肥液pH值和电导率测量仪的设计与试验.pdf

2020 年6 月 June2020 第38 卷 第6 期 Vol 38 No 6 冯 瑞 珏 肥 液pH 值 和 电 导 率 测 量 仪 的 设 计 与 试 验 冯 瑞 珏 1 王 智 东 2 李 志 锋 1 1 华 南 理 工 大 学 广 州 学 院 电 气 工 程 学 院 广 东 广 州510800 2 华 南 理 工 大 学 电 力 学 院 智 慧 能 源 工 程 技 术 研 究 中 心 广 东 广 州510640 收 稿 日 期 2019 09 18 修 回 日 期 2019 11 25 网 络 出 版 时 间 2020 05 27 网 络 出 版 地 址 基 金 项 目 广 东 省 自 然 科 学 基 金 博 士 科 研 启 动 基 金 资 助 项 目 2017A03030288 华 南 理 工 大 学 广 州 学 院 杰 出 青 年 教 师 资 助 项 目 JQ180001 第 一 作 者 简 介 冯 瑞 珏 1985 女 广 东 罗 定 人 讲 师 674853429 主 要 从 事 电 气 信 息 技 术 研 究 通 信 作 者 简 介 王 智 东 1980 男 广 东 海 丰 人 高 级 实 验 师 博 士 zdwang 主 要 从 事 电 气 智 能 化 研 究 摘 要 为 实 现 肥 液pH EC 的 快 速 在 线 检 测 设 计 了 一 种pH EC 测 量 仪 主 要 由MSP430F2132 单 片 机 pH EC 传 感 器 电 源 稳 压 模 块 人 机 交 互 界 面 pH 信 号 调 理 电 路 EC 信 号 调 理 电 路 等 组 成 通 过 配 制9 种 不 同pH 的 溶 液 在10 40 范 围 内 测 试 了 温 度 对pH 值 的 影 响 并 与 经 验 方 程 的 计 算 值 作 对 比 结 果 表 明 在 适 合 农 作 物 生 长 的 土 壤 环 境 pH 值 为6 5 7 5 中 由 温 度 引 起 的 测 量 误 差 可 忽 略 以1 0 19 5ms cm 范 围 内 的195 种 不 同 电 导 率 值 溶 液 为 待 测 肥 液 试 验 确 定 了 采 用8 档 电 阻 分 档 测 量 模 式 其 测 量 激 励 信 号 为 幅 值 3 5V 频 率4kHz 的 方 波 信 号 并 进 行 了 电 导 率 的 温 度 补 偿 对 测 量 仪 进 行 了 标 定 与 验 证 试 验 结 果 表 明 pH 值 测 量 的 最 大 绝 对 误 差 为 0 04 EC 值 测 量 的 绝 对 误 差 在 0 1ms cm 内 能 在 农 业 工 程 上 满 足 要 求 关 键 词 肥 液 肥 液 浓 度 pH 值 电 导 率 测 量 仪 中 图 分 类 号 S224 21 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1674 8530 2020 06 0643 06 Doi 10 3969 j issn 1674 8530 19 0246 开 放 科 学 资 源 服 务 标 识 码 OSID 冯 瑞 珏 王 智 东 李 志 锋 肥 液pH 值 和 电 导 率 测 量 仪 的 设 计 与 试 验 J 排 灌 机 械 工 程 学 报 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 机 械 工 程 学 报 第38 卷 strumentshowthatthemaximumabsolutemeasuredvalueerrorsofpHandECare0 04andwithin 0 1ms cm whichcanmeettherequirementsofagriculturalengineering Keywords fertilesolution fertilesolutionconcentration pHvalue electricalconductivity measuringinstrument 在 传 统 农 业 向 精 准 农 业 转 型 的 过 程 中 水 肥 一 体 化 自 动 灌 溉 技 术 得 到 广 泛 关 注 并 在 实 际 农 业 工 程 中 得 到 普 及 其 优 势 是 根 据 农 作 物 在 不 同 的 生 长 阶 段 所 需 的 养 分 不 同 精 确 调 节 肥 液 的 浓 度 促 进 农 作 物 的 生 长 有 效 地 利 用 水 资 源 和 化 肥 资 源 水 肥 一 体 化 灌 溉 已 成 为 发 达 国 家 一 种 标 准 的 农 业 现 代 化 作 业 方 式 1 2 目 前 为 实 现 自 动 灌 溉 系 统 对 肥 液 浓 度 的 实 时 在 线 检 测 常 用 电 导 率EC 值 和pH 值 的 肥 液 浓 度 检 测 方 法 国 内 外 大 多 数 自 动 化 施 肥 灌 溉 系 统 均 采 用 此 检 测 模 式 如 新 西 兰 研 发 的AutogrowSystems 系 统 美 国 的Intellidose 系 统 等 李 加 念 等 3 袁 洪 波 等 4 戚 艳 艳 5 所 设 计 的 肥 液 或 营 养 液 在 线 自 动 混 合 灌 溉 系 统 中 通 过 实 时 检 测 灌 溉 肥 液 的EC 值 和 pH 值 实 行 按 需 施 肥 达 到 高 效 精 确 灌 溉 的 目 的 当 前 对 水 肥 一 体 化 灌 溉 系 统 的 研 究 集 中 在 灌 溉 系 统 的 研 制 或 各 部 件 结 构 参 数 的 优 化 对 肥 液 浓 度 和 pH 值 的 在 线 检 测 的 相 关 技 术 还 较 少 提 及 为 提 高 水 肥 一 体 化 灌 溉 中 肥 液 浓 度 的 测 量 精 确 度 和 实 现 肥 液 浓 度 的 在 线 检 测 文 中 设 计 一 款 肥 液pH 值 和 电 导 率 测 量 仪 并 通 过 试 验 验 证 其 测 量 的 准 确 性 测 量 仪 可 以 独 立 使 用 通 过 人 机 交 互 界 面 直 观 显 示 数 值 也 可 通 过 串 口 将 数 据 发 送 至 自 动 化 施 肥 系 统 中 可 为 水 肥 一 体 化 灌 溉 系 统 反 馈 肥 液 浓 度 信 息 1 测 量 仪 设 计 及 原 理 1 1 总 体 设 计 方 案 测 量 仪 主 要 由 电 源 稳 压 模 块 MSP430F2132 单 片 机 EC 信 号 调 理 电 路 pH 信 号 调 理 电 路 温 度 采 集 电 路 人 机 交 互 界 面 和2 个EC pH 传 感 器 组 成 如 图1 所 示 采 用TI 公 司 的MSP430F2132 单 片 机 为 微 处 理 器 以6V 蓄 电 池 作 为 电 源 通 过 电 源 稳 压 模 块 将 电 压 转 换 成 合 适 的 电 压 为 各 模 块 供 电 人 机 交 互 界 面 用 于 读 取EC 值 和pH 值 同 时 配 置 按 键 用 于 进 行pH EC 的 标 定 pH EC 信 号 调 理 电 路 将 从pH EC 传 感 器 采 集 到 的 信 号 传 送 至 单 片 机 进 行 检 测 处 理 温 度 传 感 器 将 所 测 肥 液 温 度 反 馈 至 单 片 机 单 片 机 按 所 设 定 的 温 度 补 偿 公 式 对 实 时 检 测 到 的EC 值 进 行 温 度 补 偿 串 口 传 输 模 块 可 连 接 水 肥 一 体 化 灌 溉 施 肥 系 统 反 馈 肥 液 浓 度 信 息 图1 测 量 仪 结 构 框 图 Fig 1 Structuralblockdiagramofmeasuringinstrument 1 2 测 量 原 理 1 2 1 pH 值 的 测 量 原 理 测 量 仪 采 用 电 位 分 析 法 电 位 分 析 法 由 电 极 和 待 测 溶 液 构 成 原 电 池 系 统 将 化 学 反 应 能 量 转 换 为 电 能 原 电 池 系 统 产 生 的 电 压 信 号 称 为 电 动 势E 该 电 动 势 与pH 值 存 在 线 性 关 系 即 在 同 一 温 度 下 pH 的 数 值 变 化1 电 动 势 值 改 变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 为 标 准 电 动 势 E 为pH 电 极 所 产 生 的 电 动 势 R 为 气 体 常 数 F 为 法 拉 第 常 数 T 为 绝 对 温 度 N 为 参 加 反 应 的 得 失 电 子 数 1 2 2 pH 电 极 的 选 择 及 其 温 度 补 偿 试 验 基 于 肥 液 可 能 出 现 过 酸 或 过 碱 的 情 况 选 用 测 量 范 围 较 宽 的 上 海 罗 素 科 技 在 线pH 玻 璃 电 极 型 号8051 根 据 式 1 温 度T 作 为 其 中 的 变 量 使 得 溶 液 pH 值 与pH 电 极 输 出 电 动 势 的 对 应 关 系 受 到 一 定 的 影 响 为 了 获 知 是 否 需 要 根 据 环 境 温 度 对 其 进 行 相 应 的 补 偿 进 行 了 温 度 对pH 值 的 影 响 试 验 试 验 中 分 别 以3 13 6 86 9 18 的 标 准pH 值 缓 冲 液 盐 酸HCl 和 水 配 制 出 不 同pH 值 的 溶 液 以25 作 为 标 准 测 量 温 度 pH 计 雷 磁pHS 3C 型 所 测 值 作 6 4 4 第6 期 冯 瑞 珏 等 肥 液pH 值 和 电 导 率 测 量 仪 的 设 计 与 试 验 为 准 确 值 智 能 水 浴 锅 予 华 仪 器 有 限 责 任 公 司 生 产 型 号 为ZKYY 提 供 试 验 中 所 需 要 的 温 度 数 字 万 用 表 型 号 为FLUKE18B 测 量pH 电 极 所 输 出 的 电 压 信 号 测 试 步 骤 随 机 配 制9 种 不 同pH 的 溶 液 在10 40 范 围 内 以5 为 进 阶 测 量 pH 电 极 所 对 应 的 电 压 值 每 组 数 据 测 量10 次 取 其 平 均 值 作 为 最 终 值 对 比 分 析 同 一 种 溶 液 在 不 同 温 度 下 所 对 应 电 压 值 的 差 别 以 步 骤 中25 所 得 的E pH 关 系 式 作 为 经 验 方 程 配 制1 份 酸 性 溶 液 1 份 碱 性 溶 液 和1 份 中 性 溶 液 计 算 出 在 不 同 温 度 下 按 经 验 方 程 所 对 应 的pH 值 对 比 分 析 误 差 关 系 图2 给 出 了 试 验 中9 种 溶 液 在 不 同 温 度t 下 电 极 输 出 的 电 压 值E 与pH 值 的 对 应 关 系 所 示 直 线 为 在25 数 值 趋 势 线 所 示 方 程 为 其 经 验 方 程 由 图2 可 得 不 同 温 度 所 测 的 电 压 值 基 本 重 合 在 直 线 上 但 也 有 不 同 程 度 的 偏 离 在 强 酸 性 溶 液 pH 值 0 3 00 中 温 度 越 低 偏 离 直 线 值 越 大 而 在 碱 性 溶 液 中 温 度 越 高 偏 离 直 线 越 大 表1 为 步 骤 中25 经 验 方 程 在1 酸 性1 碱 性1 中 性 溶 液 中 的 计 算 结 果 其 中t 为 温 度 pH A 为 标 准 值 pH C 为 计 算 值 E A 为 绝 对 误 差 由 表 可 得 pH 值 为4 00 的 酸 性 溶 液 在 20 以 下 时 误 差 最 大 为0 36 而pH 值 为7 00 的 中 性 溶 液 在 整 个 温 度 测 量 范 围 内 较 为 稳 定 pH 值 为 9 18 的 碱 性 溶 液 随 温 度 的 增 大 误 差 呈 变 大 趋 势 表 1 所 呈 现 结 果 与 图2 所 表 现 的 一 致 图2 不 同 温 度 下pH 值 与 电 压 的 对 应 关 系 Fig 2 CorrespondencebetweenpHvalueandvoltage atdifferenttemperatures 由 上 述 可 得 温 度 对 强 酸 与 强 碱 的 影 响 较 大 而 在 弱 酸 弱 碱 pH 为6 50 9 00 影 响 不 明 显 适 合 农 作 物 生 长 的 土 壤 环 境 一 般 为 中 性 或 弱 酸 性 弱 碱 性 为 宜 pH 值 在6 50 7 50 7 而 温 度 对 此 范 围 内 的 影 响 所 造 成 的 误 差 均 可 接 受 因 此 测 量 仪 在 进 行pH 测 量 中 忽 略 其 温 度 补 偿 表1 按 经 验 方 程 得 出 的 计 算 结 果 对 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 电 导 率 的 测 量 原 理 肥 液 为 一 种 电 解 质 溶 液 电 解 质 溶 液 的 导 电 能 力 可 以 用 电 导G 电 导 率 表 示 电 导G X 是 溶 液 电 阻R X 的 倒 数 电 导 率 是 电 阻 率 的 倒 数 R X 满 足 电 阻 定 律 即 式 2 因 此 可 推 导 出 电 导 率 ms cm 计 算 公 式 3 R X L A 2 1 L A 1 R X K G X 3 式 中 L 为 电 导 电 极 两 极 板 间 距 离 cm A 为 电 极 极 板 的 面 积 cm 2 K L A 为 电 极 常 数 电 极 结 构 确 定 电 极 常 数 不 变 因 此 可 通 过 测 量 溶 液 的 电 阻 电 导 来 确 定 电 导 率 测 量 仪 采 用 电 极 电 导 率 测 量 法 即 配 比 溶 液 法 电 阻 分 压 原 理 来 测 量 电 导 率 1 2 4 激 励 源 频 率 选 择 与 电 阻 分 档 试 验 电 极 电 导 率 测 量 法 的 原 理 图 如 图3 所 示 其 中 激 励 源E 的 恰 当 选 择 是 测 量 仪 精 确 测 量 的 基 础 为 了 有 效 避 免 或 减 少 电 极 极 化 对 溶 液 电 阻 测 量 的 影 响 主 要 采 用 交 流 激 励 源 而 激 励 源 的 类 型 频 率 的 高 低 幅 度 的 大 小 会 在 一 定 程 度 上 影 响 溶 液 电 阻 测 量 的 准 确 性 8 9 由 式 3 可 知 溶 液 的 电 导 率 越 高 其 等 效 电 阻 越 小 为 了 更 好 地 抑 制 极 化 效 应 电 容 效 应 和 利 于 硬 件 电 路 的 设 计 在 文 献 3 提 出 的 6 4 5 排 灌 机 械 工 程 学 报 第38 卷 激 励 源 幅 值 为 3 5V 方 波 的 基 础 上 对 电 导 率1 0 19 5ms cm 范 围 内 的 溶 液 进 行 试 验 分 析 以 得 出 频 率 与 溶 液 电 阻 的 关 系 图3 电 导 率 测 量 原 理 Fig 3 Principleofconductivitymeasurement 以SPF05 型 信 号 发 生 器 提 供 所 需 的 方 波 信 号 模 拟 测 量 激 励 源E TektronixTDS3052B 示 波 器 监 测 分 压 电 阻R 两 端 的 电 压V 激 励 源E 的 各 类 参 数 包 括 峰 峰 值 有 效 值 和 频 率 等 sension156 便 携 式 多 参 数 测 量 仪 为 测 量 电 导 率 标 准 值 仪 器 试 验 方 法 利 用NaCl 粉 末 与 水 配 制 出 在1 0 19 5ms cm 范 围 内 共195 种 不 同 电 导 率 值 的 水 溶 液 每 种 以0 1 ms cm 为 步 进 如0 0 1 0 2ms cm 函 数 发 生 器 提 供 3 5V 频 率 可 调 的 方 波 信 号 变 换 分 压 电 阻R 的 阻 值 使 分 压 电 阻 与 溶 液 电 阻 约 各 占 激 励 源 电 压 的50 记 录 电 导 率 激 励 源E 的 频 率 和 分 压 电 阻 的 有 效 值 并 通 过 分 压 公 式 求 得 溶 液 电 阻R X 试 验 结 果 如 图4 所 示 图4 激 励 源 频 率 与 溶 液 电 阻 关 系 图 Fig 4 Relationshipbetween frequency of excitation sourceandsolutionresistance 由 图4 可 得 电 导 率EC 越 大 等 效 的 电 阻R 越 小 测 量 所 需 的 频 率f 则 越 大 从 理 论 上 而 言 变 频 变 阻 是 准 确 测 量 电 导 率 的 条 件 但 在 试 验 中 发 现 频 率 较 低 时 低 于1kHz 电 导 电 极 的 响 应 时 间 较 慢 最 长 需 要3s 经 过 试 验 反 复 验 证 综 合 考 虑 各 项 因 素 统 一 采 用 高 频 变 阻 的 方 式 进 行 测 量 频 率 选 用4 kHz 并 在 使 用 时 通 过 标 定 的 方 式 减 小 定 频 测 量 所 造 成 的 误 差 根 据 试 验 数 据 变 阻 的 挡 位 采 用8 个 等 级 即 分 压 电 阻R X 有8 个 不 同 的 阻 值 如 表2 所 示 表2 电 导 率 分 档 范 围 与 所 对 应 的 分 压 电 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 电 路 设 计 2 1 pH 信 号 调 理 电 路 pH 电 极 产 生 的 电 压 信 号 经 由 电 压 跟 随 器 反 向 加 法 器 和 反 向 器3 个 部 分 组 成 的pH 信 号 调 理 电 路 如 图5 所 示 送 至 单 片 机 内 部 集 成 的ADC 转 换 器 进 行 检 测 处 理 信 号 调 理 电 路 的 前 置 级 为 由 运 算 放 大 器AD8667 构 成 的 电 压 跟 随 器 起 缓 冲 隔 离 作 用 信 号 调 理 电 路 的 后 级 电 路 为 由AD8667 构 成 的 反 向 加 法 器 和 反 向 器 电 路 图5 pH 信 号 调 理 电 路 Fig 5 pHsignalconditioningcircuit 2 2 EC 信 号 调 理 电 路 EC 信 号 调 理 电 路 主 要 有 电 导 电 极 激 励 源 发 生 电 路 参 考 文 献 3 分 压 电 阻 分 档 电 路 如 图6 所 示 图6 分 压 电 阻 分 档 电 路 Fig 6 Piezoresistorgradingcircuit 根 据 表2 的 结 果 构 建 了 图6 的 分 压 电 阻 分 档 电 路 主 要 由 多 路 复 用 器ADG1408 与 不 同 阻 值 的 分 压 电 阻 构 成 当 待 测 溶 液 的 电 导 率 发 生 变 化 而 超 出 当 前 档 位 对 应 的 范 围 时 则 通 过 单 片 机 控 制 6 4 6 第6 期 冯 瑞 珏 等 肥 液pH 值 和 电 导 率 测 量 仪 的 设 计 与 试 验 ADG1408 来 切 换 相 应 的 电 阻 与 电 极 串 联 从 而 达 到 分 压 电 阻 分 档 的 目 的 3 软 件 设 计 当 测 量 肥 液 的pH 与 电 导 率 时 仪 器 外 接pH 电 极 与 电 导 率 电 极 接 通 电 源 按 下 复 位 键 系 统 开 始 自 检 和 初 始 化 然 后 进 入 按 键 标 定 程 序 首 次 使 用 时 需 先 对 测 量 仪 进 行 标 定 当 完 成 对 电 导 率 和pH 的 标 定 后 系 统 进 入 测 量 状 态 单 片 机 启 动 标 定 时 暂 存 的 数 据 并 读 取A D 转 换 器 返 回 数 值 通 过 计 算 处 理 显 示 在 液 晶 屏 上 待 数 值 稳 定0 5s 后 重 启 测 量 程 序 对 溶 液 进 行 实 时 测 量 并 可 选 择 通 过 串 口 发 送 数 据 到 施 肥 系 统 中 其 程 序 设 计 如 图7 所 示 图7 程 序 流 程 图 Fig 7 Programflowchart 4 标 定 与 验 证 试 验 4 1 pH 值 的 标 定 与 验 证 试 验 采 用 两 点 校 正 法 来 标 定 测 量 仪pH 值 校 正 测 量 时 选 用2 种 标 准pH 缓 冲 液 其pH 值 在25 时 分 别 为6 86 和9 18 测 量 仪 测 得 的 电 压 值 和 标 定 的pH 值 分 别 为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 电 压 和pH 值 的 关 系 为 pH 8 942E 18 44 4 为 了 验 证 标 定 方 程 的 准 确 性 选 取 芭 田 中 芬 大 量 元 素 水 溶 复 合 肥 溶 解 于 水 后 的 肥 液 作 为 母 液 酸 性 调 节 液 为HCl 溶 液 配 制 不 同 浓 度 的14 种 样 品 测 量 肥 液 的pH 值 其 测 试 结 果 如 表3 所 示 pH A 为 标 准 值 pH C 为 测 量 值 E A 为 绝 对 值 误 差 由 表3 可 得 较 大 的 误 差 值 出 现 在 强 酸 性 溶 液 pH 值 为2 以 下 在pH 值 为2 以 上 时 最 大 绝 对 误 差 为0 04 满 足 肥 液 测 量 的 需 求 表3 肥 液pH 测 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 电 导 率 的 标 定 与 验 证 试 验 电 导 电 极 的 电 极 常 数 在 出 厂 时 校 准 为K 10 由 于 测 量 溶 液 的 浓 度 和 温 度 不 同 在 使 用 一 段 时 间 后 电 极 常 数K 会 出 现 变 化 应 重 新 对 电 极 常 数K 进 行 测 量 与 标 定 为 解 决 因 电 极 常 数K 的 变 化 引 起 的 误 差 问 题 目 前 一 般 采 用 两 点 标 定 法 经 多 次 试 验 发 现 进 行 两 点 标 定 时 所 选 的2 种 溶 液 的 电 导 率 不 同 其 测 量 误 差 也 有 所 不 同 图8 为 电 导 率 测 量 仪 分 别 在 电 导 率 为1 26ms cm 和5 13ms cm 1 52ms cm 和6 45ms cm 1 67ms cm 和8 02ms cm 的3 组NaCl 溶 液 中 进 行 两 点 标 定 后 的 测 量 误 差 图 中 横 坐 标K A 为 溶 液 电 导 率 标 准 值 纵 坐 标K B 为 测 量 误 差 其 中 对 于 每 一 组 经 过 两 点 标 定 后 的 电 导 率 测 量 仪 分 别 在0 10ms cm 范 围 内 随 机 配 置27 个 不 同 电 导 率 的 芭 田 中 芬 大 量 元 素 水 溶 复 合 肥 溶 解 于 水 进 行 测 试 由 图8 可 知 总 体 上 除 个 别 数 据 点 外 进 行 两 点 标 定 时 所 选 的2 种 溶 液 的 电 导 率 相 差 越 大 电 导 率 测 量 仪 的 误 差 就 越 小 3 组 标 定 情 况 下 的 测 量 误 差 在 电 导 率 大 于5 0ms cm 时 均 随 着 溶 液 电 导 率 的 增 大 而 增 大 当 溶 液 电 导 率 小 于5 0ms cm 时 采 用 电 导 率 为1 26ms cm 和5 13ms cm 的2 种 溶 液 6 4 7 排 灌 机 械 工 程 学 报 第38 卷 进 行 标 定 后 的 测 量 误 差 在0 0 2ms cm 范 围 内 其 他2 组 溶 液 标 定 后 的 测 量 误 差 小 于 0 1ms cm 由 于 一 般 农 作 物 所 需 的 肥 料 浓 度 对 应 的 电 导 率 范 围 为0 5 4 5ms cm 因 此 电 导 率 测 量 仪 在 进 行 肥 液 的 检 测 误 差 小 于 0 1ms cm 满 足 农 作 物 肥 液 所 允 许 的 误 差 0 15ms cm 的 需 求 图8 不 同 电 导 率 溶 液 标 定 时 电 导 率 测 量 仪 的 测 量 误 差 Fig 8 Measurementerrorofconductivitymeasuring instrumentincalibrationofsolutionswithdif ferentconductivity 5 结 论 1 设 计 了 一 种pH EC 测 量 仪 能 实 现 肥 液pH 值 和 浓 度 的 在 线 快 速 测 量 2 在 适 合 农 作 物 生 长 的 土 壤 环 境 pH 值 为 6 50 7 50 中 由 温 度 引 起 的pH 值 测 量 误 差 可 忽 略 不 计 EC 值 采 用8 档 电 阻 分 档 测 量 模 式 其 测 量 激 励 信 号 为 幅 值 3 5V 频 率4kHz 的 方 波 信 号 且 需 进 行 温 度 补 偿 3 对 测 量 仪 的 标 定 与 验 证 试 验 结 果 表 明 在 非 强 酸 溶 液 即pH 值 为2 00 以 上 时pH 测 量 的 最 大 绝 对 误 差 为0 04 在 一 般 农 作 物 所 需 肥 料 浓 度 范 围 对 应 电 导 率 为0 5 4 5ms cm 内 EC 值 检 测 误 差 小 于 0 1ms cm 能 在 农 业 工 程 上 满 足 检 测 肥 液 pH EC 值 的 要 求 参 考 文 献 References 1 李 加 念 倪 慧 娜 马 燕 等 基 于 电 导 电 极 的 肥 液 浓 在 线 检 测 仪 设 计 与 实 现 J 安 徽 农 业 科 学 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 胜 冯 瑞 珏 等 基 于 模 糊 控 制 的 肥 液 自 动 混 合 装 置 设 计 与 试 验 J 农 业 工 程 学 报 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 温 室水 肥一 体 化 营 养 液 调 控 装备 设 计 与 试 验 J 农 业 工 程 学 报 2016 32 8 27 32 YUANHongbo LILi WANGJunheng etal Design andtestofregulationandcontrolequipmentfornutrient solutionofwaterandfertilizerintegrationingreenhouse J TransactionsoftheCSAE 2016 32 8 27 32 inChinese 5 戚 艳 艳 基 于Labview 的 水 肥 耦 合 灌 溉 控 制 系 统 的 研 究 D 武 汉 华 中 农 业 大 学 2011 6 陈 鸣 慰 周 杏 鹏 刘 秀 宁 基 于ATmega16 的pH 参 数 在 线 测 控 仪 设 计 J 东 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2005 35 S2 75 78 CHENMingwei ZHOUXingpeng LIUXiuning Design ofATmega16basedon linemeasurementandcontrolin strumentforpHvalue J JournalofSoutheastUniver sity naturalscienceedition 2005 35 S2 75 78 inChinese 7 马 中 昇 谭 军 利 马 小 福 等 不 同 种 植 年 限 对 压 砂 地 土 壤 盐 分 及 西 瓜 产 量 的 影 响 J 排 灌 机 械 工 程 学 报 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 丽 营 养 液 电 导 率 传 感 器 及 测 量 系 统 的 设 计 D 南 京 南 京 农 业 大 学 2016 责 任 编 辑 徐 云 峰 6 4 8