肥液pH值和電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

2020 年6 月 June2020 第38 卷 第6 期 Vol 38 No 6 馮 瑞 玨 肥 液pH 值 和 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 的 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 馮 瑞 玨 1 王 智 東 2 李 志 鋒 1 1 華 南 理 工 大 學(xué) 廣 州 學(xué) 院 電 氣 工 程 學(xué) 院 廣 東 廣 州510800 2 華 南 理 工 大 學(xué) 電 力 學(xué) 院 智 慧 能 源 工 程 技 術(shù) 研 究 中 心 廣 東 廣 州510640 收 稿 日 期 2019 09 18 修 回 日 期 2019 11 25 網(wǎng) 絡(luò) 出 版 時(shí) 間 2020 05 27 網(wǎng) 絡(luò) 出 版 地 址 基 金 項(xiàng) 目 廣 東 省 自 然 科 學(xué) 基 金 博 士 科 研 啟 動(dòng) 基 金 資 助 項(xiàng) 目 2017A03030288 華 南 理 工 大 學(xué) 廣 州 學(xué) 院 杰 出 青 年 教 師 資 助 項(xiàng) 目 JQ180001 第 一 作 者 簡(jiǎn) 介 馮 瑞 玨 1985 女 廣 東 羅 定 人 講 師 674853429 主 要 從 事 電 氣 信 息 技 術(shù) 研 究 通 信 作 者 簡(jiǎn) 介 王 智 東 1980 男 廣 東 海 豐 人 高 級(jí) 實(shí) 驗(yàn) 師 博 士 zdwang 主 要 從 事 電 氣 智 能 化 研 究 摘 要 為 實(shí) 現(xiàn) 肥 液pH EC 的 快 速 在 線 檢 測(cè) 設(shè) 計(jì) 了 一 種pH EC 測(cè) 量 儀 主 要 由MSP430F2132 單 片 機(jī) pH EC 傳 感 器 電 源 穩(wěn) 壓 模 塊 人 機(jī) 交 互 界 面 pH 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 EC 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 等 組 成 通 過(guò) 配 制9 種 不 同pH 的 溶 液 在10 40 范 圍 內(nèi) 測(cè) 試 了 溫 度 對(duì)pH 值 的 影 響 并 與 經(jīng) 驗(yàn) 方 程 的 計(jì) 算 值 作 對(duì) 比 結(jié) 果 表 明 在 適 合 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 的 土 壤 環(huán) 境 pH 值 為6 5 7 5 中 由 溫 度 引 起 的 測(cè) 量 誤 差 可 忽 略 以1 0 19 5ms cm 范 圍 內(nèi) 的195 種 不 同 電 導(dǎo) 率 值 溶 液 為 待 測(cè) 肥 液 試 驗(yàn) 確 定 了 采 用8 檔 電 阻 分 檔 測(cè) 量 模 式 其 測(cè) 量 激 勵(lì) 信 號(hào) 為 幅 值 3 5V 頻 率4kHz 的 方 波 信 號(hào) 并 進(jìn) 行 了 電 導(dǎo) 率 的 溫 度 補(bǔ) 償 對(duì) 測(cè) 量 儀 進(jìn) 行 了 標(biāo) 定 與 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 pH 值 測(cè) 量 的 最 大 絕 對(duì) 誤 差 為 0 04 EC 值 測(cè) 量 的 絕 對(duì) 誤 差 在 0 1ms cm 內(nèi) 能 在 農(nóng) 業(yè) 工 程 上 滿 足 要 求 關(guān) 鍵 詞 肥 液 肥 液 濃 度 pH 值 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 中 圖 分 類 號(hào) S224 21 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號(hào) 1674 8530 2020 06 0643 06 Doi 10 3969 j issn 1674 8530 19 0246 開(kāi) 放 科 學(xué) 資 源 服 務(wù) 標(biāo) 識(shí) 碼 OSID 馮 瑞 玨 王 智 東 李 志 鋒 肥 液pH 值 和 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 的 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) J 排 灌 機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 2020 38 6 643 648 FENGRuijue WANGZhidong LIZhifeng DesignandexperimentonfertilesolutionpHvalueandelectricalconductivitymeasuring instrument J Journalofdrainageandirrigationmachineryengineering JDIME 2020 38 6 643 648 inChinese DesignandexperimentonfertilesolutionpHvalueandelectrical conductivitymeasuringinstrument FENGRuijue 1 WANGZhidong 2 LIZhifeng 1 1 SchoolofElectricalEngineering GuangzhouCollegeofSouthChinaUniversityofTechnology Guangzhou Guangdong510800 China 2 ResearchCenterofSmartEnergyTechnology SchoolofElectricPower SouthChinaUniversityofTechnology Guangzhou Guangdong510640 China Abstract Inordertorealizerapidandon sitedetectionoffertilesolutionpH EC oneinstrumentwas designed whichwascomposedofMSP430F2132 pH ECsensor regulatedpowermodule human computerinterface pH ECsignalprocessingcircuit ECsignalprocessingcircuit etc Throughpre paring9differentpHsolutionsbetween10 40 onetestfortheeffectoftemperatureonthepH valuewasmadebycomparingwiththecalculatedvalueofempiricalequation andtheresultshowsthat inthesoilenvironment 6 5 7 5pH whichissuitableforcropgrowth themeasurementerrorby temperaturecan be neglected 195 different kinds of fertile solution were tested whose EC value rangedfrom1 0to19 5ms cm andthetestused8gradesofresistancegradingmeasurementmode whosemeasuringexcitationsignalwassquarewavesignalwithamplitude 3 5Vand4kHzfrequency andtemperaturecompensationofECwasmade Thecalibrationandverificationtestofmeasuringin 排 灌 機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 第38 卷 strumentshowthatthemaximumabsolutemeasuredvalueerrorsofpHandECare0 04andwithin 0 1ms cm whichcanmeettherequirementsofagriculturalengineering Keywords fertilesolution fertilesolutionconcentration pHvalue electricalconductivity measuringinstrument 在 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 向 精 準(zhǔn) 農(nóng) 業(yè) 轉(zhuǎn) 型 的 過(guò) 程 中 水 肥 一 體 化 自 動(dòng) 灌 溉 技 術(shù) 得 到 廣 泛 關(guān) 注 并 在 實(shí) 際 農(nóng) 業(yè) 工 程 中 得 到 普 及 其 優(yōu) 勢(shì) 是 根 據(jù) 農(nóng) 作 物 在 不 同 的 生 長(zhǎng) 階 段 所 需 的 養(yǎng) 分 不 同 精 確 調(diào) 節(jié) 肥 液 的 濃 度 促 進(jìn) 農(nóng) 作 物 的 生 長(zhǎng) 有 效 地 利 用 水 資 源 和 化 肥 資 源 水 肥 一 體 化 灌 溉 已 成 為 發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 一 種 標(biāo) 準(zhǔn) 的 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 代 化 作 業(yè) 方 式 1 2 目 前 為 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 灌 溉 系 統(tǒng) 對(duì) 肥 液 濃 度 的 實(shí) 時(shí) 在 線 檢 測(cè) 常 用 電 導(dǎo) 率EC 值 和pH 值 的 肥 液 濃 度 檢 測(cè) 方 法 國(guó) 內(nèi) 外 大 多 數(shù) 自 動(dòng) 化 施 肥 灌 溉 系 統(tǒng) 均 采 用 此 檢 測(cè) 模 式 如 新 西 蘭 研 發(fā) 的AutogrowSystems 系 統(tǒng) 美 國(guó) 的Intellidose 系 統(tǒng) 等 李 加 念 等 3 袁 洪 波 等 4 戚 艷 艷 5 所 設(shè) 計(jì) 的 肥 液 或 營(yíng) 養(yǎng) 液 在 線 自 動(dòng) 混 合 灌 溉 系 統(tǒng) 中 通 過(guò) 實(shí) 時(shí) 檢 測(cè) 灌 溉 肥 液 的EC 值 和 pH 值 實(shí) 行 按 需 施 肥 達(dá) 到 高 效 精 確 灌 溉 的 目 的 當(dāng) 前 對(duì) 水 肥 一 體 化 灌 溉 系 統(tǒng) 的 研 究 集 中 在 灌 溉 系 統(tǒng) 的 研 制 或 各 部 件 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 優(yōu) 化 對(duì) 肥 液 濃 度 和 pH 值 的 在 線 檢 測(cè) 的 相 關(guān) 技 術(shù) 還 較 少 提 及 為 提 高 水 肥 一 體 化 灌 溉 中 肥 液 濃 度 的 測(cè) 量 精 確 度 和 實(shí) 現(xiàn) 肥 液 濃 度 的 在 線 檢 測(cè) 文 中 設(shè) 計(jì) 一 款 肥 液pH 值 和 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 并 通 過(guò) 試 驗(yàn) 驗(yàn) 證 其 測(cè) 量 的 準(zhǔn) 確 性 測(cè) 量 儀 可 以 獨(dú) 立 使 用 通 過(guò) 人 機(jī) 交 互 界 面 直 觀 顯 示 數(shù) 值 也 可 通 過(guò) 串 口 將 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 至 自 動(dòng) 化 施 肥 系 統(tǒng) 中 可 為 水 肥 一 體 化 灌 溉 系 統(tǒng) 反 饋 肥 液 濃 度 信 息 1 測(cè) 量 儀 設(shè) 計(jì) 及 原 理 1 1 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 測(cè) 量 儀 主 要 由 電 源 穩(wěn) 壓 模 塊 MSP430F2132 單 片 機(jī) EC 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 pH 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 溫 度 采 集 電 路 人 機(jī) 交 互 界 面 和2 個(gè)EC pH 傳 感 器 組 成 如 圖1 所 示 采 用TI 公 司 的MSP430F2132 單 片 機(jī) 為 微 處 理 器 以6V 蓄 電 池 作 為 電 源 通 過(guò) 電 源 穩(wěn) 壓 模 塊 將 電 壓 轉(zhuǎn) 換 成 合 適 的 電 壓 為 各 模 塊 供 電 人 機(jī) 交 互 界 面 用 于 讀 取EC 值 和pH 值 同 時(shí) 配 置 按 鍵 用 于 進(jìn) 行pH EC 的 標(biāo) 定 pH EC 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 將 從pH EC 傳 感 器 采 集 到 的 信 號(hào) 傳 送 至 單 片 機(jī) 進(jìn) 行 檢 測(cè) 處 理 溫 度 傳 感 器 將 所 測(cè) 肥 液 溫 度 反 饋 至 單 片 機(jī) 單 片 機(jī) 按 所 設(shè) 定 的 溫 度 補(bǔ) 償 公 式 對(duì) 實(shí) 時(shí) 檢 測(cè) 到 的EC 值 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 串 口 傳 輸 模 塊 可 連 接 水 肥 一 體 化 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 反 饋 肥 液 濃 度 信 息 圖1 測(cè) 量 儀 結(jié) 構(gòu) 框 圖 Fig 1 Structuralblockdiagramofmeasuringinstrument 1 2 測(cè) 量 原 理 1 2 1 pH 值 的 測(cè) 量 原 理 測(cè) 量 儀 采 用 電 位 分 析 法 電 位 分 析 法 由 電 極 和 待 測(cè) 溶 液 構(gòu) 成 原 電 池 系 統(tǒng) 將 化 學(xué) 反 應(yīng) 能 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 原 電 池 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 的 電 壓 信 號(hào) 稱 為 電 動(dòng) 勢(shì)E 該 電 動(dòng) 勢(shì) 與pH 值 存 在 線 性 關(guān) 系 即 在 同 一 溫 度 下 pH 的 數(shù) 值 變 化1 電 動(dòng) 勢(shì) 值 改 變59mV 并 符 合 式 1 所 示 的 能 斯 特 方 程 6 E E 0 2 3062pH RT NF 1 式 中 E 0 為 標(biāo) 準(zhǔn) 電 動(dòng) 勢(shì) E 為pH 電 極 所 產(chǎn) 生 的 電 動(dòng) 勢(shì) R 為 氣 體 常 數(shù) F 為 法 拉 第 常 數(shù) T 為 絕 對(duì) 溫 度 N 為 參 加 反 應(yīng) 的 得 失 電 子 數(shù) 1 2 2 pH 電 極 的 選 擇 及 其 溫 度 補(bǔ) 償 試 驗(yàn) 基 于 肥 液 可 能 出 現(xiàn) 過(guò) 酸 或 過(guò) 堿 的 情 況 選 用 測(cè) 量 范 圍 較 寬 的 上 海 羅 素 科 技 在 線pH 玻 璃 電 極 型 號(hào)8051 根 據(jù) 式 1 溫 度T 作 為 其 中 的 變 量 使 得 溶 液 pH 值 與pH 電 極 輸 出 電 動(dòng) 勢(shì) 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 受 到 一 定 的 影 響 為 了 獲 知 是 否 需 要 根 據(jù) 環(huán) 境 溫 度 對(duì) 其 進(jìn) 行 相 應(yīng) 的 補(bǔ) 償 進(jìn) 行 了 溫 度 對(duì)pH 值 的 影 響 試 驗(yàn) 試 驗(yàn) 中 分 別 以3 13 6 86 9 18 的 標(biāo) 準(zhǔn)pH 值 緩 沖 液 鹽 酸HCl 和 水 配 制 出 不 同pH 值 的 溶 液 以25 作 為 標(biāo) 準(zhǔn) 測(cè) 量 溫 度 pH 計(jì) 雷 磁pHS 3C 型 所 測(cè) 值 作 6 4 4 第6 期 馮 瑞 玨 等 肥 液pH 值 和 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 的 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 為 準(zhǔn) 確 值 智 能 水 浴 鍋 予 華 儀 器 有 限 責(zé) 任 公 司 生 產(chǎn) 型 號(hào) 為ZKYY 提 供 試 驗(yàn) 中 所 需 要 的 溫 度 數(shù) 字 萬(wàn) 用 表 型 號(hào) 為FLUKE18B 測(cè) 量pH 電 極 所 輸 出 的 電 壓 信 號(hào) 測(cè) 試 步 驟 隨 機(jī) 配 制9 種 不 同pH 的 溶 液 在10 40 范 圍 內(nèi) 以5 為 進(jìn) 階 測(cè) 量 pH 電 極 所 對(duì) 應(yīng) 的 電 壓 值 每 組 數(shù) 據(jù) 測(cè) 量10 次 取 其 平 均 值 作 為 最 終 值 對(duì) 比 分 析 同 一 種 溶 液 在 不 同 溫 度 下 所 對(duì) 應(yīng) 電 壓 值 的 差 別 以 步 驟 中25 所 得 的E pH 關(guān) 系 式 作 為 經(jīng) 驗(yàn) 方 程 配 制1 份 酸 性 溶 液 1 份 堿 性 溶 液 和1 份 中 性 溶 液 計(jì) 算 出 在 不 同 溫 度 下 按 經(jīng) 驗(yàn) 方 程 所 對(duì) 應(yīng) 的pH 值 對(duì) 比 分 析 誤 差 關(guān) 系 圖2 給 出 了 試 驗(yàn) 中9 種 溶 液 在 不 同 溫 度t 下 電 極 輸 出 的 電 壓 值E 與pH 值 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 所 示 直 線 為 在25 數(shù) 值 趨 勢(shì) 線 所 示 方 程 為 其 經(jīng) 驗(yàn) 方 程 由 圖2 可 得 不 同 溫 度 所 測(cè) 的 電 壓 值 基 本 重 合 在 直 線 上 但 也 有 不 同 程 度 的 偏 離 在 強(qiáng) 酸 性 溶 液 pH 值 0 3 00 中 溫 度 越 低 偏 離 直 線 值 越 大 而 在 堿 性 溶 液 中 溫 度 越 高 偏 離 直 線 越 大 表1 為 步 驟 中25 經(jīng) 驗(yàn) 方 程 在1 酸 性1 堿 性1 中 性 溶 液 中 的 計(jì) 算 結(jié) 果 其 中t 為 溫 度 pH A 為 標(biāo) 準(zhǔn) 值 pH C 為 計(jì) 算 值 E A 為 絕 對(duì) 誤 差 由 表 可 得 pH 值 為4 00 的 酸 性 溶 液 在 20 以 下 時(shí) 誤 差 最 大 為0 36 而pH 值 為7 00 的 中 性 溶 液 在 整 個(gè) 溫 度 測(cè) 量 范 圍 內(nèi) 較 為 穩(wěn) 定 pH 值 為 9 18 的 堿 性 溶 液 隨 溫 度 的 增 大 誤 差 呈 變 大 趨 勢(shì) 表 1 所 呈 現(xiàn) 結(jié) 果 與 圖2 所 表 現(xiàn) 的 一 致 圖2 不 同 溫 度 下pH 值 與 電 壓 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 Fig 2 CorrespondencebetweenpHvalueandvoltage atdifferenttemperatures 由 上 述 可 得 溫 度 對(duì) 強(qiáng) 酸 與 強(qiáng) 堿 的 影 響 較 大 而 在 弱 酸 弱 堿 pH 為6 50 9 00 影 響 不 明 顯 適 合 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 的 土 壤 環(huán) 境 一 般 為 中 性 或 弱 酸 性 弱 堿 性 為 宜 pH 值 在6 50 7 50 7 而 溫 度 對(duì) 此 范 圍 內(nèi) 的 影 響 所 造 成 的 誤 差 均 可 接 受 因 此 測(cè) 量 儀 在 進(jìn) 行pH 測(cè) 量 中 忽 略 其 溫 度 補(bǔ) 償 表1 按 經(jīng) 驗(yàn) 方 程 得 出 的 計(jì) 算 結(jié) 果 對(duì) 比 Tab 1 Comparisonsofcalculationresultsbased onempiricalequation T pH A pH C E A 4 00 4 36 0 36 10 7 00 7 01 0 01 9 18 8 89 0 29 4 00 4 34 0 34 15 7 00 7 00 0 00 9 18 9 01 0 17 4 00 4 21 0 21 20 7 00 7 00 0 00 9 18 9 05 0 13 4 00 4 08 0 08 25 7 00 7 01 0 01 9 18 8 89 0 29 4 00 4 04 0 04 30 7 00 6 99 0 01 9 18 8 86 0 32 4 00 4 02 0 02 35 7 00 7 01 0 01 9 18 8 90 0 28 4 00 4 06 0 06 40 7 00 7 02 0 02 9 18 8 91 0 27 1 2 3 電 導(dǎo) 率 的 測(cè) 量 原 理 肥 液 為 一 種 電 解 質(zhì) 溶 液 電 解 質(zhì) 溶 液 的 導(dǎo) 電 能 力 可 以 用 電 導(dǎo)G 電 導(dǎo) 率 表 示 電 導(dǎo)G X 是 溶 液 電 阻R X 的 倒 數(shù) 電 導(dǎo) 率 是 電 阻 率 的 倒 數(shù) R X 滿 足 電 阻 定 律 即 式 2 因 此 可 推 導(dǎo) 出 電 導(dǎo) 率 ms cm 計(jì) 算 公 式 3 R X L A 2 1 L A 1 R X K G X 3 式 中 L 為 電 導(dǎo) 電 極 兩 極 板 間 距 離 cm A 為 電 極 極 板 的 面 積 cm 2 K L A 為 電 極 常 數(shù) 電 極 結(jié) 構(gòu) 確 定 電 極 常 數(shù) 不 變 因 此 可 通 過(guò) 測(cè) 量 溶 液 的 電 阻 電 導(dǎo) 來(lái) 確 定 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 采 用 電 極 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 法 即 配 比 溶 液 法 電 阻 分 壓 原 理 來(lái) 測(cè) 量 電 導(dǎo) 率 1 2 4 激 勵(lì) 源 頻 率 選 擇 與 電 阻 分 檔 試 驗(yàn) 電 極 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 法 的 原 理 圖 如 圖3 所 示 其 中 激 勵(lì) 源E 的 恰 當(dāng) 選 擇 是 測(cè) 量 儀 精 確 測(cè) 量 的 基 礎(chǔ) 為 了 有 效 避 免 或 減 少 電 極 極 化 對(duì) 溶 液 電 阻 測(cè) 量 的 影 響 主 要 采 用 交 流 激 勵(lì) 源 而 激 勵(lì) 源 的 類 型 頻 率 的 高 低 幅 度 的 大 小 會(huì) 在 一 定 程 度 上 影 響 溶 液 電 阻 測(cè) 量 的 準(zhǔn) 確 性 8 9 由 式 3 可 知 溶 液 的 電 導(dǎo) 率 越 高 其 等 效 電 阻 越 小 為 了 更 好 地 抑 制 極 化 效 應(yīng) 電 容 效 應(yīng) 和 利 于 硬 件 電 路 的 設(shè) 計(jì) 在 文 獻(xiàn) 3 提 出 的 6 4 5 排 灌 機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 第38 卷 激 勵(lì) 源 幅 值 為 3 5V 方 波 的 基 礎(chǔ) 上 對(duì) 電 導(dǎo) 率1 0 19 5ms cm 范 圍 內(nèi) 的 溶 液 進(jìn) 行 試 驗(yàn) 分 析 以 得 出 頻 率 與 溶 液 電 阻 的 關(guān) 系 圖3 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 原 理 Fig 3 Principleofconductivitymeasurement 以SPF05 型 信 號(hào) 發(fā) 生 器 提 供 所 需 的 方 波 信 號(hào) 模 擬 測(cè) 量 激 勵(lì) 源E TektronixTDS3052B 示 波 器 監(jiān) 測(cè) 分 壓 電 阻R 兩 端 的 電 壓V 激 勵(lì) 源E 的 各 類 參 數(shù) 包 括 峰 峰 值 有 效 值 和 頻 率 等 sension156 便 攜 式 多 參 數(shù) 測(cè) 量 儀 為 測(cè) 量 電 導(dǎo) 率 標(biāo) 準(zhǔn) 值 儀 器 試 驗(yàn) 方 法 利 用NaCl 粉 末 與 水 配 制 出 在1 0 19 5ms cm 范 圍 內(nèi) 共195 種 不 同 電 導(dǎo) 率 值 的 水 溶 液 每 種 以0 1 ms cm 為 步 進(jìn) 如0 0 1 0 2ms cm 函 數(shù) 發(fā) 生 器 提 供 3 5V 頻 率 可 調(diào) 的 方 波 信 號(hào) 變 換 分 壓 電 阻R 的 阻 值 使 分 壓 電 阻 與 溶 液 電 阻 約 各 占 激 勵(lì) 源 電 壓 的50 記 錄 電 導(dǎo) 率 激 勵(lì) 源E 的 頻 率 和 分 壓 電 阻 的 有 效 值 并 通 過(guò) 分 壓 公 式 求 得 溶 液 電 阻R X 試 驗(yàn) 結(jié) 果 如 圖4 所 示 圖4 激 勵(lì) 源 頻 率 與 溶 液 電 阻 關(guān) 系 圖 Fig 4 Relationshipbetween frequency of excitation sourceandsolutionresistance 由 圖4 可 得 電 導(dǎo) 率EC 越 大 等 效 的 電 阻R 越 小 測(cè) 量 所 需 的 頻 率f 則 越 大 從 理 論 上 而 言 變 頻 變 阻 是 準(zhǔn) 確 測(cè) 量 電 導(dǎo) 率 的 條 件 但 在 試 驗(yàn) 中 發(fā) 現(xiàn) 頻 率 較 低 時(shí) 低 于1kHz 電 導(dǎo) 電 極 的 響 應(yīng) 時(shí) 間 較 慢 最 長(zhǎng) 需 要3s 經(jīng) 過(guò) 試 驗(yàn) 反 復(fù) 驗(yàn) 證 綜 合 考 慮 各 項(xiàng) 因 素 統(tǒng) 一 采 用 高 頻 變 阻 的 方 式 進(jìn) 行 測(cè) 量 頻 率 選 用4 kHz 并 在 使 用 時(shí) 通 過(guò) 標(biāo) 定 的 方 式 減 小 定 頻 測(cè) 量 所 造 成 的 誤 差 根 據(jù) 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 變 阻 的 擋 位 采 用8 個(gè) 等 級(jí) 即 分 壓 電 阻R X 有8 個(gè) 不 同 的 阻 值 如 表2 所 示 表2 電 導(dǎo) 率 分 檔 范 圍 與 所 對(duì) 應(yīng) 的 分 壓 電 阻 Tab 2 Range of conductivity grade and corre spondingpiezoresistor EC ms cm 1 R X k EC ms cm 1 R X k 0 2 10 0 5 8 1 5 2 3 4 7 8 10 1 0 3 4 2 5 10 16 0 8 4 5 2 0 16 20 0 5 2 主 要 硬 件 電 路 設(shè) 計(jì) 2 1 pH 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 pH 電 極 產(chǎn) 生 的 電 壓 信 號(hào) 經(jīng) 由 電 壓 跟 隨 器 反 向 加 法 器 和 反 向 器3 個(gè) 部 分 組 成 的pH 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 如 圖5 所 示 送 至 單 片 機(jī) 內(nèi) 部 集 成 的ADC 轉(zhuǎn) 換 器 進(jìn) 行 檢 測(cè) 處 理 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 的 前 置 級(jí) 為 由 運(yùn) 算 放 大 器AD8667 構(gòu) 成 的 電 壓 跟 隨 器 起 緩 沖 隔 離 作 用 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 的 后 級(jí) 電 路 為 由AD8667 構(gòu) 成 的 反 向 加 法 器 和 反 向 器 電 路 圖5 pH 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 Fig 5 pHsignalconditioningcircuit 2 2 EC 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 EC 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 主 要 有 電 導(dǎo) 電 極 激 勵(lì) 源 發(fā) 生 電 路 參 考 文 獻(xiàn) 3 分 壓 電 阻 分 檔 電 路 如 圖6 所 示 圖6 分 壓 電 阻 分 檔 電 路 Fig 6 Piezoresistorgradingcircuit 根 據(jù) 表2 的 結(jié) 果 構(gòu) 建 了 圖6 的 分 壓 電 阻 分 檔 電 路 主 要 由 多 路 復(fù) 用 器ADG1408 與 不 同 阻 值 的 分 壓 電 阻 構(gòu) 成 當(dāng) 待 測(cè) 溶 液 的 電 導(dǎo) 率 發(fā) 生 變 化 而 超 出 當(dāng) 前 檔 位 對(duì) 應(yīng) 的 范 圍 時(shí) 則 通 過(guò) 單 片 機(jī) 控 制 6 4 6 第6 期 馮 瑞 玨 等 肥 液pH 值 和 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 的 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) ADG1408 來(lái) 切 換 相 應(yīng) 的 電 阻 與 電 極 串 聯(lián) 從 而 達(dá) 到 分 壓 電 阻 分 檔 的 目 的 3 軟 件 設(shè) 計(jì) 當(dāng) 測(cè) 量 肥 液 的pH 與 電 導(dǎo) 率 時(shí) 儀 器 外 接pH 電 極 與 電 導(dǎo) 率 電 極 接 通 電 源 按 下 復(fù) 位 鍵 系 統(tǒng) 開(kāi) 始 自 檢 和 初 始 化 然 后 進(jìn) 入 按 鍵 標(biāo) 定 程 序 首 次 使 用 時(shí) 需 先 對(duì) 測(cè) 量 儀 進(jìn) 行 標(biāo) 定 當(dāng) 完 成 對(duì) 電 導(dǎo) 率 和pH 的 標(biāo) 定 后 系 統(tǒng) 進(jìn) 入 測(cè) 量 狀 態(tài) 單 片 機(jī) 啟 動(dòng) 標(biāo) 定 時(shí) 暫 存 的 數(shù) 據(jù) 并 讀 取A D 轉(zhuǎn) 換 器 返 回 數(shù) 值 通 過(guò) 計(jì) 算 處 理 顯 示 在 液 晶 屏 上 待 數(shù) 值 穩(wěn) 定0 5s 后 重 啟 測(cè) 量 程 序 對(duì) 溶 液 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 測(cè) 量 并 可 選 擇 通 過(guò) 串 口 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 到 施 肥 系 統(tǒng) 中 其 程 序 設(shè) 計(jì) 如 圖7 所 示 圖7 程 序 流 程 圖 Fig 7 Programflowchart 4 標(biāo) 定 與 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 4 1 pH 值 的 標(biāo) 定 與 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 采 用 兩 點(diǎn) 校 正 法 來(lái) 標(biāo) 定 測(cè) 量 儀pH 值 校 正 測(cè) 量 時(shí) 選 用2 種 標(biāo) 準(zhǔn)pH 緩 沖 液 其pH 值 在25 時(shí) 分 別 為6 86 和9 18 測(cè) 量 儀 測(cè) 得 的 電 壓 值 和 標(biāo) 定 的pH 值 分 別 為E 6 86 1 29V pH 6 91 E 9 18 1 04V pH 9 19 代 入 能 斯 特 方 程 1 得 電 壓 和pH 值 的 關(guān) 系 為 pH 8 942E 18 44 4 為 了 驗(yàn) 證 標(biāo) 定 方 程 的 準(zhǔn) 確 性 選 取 芭 田 中 芬 大 量 元 素 水 溶 復(fù) 合 肥 溶 解 于 水 后 的 肥 液 作 為 母 液 酸 性 調(diào) 節(jié) 液 為HCl 溶 液 配 制 不 同 濃 度 的14 種 樣 品 測(cè) 量 肥 液 的pH 值 其 測(cè) 試 結(jié) 果 如 表3 所 示 pH A 為 標(biāo) 準(zhǔn) 值 pH C 為 測(cè) 量 值 E A 為 絕 對(duì) 值 誤 差 由 表3 可 得 較 大 的 誤 差 值 出 現(xiàn) 在 強(qiáng) 酸 性 溶 液 pH 值 為2 以 下 在pH 值 為2 以 上 時(shí) 最 大 絕 對(duì) 誤 差 為0 04 滿 足 肥 液 測(cè) 量 的 需 求 表3 肥 液pH 測(cè) 量 值 Tab 3 FertilizerpHmeasurement pH A pH C E A pH A pH C E A 1 77 1 41 0 36 3 94 3 92 0 02 1 78 1 46 0 32 4 70 4 74 0 04 1 84 1 63 0 21 5 17 5 21 0 04 2 39 2 36 0 03 6 91 6 90 0 01 2 98 2 96 0 02 7 74 7 73 0 01 3 47 3 49 0 02 8 53 8 60 0 07 3 91 3 94 0 03 8 92 8 95 0 03 4 2 電 導(dǎo) 率 的 標(biāo) 定 與 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 電 導(dǎo) 電 極 的 電 極 常 數(shù) 在 出 廠 時(shí) 校 準(zhǔn) 為K 10 由 于 測(cè) 量 溶 液 的 濃 度 和 溫 度 不 同 在 使 用 一 段 時(shí) 間 后 電 極 常 數(shù)K 會(huì) 出 現(xiàn) 變 化 應(yīng) 重 新 對(duì) 電 極 常 數(shù)K 進(jìn) 行 測(cè) 量 與 標(biāo) 定 為 解 決 因 電 極 常 數(shù)K 的 變 化 引 起 的 誤 差 問(wèn) 題 目 前 一 般 采 用 兩 點(diǎn) 標(biāo) 定 法 經(jīng) 多 次 試 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) 進(jìn) 行 兩 點(diǎn) 標(biāo) 定 時(shí) 所 選 的2 種 溶 液 的 電 導(dǎo) 率 不 同 其 測(cè) 量 誤 差 也 有 所 不 同 圖8 為 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 分 別 在 電 導(dǎo) 率 為1 26ms cm 和5 13ms cm 1 52ms cm 和6 45ms cm 1 67ms cm 和8 02ms cm 的3 組NaCl 溶 液 中 進(jìn) 行 兩 點(diǎn) 標(biāo) 定 后 的 測(cè) 量 誤 差 圖 中 橫 坐 標(biāo)K A 為 溶 液 電 導(dǎo) 率 標(biāo) 準(zhǔn) 值 縱 坐 標(biāo)K B 為 測(cè) 量 誤 差 其 中 對(duì) 于 每 一 組 經(jīng) 過(guò) 兩 點(diǎn) 標(biāo) 定 后 的 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 分 別 在0 10ms cm 范 圍 內(nèi) 隨 機(jī) 配 置27 個(gè) 不 同 電 導(dǎo) 率 的 芭 田 中 芬 大 量 元 素 水 溶 復(fù) 合 肥 溶 解 于 水 進(jìn) 行 測(cè) 試 由 圖8 可 知 總 體 上 除 個(gè) 別 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 外 進(jìn) 行 兩 點(diǎn) 標(biāo) 定 時(shí) 所 選 的2 種 溶 液 的 電 導(dǎo) 率 相 差 越 大 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 的 誤 差 就 越 小 3 組 標(biāo) 定 情 況 下 的 測(cè) 量 誤 差 在 電 導(dǎo) 率 大 于5 0ms cm 時(shí) 均 隨 著 溶 液 電 導(dǎo) 率 的 增 大 而 增 大 當(dāng) 溶 液 電 導(dǎo) 率 小 于5 0ms cm 時(shí) 采 用 電 導(dǎo) 率 為1 26ms cm 和5 13ms cm 的2 種 溶 液 6 4 7 排 灌 機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 第38 卷 進(jìn) 行 標(biāo) 定 后 的 測(cè) 量 誤 差 在0 0 2ms cm 范 圍 內(nèi) 其 他2 組 溶 液 標(biāo) 定 后 的 測(cè) 量 誤 差 小 于 0 1ms cm 由 于 一 般 農(nóng) 作 物 所 需 的 肥 料 濃 度 對(duì) 應(yīng) 的 電 導(dǎo) 率 范 圍 為0 5 4 5ms cm 因 此 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 在 進(jìn) 行 肥 液 的 檢 測(cè) 誤 差 小 于 0 1ms cm 滿 足 農(nóng) 作 物 肥 液 所 允 許 的 誤 差 0 15ms cm 的 需 求 圖8 不 同 電 導(dǎo) 率 溶 液 標(biāo) 定 時(shí) 電 導(dǎo) 率 測(cè) 量 儀 的 測(cè) 量 誤 差 Fig 8 Measurementerrorofconductivitymeasuring instrumentincalibrationofsolutionswithdif ferentconductivity 5 結(jié) 論 1 設(shè) 計(jì) 了 一 種pH EC 測(cè) 量 儀 能 實(shí) 現(xiàn) 肥 液pH 值 和 濃 度 的 在 線 快 速 測(cè) 量 2 在 適 合 農(nóng) 作 物 生 長(zhǎng) 的 土 壤 環(huán) 境 pH 值 為 6 50 7 50 中 由 溫 度 引 起 的pH 值 測(cè) 量 誤 差 可 忽 略 不 計(jì) EC 值 采 用8 檔 電 阻 分 檔 測(cè) 量 模 式 其 測(cè) 量 激 勵(lì) 信 號(hào) 為 幅 值 3 5V 頻 率4kHz 的 方 波 信 號(hào) 且 需 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 3 對(duì) 測(cè) 量 儀 的 標(biāo) 定 與 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 在 非 強(qiáng) 酸 溶 液 即pH 值 為2 00 以 上 時(shí)pH 測(cè) 量 的 最 大 絕 對(duì) 誤 差 為0 04 在 一 般 農(nóng) 作 物 所 需 肥 料 濃 度 范 圍 對(duì) 應(yīng) 電 導(dǎo) 率 為0 5 4 5ms cm 內(nèi) EC 值 檢 測(cè) 誤 差 小 于 0 1ms cm 能 在 農(nóng) 業(yè) 工 程 上 滿 足 檢 測(cè) 肥 液 pH EC 值 的 要 求 參 考 文 獻(xiàn) References 1 李 加 念 倪 慧 娜 馬 燕 等 基 于 電 導(dǎo) 電 極 的 肥 液 濃 在 線 檢 測(cè) 儀 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) J 安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2014 42 12 3465 3467 LIJianian NIHuina MAYan etal Designandimple mentofanon linedetectorforfertilizersolutionconcen trationbased onconductivity electrode J Journal of Anhuiagriculturalsciences 2014 42 12 3465 3467 inChinese 2 MARGARETA C JACKIE B L PETER M et al Effectsofnutrientsolutionelectricalconductivityonthe compositionalandsensorycharacteristicsofgreenhouse tomatofruit J Postharvest biology and technology 2012 74 132 140 3 李 加 念 洪 添 勝 馮 瑞 玨 等 基 于 模 糊 控 制 的 肥 液 自 動(dòng) 混 合 裝 置 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 2013 29 16 22 30 LIJianian HONGTiansheng FENGRuijue etal De signandexperimentofautomaticofautomaticmixingap paratusforliquidfertilizerbasedonfuzzycontrol J TransactionsoftheCSAE 2013 29 16 22 30 in Chinese 4 袁洪 波 李莉 王俊 衡 等 溫 室水 肥一 體 化 營(yíng) 養(yǎng) 液 調(diào) 控 裝備 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 2016 32 8 27 32 YUANHongbo LILi WANGJunheng etal Design andtestofregulationandcontrolequipmentfornutrient solutionofwaterandfertilizerintegrationingreenhouse J TransactionsoftheCSAE 2016 32 8 27 32 inChinese 5 戚 艷 艷 基 于Labview 的 水 肥 耦 合 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 的 研 究 D 武 漢 華 中 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 2011 6 陳 鳴 慰 周 杏 鵬 劉 秀 寧 基 于ATmega16 的pH 參 數(shù) 在 線 測(cè) 控 儀 設(shè) 計(jì) J 東 南 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 2005 35 S2 75 78 CHENMingwei ZHOUXingpeng LIUXiuning Design ofATmega16basedon linemeasurementandcontrolin strumentforpHvalue J JournalofSoutheastUniver sity naturalscienceedition 2005 35 S2 75 78 inChinese 7 馬 中 昇 譚 軍 利 馬 小 福 等 不 同 種 植 年 限 對(duì) 壓 砂 地 土 壤 鹽 分 及 西 瓜 產(chǎn) 量 的 影 響 J 排 灌 機(jī) 械 工 程 學(xué) 報(bào) 2018 36 11 1200 1204 MAZhongsheng TANJunli MAXiaofu etal Effects ofplantingyearsonsoilsalinityandwatermelonyieldin gravel sandmulchedfield J Journalofdrainageand irrigationmachineryengineering 2018 36 11 1200 1204 inChinese 8 SUDDUTHKA KITCHENNR BOLLEROGA Com parisonofelectromagneticinductionanddirectsensing ofelectricalconductivity J Agronomyjournal 2003 95 3 472 482 9 范 麗 營(yíng) 養(yǎng) 液 電 導(dǎo) 率 傳 感 器 及 測(cè) 量 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) D 南 京 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 2016 責(zé) 任 編 輯 徐 云 峰 6 4 8