CN102565144B - 在同一溶液中同时进行电导率和ph值测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

在同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，从电导电极输出一组脉冲，在pH电极端检测这组脉冲，以确定电导电极与pH电极是否在一个溶液中。当电导电极与pH电极在一个溶液中时利用电导电极作为一个参比电极，为pH电极提供参考电位，pH参比电极则与pH电极一样保持高阻状态，pH电极与pH参比电极间的电位差与pH值成正比关系，其斜率与正常测量时一致，这样做的目的是避免在电导电极与pH参比电极间有电流流过，消除电导电极对pH测量的影响。

Description

在同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表设备技术领域，具体的来说涉及一种在同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置。 

背景技术

从全球范围来看，分析仪器行业面对的挑战是：分析对象越来越复杂，分析工作越来越困难。挑战来自于客户要求灵敏度越来越高、样品量越来越少、分析速度越来越快，以及能够提供更加完善的服务，更加明确、准确的答案。 

物质在溶液中的活性大小是影响物质性能的基本要素，因此溶液的pH值和电导率的测量是仪器分析中最基本也是最普遍的用法。很多行业的应用都需要同时测量pH和电导率这两个最基本的参数， 但目前市场上的基于传统设计原理的酸度计或电导率仪都无法实现在同一溶液中的pH和电导率的同时测量。 

现有技术在一个溶液中同时进行电导率与pH的测量会相互干扰，尤其是pH的测量会受到电导率测量的严重干扰，虽然有些仪表采用模拟开关连接电极与电路，即在电导率测量时断开pH电极中的参比电极，在pH测量时断开电导电极，可以有效解决pH电极对电导率测量的影响，但是无法消除电导电极对pH测量的影响。 

当需要测量一个溶液的电导率和pH值时，可直接在一个容器中同时测量。现有的仪表需要将该溶液分在两个容器中同时测量，这需要更多的被检溶液，并需要多清洗一个容器；或者将该溶液放入一个容器中，分两次测量，耽误时间。如滴定仪在进行滴定检测时，既须检测电导率，也须检测pH，但是如果同时检测这两个值，由于传感器的相互干扰，对测量的准确度有很大的影响。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种在同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置。 

为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的： 

同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，包括电导电极、PH电极、PH参比电极，PH电极连接一运算放大电路。

PH参比电极连接一运算放大电路，该运算放大电路连接一比较电路，PH参比电极还连接一NJFET场效应管，场效应管的G极连接一单刀双掷开关J1，单刀双掷开关J1的常闭端子连接到系统地，单刀双掷开关J1的常开端子连接到-15V电源。 

电导电极具有四个电极分别连接四个端子COND1、SENSE1、SENSE2和COND2，在COND1、COND2之间设置有开关J5，在SENSE1、SENSE2之间设置有开关J4，COND1、COND2分别连接一运算放大电路的输入端和输出端，运算放大电路的同相输入端连接开关J2，开关J2连接方波信号检测电路CHKS，运算放大电路的反相输入端连接开关J3，J3连接交流激励电路ACS。 

在PH电极连接与相应的运算放大电路连接电路上还设置有电阻R1。 

在PH参比电极连接与相应的运算放大电路连接电路上还设置有电阻R2。 

在开关J3与运算放大电路的反相输入端之间的连接电路上还设置有电阻R7，电阻R7为一程控电阻，可由控制器选择不同的阻值以获得不同的激励电流。 

ACS为一交流电压信号，幅值固定，频率可变。 

当进行电导率测量时，开关J1切到常开的位置，开关J2、J3、J4、J5保持在常闭的位置，与SENSE1、SENSE2端子连接的HISNS、LOSNS点的差值与电导率有确定的关系，用可编程增益的仪表放大器加A/D转换器即可测得该差值，再根据激励电流的特性即可得出电导率值。 

测完电导率后，将开关J2、J3、J4、J5切到常开的位置，J1保持在常开的位置，控制器通过CHKS点提供一方波信号，如果电导电极与pH电极在同一溶液中，则控制器可在CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号，检测完毕后将开关J2切到常闭的位置。 

如果在CONDCHECK点检测不到与CHKS点反相的方波信号，则电导电极与pH电极不在同一溶液中，将开关J1切到常闭的位置，测量pH值，信号VH与VL的差值即与pH值成正比； 

如果在CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号，则电导电极与pH电极在同一溶液中，开关J1保持在常开的位置，测量pH值，信号VH与VL的差值即与pH值成正比。

此时的测量与常规的pH测量有所不同，即其利用了电导电极做一个参比电极提供电位，而pH的参比电极并不接到系统地，保持高阻，避免了其与电导电极间出现电流。 

考虑到溶液可能是纯水，pH电极的阻抗极大，所以该方波信号频率不能太高，太低也不必要，1KHz是比较好的选择，为了保证检测的可靠性，该方波信号应有多个波头，如4—8个。 

有益效果： 

本发明所述的同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，可以大大提高滴定的准确度。采用新颖的电路设计，实现了在一个溶液中同时进行电导率与pH的快速，准确的测量。

附图说明

图1 为本发明在同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置的电路原理图。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

在同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，从电导电极输出一组脉冲，在pH电极端检测这组脉冲，以确定电导电极与pH电极是否在一个溶液中。 

当电导电极与pH电极在一个溶液中时利用电导电极作为一个参比电极，为pH电极提供参考电位，pH参比电极则与pH电极一样保持高阻状态， pH电极与pH参比电极间的电位差与pH值成正比关系，其斜率与正常测量时一致，这样做的目的是避免在电导电极与pH参比电极间有电流流过，消除电导电极对pH测量的影响。 

图1上半部分为pH测量电路，下半部分为电导率测量电路。 

pH测量电路包括两个输入端子pH和REF，分别连接到pH电极和pH参比电极。pH端子通过电阻R1连接到运算放大器U1B的正输入端，该放大器的负输入端与输出端短路构成一个跟随器；REF端子通过电阻R2连接到运算放大器U1A的正输入端，同时连接到一个NJFET管Q1的D极或S极，Q1的S极或D极连接到系统地，G极连接到一个单刀双掷开关J1的一端，J1的常闭端子连接到系统地，常开端子连接到-15V电源，当J1连接到地时Q1导通，当J1连接到-15V时Q1断开，即Q1与J1构成一个开关将REF端子与地连接或断开，该开关亦可选用其他器件或电路，放大器U1A的负输入端与输出端短路构成一个跟随器；U1B与U1A的输出电压分别为VH和VL，这两个电压的差值与pH值成正比；U2为一比较器，U2的负输入端连接到U1A的输出端，电阻R3连接在U2输出端与正电源3.3V之间，为比较器输出的上拉电阻，电阻R4连接在U2正输入端与正电源3.3V之间，电阻R5连接在U2正输入端与地之间，这两个电阻为U2提供一个约为1.65V的比较电压，电阻R6与电容C3连接在U2输出端与U2正输入端之间，提供一个小的回滞电压，避免比较器U2误触发在输出端产生毛刺，当U1A的输出电压大于U2的正输入端电压时，U2输出低电平，当U1A的输出电压小于U2的正输入端电压时，U2输出高电平，当控制器通过CHKS点提供一方波信号，如果电导电极与pH电极在同一溶液中，则控制器可在U2输出端CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号。 

电导率的测量电路包括4个输入端子COND1、SENSE1、SENSE2和COND2，分别连接到电导电极的4个极上，如果是两环电极，电极的插头会将COND1与SENSE1短接，COND2与SENSE2短接，开关J5连接在COND1与COND2之间，开关J4连接在SENSE1与SENSE2之间，当测量电导率时这两个开关断开，不测时这两个开关闭合；COND2与运放U3的输出端相连，COND1与运放U3的反相输入端相连，电阻R7的一端与运放U3的反相输入端相连，另一端与开关J3的一端相连，交流激励电压ACS由开关J3的另一端接入，开关J2的一端与运放U3的同相输入端相连，常闭端与地相连，方波检测信号CHKS由开关J2的常开端接入，HISNS与LOSNS的差值与电导率有确定的关系，用可编程增益的仪表放大器加A/D转换器即可测得该差值，再根据激励电流的特性即可得出电导率值。 

当进行电导率测量时，开关J1切到常开的位置，J2、J3、J4、J5保持在常闭的位置。电阻R7为一程控电阻，可由控制器选择不同的阻值以获得不同的激励电流，ACS为一交流电压信号，幅值固定，频率可变；HISNS与LOSNS的差值与电导率有确定的关系，用可编程增益的仪表放大器加A/D转换器即可测得该差值，再根据激励电流的特性即可得出电导率值。 

测完电导率后，将开关J2、J3、J4、J5切到常开的位置，J1保持在常开的位置，控制器通过CHKS点提供一方波信号，如果电导电极与pH电极在同一溶液中，则控制器可在CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号，考虑到溶液可能是纯水，pH电极的阻抗极大，所以该方波信号频率不能太高，太低也不必要，1KHz是比较好的选择，为了保证检测的可靠性，该方波信号应有多个波头，如4—8个，检测完毕后将开关J2切到常闭的位置。 

如果在CONDCHECK点检测不到与CHKS点反相的方波信号，则电导电极与pH电极不在同一溶液中，将开关J1切到常闭的位置，测量pH值，信号VH与VL的差值即与pH值成正比。 

如果在CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号，则电导电极与pH电极在同一溶液中，开关J1保持在常开的位置，测量pH值，信号VH与VL的差值即与pH值成正比，此时的测量与常规的pH测量有所不同，即其利用了电导电极做一个参比电极提供电位，而pH的参比电极并不接到系统地，保持高阻，避免了其与电导电极间出现电流。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。 

Claims (5)

1.同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，包括电导电极、PH电极、PH参比电极，其特征在于：

PH电极连接一运算放大器U1B；

PH参比电极连接一运算放大器U1A，该运算放大器U1A连接一比较器U2，PH参比电极还连接一NJFET场效应管，场效应管的G极连接一单刀双掷开关J1，单刀双掷开关J1的常闭端子连接到系统地，单刀双掷开关J1的常开端子连接到-15V电源；

电导电极具有四个电极分别连接四个端子COND1、SENSE1、SENSE2和COND2，在COND1、COND2之间设置有开关J5，在SENSE1、SENSE2之间设置有开关J4，COND1、COND2分别连接一运算放大电路U3的输入端和输出端，运算放大电路U3的同相输入端连接开关J2，开关J2连接方波信号检测电路CHKS，运算放大电路U3的反相输入端连接开关J3，开关J3连接交流激励电路ACS。

2.根据权利要求1所述的同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，其特征在于，在开关J3与运算放大电路U3的反相输入端之间的连接电路上还设置有电阻R7，电阻R7为一程控电阻，由控制器选择不同的阻值以获得不同的激励电流。

3.根据权利要求1所述的同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的实现装置，其特征在于，交流激励电路ACS提供的为一交流电压信号，幅值固定，频率可变。

4.利用权利要求1所述实现装置对同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的测量方法，其特征在于，

当进行电导率测量时，开关J1切到常开的位置，开关J2、J3、J4、J5保持在常闭的位置，与SENSE1、SENSE2端子连接的HISNS、LOSNS点的差值与电导率有确定的关系，用可编程增益的仪表放大器加A/D转换器即测得该差值，再根据激励电流的特性即得出电导率值；

测完电导率后，将开关J2、J3、J4、J5切到常开的位置，开关J1保持在常开的位置，控制器通过CHKS点提供一方波信号，如果电导电极与pH电极在同一溶液中，则控制器可在CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号，检测完毕后将开关J2切到常闭的位置；

如果在CONDCHECK点检测不到与CHKS点反相的方波信号，则电导电极与pH电极不在同一溶液中，将开关J1切到常闭的位置，测量pH值，信号VH与VL的差值即与pH值成正比；

如果在CONDCHECK点检测到与CHKS点反相的方波信号，则电导电极与pH电极在同一溶液中，开关J1保持在常开的位置，测量pH值，信号VH与VL的差值即与pH值成正比；

上述CONDCHECK点连接比较器U2的输出端，运算放大器U1B与运算放大器U1A的输出电压分别为VH和VL；

CHKS点提供一方波检测信号，ACS点为一交流电压信号；

以及HISNS、LOSNS点分别连接于SENSE1、SENSE2端子。

5.根据权利要求4所述的同一溶液中同时进行电导率和PH值测量的测量方法，其特征在于，CHKS点提供的方波信号频率1KHz，该方波信号有多个波头。