with high sensitivity judges the non-equilibrium bridge voltage. The CPU regulates the DAC bit by bit with the successive approximation method until the bridge reach balance in order to achieve the automatic measurement.
Key words: conductivity method; balanced bridge; successive approximation
随着海洋研究事业的蓬勃发展，海水盐度作为水文研究中重要的参数之一，它的测量越来越重要，并且其精度要求也越来越高。为此需要研制一批具有国际先进水平的海水盐度计并使其达到产业化，提高我国海洋生态环境快速现场监测能力和海洋动力环境立体监测能力，从整体上提高我国海洋监测技术水平。
在电极式实验室海水电导盐度计的863定型项目中，针对前期自动化程度比较低、测量精度不高和操作不方便等缺点，本文基于SOPC技术提出了一种新型海水盐度的测量技术，既提高了测量精度，同时也实现了全自动化测量。
1 电导法测量海水盐度的原理简介
本章节将对电导法测量海水盐度的原理进行介绍，首先介绍一些盐度测量过程中遇到的基本概念，然后具体介绍测量原理。
1.1 基本概念
1）实用盐度[1]
实用盐度是盐度值的一个表示方法，它的计算公式如下：
(1)
式中：a0＝0.0080， a1＝-0.1692，a2＝25.3851，a3＝14.0941，a4＝-7.0261，a5＝ 2.7081，K＝0.0162，b0＝0.0005，b1＝－0.0056，b2＝－0.0066，b3＝－0.0375，b4＝0.0636，b5＝－0.0144。
Rt是指在温度为15℃，一个标准大气压下，海水样品的电导率与相同温度和压力下，质量比为32.4356×10－3的氯化钾溶液的电导率的比值。
t是海水的温度，它可通过传感器或测温电路求出，只要求出Rt的值，根据式(1)即可把海水的实用盐度求出。
注：式(1)适用的实用盐度范围为：2 ≤ S ≤42
2）电导率[2]
电导率是指往相距1cm的两平行金属板电极间充1cm3电解质溶液所具有的电导，电导率γ与电导S和电极几何尺寸间的关系如下：
γ= K * S (2)
式中：K＝l/A，为电极常数或电导池结构常数，其中l为两平行板极间距，A为板极面积，如一对具有1cm准确间距、每个面积为1cm2的电极的K值为1。
1.2 电导法测量海水盐度的基本原理
前一节介绍了电导法测量海水盐度的公式，通过分析得出，只要求出海水Rt的值即可求出其盐度，下面通过平衡电桥法给出求解Rt的基本原理，图 1所示为平衡电桥测量原理简图，其中，Rc、Rs分别为待测海水电导池电阻和标准海水电导池电阻，R1、R2为精密可调电阻，Ra为限流电阻。
标准海水的盐度不一定为实用盐度定义中盐度为35的标准海水，但它相对盐度为35的标准海水的电导率比必须是已知的，设所选标准海水的电导率为γs,t,0，待测海水的电导率为γc,t,0，盐度为35的海水的电导率为γ35,t,0，根据电导率比的定义可得以下推导：
(3)
设待测海水和标准海水的电导池结构常数分别为K1和K2，根据电导率的定义可得以下推导：
(4)
当调节R1和R2的值使电桥达到平衡时，可得下式：
(5)
将式(4)和式(5)代入式(3)可得：
(6)
从式(6)可知：γs,t,0和γ35,t,0 的比值已知，R1和R2的值可以得出，因此只要能求出K1和K2 的比值就可求出Rt，下面给出求解方法。将两个电导池注入相同的标准海水，调整R1和R2使电路平衡，假设当R1和R2的值调至R1′和R2′时电路平衡，这时可推导出：
(7)
通过式(7)可以求出K1和K2的比值，然后代入式(6)得到Rt的值。通过传感器测量出温度t的值后，将其与Rt的值带入盐度计算公式，即可求出海水盐度。
2 设计方案
本文基于电导法测量原理，提出来一种新型测量方案，测量系统结构框图如图2所示。该方案采用了全数字程控技术，根据功能组成，主要分为控制单元和测量单元两个部分。测量单元又分为数字激励源、标准自动调节支路、电导池待测支路和高灵敏数字检流计；控制单元主要进行控制数字激励源的合成、标准支路中DAC的调节、数字检流计中ADC的控制以及平衡的判断算法等一系列控制功能。
2.1 FPGA控制单元[3]
考虑到人机界面、自动水路取样控制阀操作以及测量的全程控高速需要，本设计方案采用了高性能SOPC技术解决方案。控制单元为ALTERA公司的新型Cyclone（飓风）系列中的EP1C12芯片，该芯片采用BGA封装，共249个I/O口，1.2万个逻辑单元，含239,616 RAM bits,系统设计中所有高速逻辑模块、复杂计算的CPU（32bits Nios II处理器）、各种接口以及特殊的定制IP核逻辑均集成在这款FPGA单芯片里，完全满足系统设计的需要，保证了系统盐度测量和显示。
2.2 数字激励源
激励源是为标准支路和待测支路提供激励的，它的精度将直接影响系统的性能。如图3所示，本设计采用16位DAC（LTC2753）的数字合成方式，激励源的幅值、频率和波形都可以自由更改。结合海水的电导特性，本文在实际测量时，将激励源幅值设为2.5V，频率设为1khz，波形设为方波交流激励。考虑到DAC本身的驱动能力不足，设计中对DAC的输出进行了双极性变换。
为防止海水电解，本文还采用积分零点偏移自动校正方法消除激励源波形的不对称性。 如图3所示，通过滤波电路从激励源的输出选出直流信号，将其与零点参考电位进行比较并进行反相积分，然后将其接入双极性变换电路的同相端实现负反馈调节，从而实现激励源波形的对称性。
2.3 标准自动调节支路
传统电桥的标准调节支路采用电阻箱分压匹配待测支路输出电压的方式，由于电阻箱的调节方式需要手动调节，无法实现自动调节方式。为实现全自动调节方式，本设计使用程控DAC的方式（如图 2所示）来实现标准支路，使标准支路数字化，实现系统的数字控制和自动化测量。
根据平衡电桥测量原理，标准调节支路的精度将直接影响盐度的测量精度，为实现高分辨率和高精度的测量，本文选择凌特公司的LTC2757芯片作为标准支路的DAC，该芯片具有以下特性：
1）18位分辨率。
2）非线性误差：在温度允许范围内（LTC2757I为-40～85℃,完全满足测量环境）为 1LSB。
3）输出建立时间（settling time） 为2.1μs。
4）六个可编程输出范围：单极性输出0V-5V和0V-10V;双极性输出5V、 10V、 2.5V和-2.5-7.5V。
由于设计的需要，本文选用了18位DA的17位精度（舍去一位），即可以得到1/2^17的精度。此外，通过非平衡电桥法经高灵敏数字检流计还可以对精度进行扩展。
2.4 高灵敏数字检流计
传统的检流计部分采用的是微安表指针位置的读取，而微安表的读取是通过人的视觉进行判断，必然会产生很大的误差，也无法实现自动调节，本文提出一种新型高灵敏数字检流计设计方案。
如图4所示，设计时Ua和Ub反相，所以叠加时为同相叠加。本文设计的数字检流计的原理是将桥路叠加后的非平衡信号进行2500倍放大，再经ADC转换成数字量，由CPU进行处理。此外，图中添加的电容是来滤除高频噪声的。
为分辨出标准支路中DAC调节引起的非平衡电桥信号并实现系统的高速测量，本文选择12位高速的串行AD芯片AD7895实现模数转换功能。
如图 5所示，方波待测信号Ua和方波标准信号Ub在沿跳变时响应速度不一致，导致经一次放大后的非平衡信号Uo在此处会产生一个较大值，再经过一级较大的放大后会导致信号失真，并把方波平台拉起（如图 5中的Uo2所示），导致系统的测量误差变大。
为解决上述问题，本文在一次放大电路后添加模拟开关，在到达沿跳变前使模拟开关关断，相当于第二级放大电路的输入端接入直流信号，此时放大后的有效交流输出信号为0，证明该设计可以将第一级放大电路的输出Uo产生的较大信号去除。当Uo趋于平稳时，使模拟开关导通，提供AD采样平台。为了使有效平台尽量长，模拟开关的导通时间段需要实验测试确定。
2.5 平衡调节算法
在经两级放大后的非平衡信号上的正负平台上分别选取一段平稳的平台段Up和Un，每段对应采集30个点，采用高速自动采样设计连续采集20个周期，将采样点转换后的数字量求和取平均值。设Up段和Un段平均值分别为Us和Ut，并规定当待测支路信号Ua大于标准支路信号Ub的幅值时，Us>Ut。本文采用逐次逼近的算法通过调节标准支路中的DAC，实现电桥的平衡，算法流程图如图 6所示，其中，DAC的位数为N，i为循环次数。
3 实验
按照图2所示，搭建系统。为验证系统电路的正确性，首先用电阻代替海水进行测量，所选电阻的精度均为千分之一，温漂系数为25ppm。观察标准支路中的DAC值的稳定性，得到的实验数据如表1所示，其中，待系统上电后10分钟左右（等电路稳定后）开始测量。
表1 测量对象为电阻的实验数据
由于待测电阻和标准电阻的精度均为千分之一，经计算，表1中所得DAC的值均在误差允许范围之内，所以保证了测量准确度。此外，表1中DAC的变化最大值也仅有1LSB，所以稳定性很高，从而验证了本文提出的测量方案。
配置一批已知盐度的盐水样品，使用上面的系统分别对其测量，进行实测盐度的准确性和稳定性实验。实验时，待系统上电后10分钟左右（等电路稳定后）开始测量，对每一组盐水测量时间为8小时，每1分钟自动测量一次，对测量的结果进行分析处理，得到的实验数据如表2所示。
通过表2可以得出以下结论：
1）实测盐度的准确性：实测盐度与实际盐度有些偏差，导致这些误差有很多因素，例如与电导池连接的线路被当做盐水的一部分或一些噪声信号的干扰等。其中与电导池连接的线路为主要因素，这个因素可以通过线性化标定去除。
2）实测盐度的稳定性：与表1比较，当测量对象为盐水时，实测盐度的稳定性变的比较差，原因可能是电阻的稳定性高，盐水在做电导时容性和感性比较大，影响整体电路的特性，或者盐水的等效电导在通电时由于本身特性或激励源的影响会发生变化，所以应该对该因素进行特殊处理。
4 总结与展望
本文介绍了一种新型电导法测量海水盐度的技术，对其原理进行了详细的阐述和论证，最后进行了实验验证，证明了测量方法的正确性。同时也指出了由于盐水的电导特性比较复杂，测量结果不如像对电阻测量一样稳定的原因，在以后的实验调试中将会针对该原因进行改进。
参考文献：
[1] 包万友,刘喜民,张昊.盐度定义狭义性与广义性[J].海洋学报,2001,23(2):52-56.
[2] Bradshaw A L,Schleicher K E.海水电导率[J].海洋技术,1982,1(3):104-120.
[3] 李兰英.NiosⅡ嵌入式软核SOPC设计原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.