CN103728497B - 一种溶液电导率的测量电路 - Google Patents

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本发明涉及一种溶液电导率的测量电路，它由555时基集成电路IC，电阻R1-R2，电容C、C1，电导电极DDJ组成一方波振荡器，一电子开关控制电容C的充、放电回路，使流过电导电极的电流为交流电流，该测量电路输出信号的频率与电导电极中的溶液电阻呈一对应关系；该测量电路结构简单，能自动补偿测量过程中电容效应和极化所产生的误差，具有较高的测量精度。

Description

一种溶液电导率的测量电路
技术领域
本发明涉及一种溶液电导率的测量电路。
背景技术
长期以来对溶液电导率的测量方法是，将一电导电极插入溶液中，溶液的导电性能可用电导电极中的溶液电阻RX的倒数电导1/RX表示，将溶液电阻RX与一基准电阻R串联后，在该串联电路的两端施加一交流电压U（交流电压不会使电极与溶液接触的界面上发生极化，保证测量的准确性），然后测量溶液电阻上的电压UX，根据欧姆定律UX=U×RX/(RX+R)可知，电压UX与溶液电阻RX成一对应关系。然而这种测量方法所使使用的测量装置的结构较为复杂：1、需要设置一振荡器器来产生交流电压U，还要设置一放大电路来对所测到的信号电压UX进行放大，对放大后的信号电压UX还需要进行整流检波将其转换成直流信号电压；2、对振荡器有较高的要求即振荡器的输出信号电压的幅值必须保证稳定。再者在许多场合需要对溶液的电导率进行自动控制，这需要将电导率的直流模似信号转换成数字信号，供计算机控制系统进行处理，将直流模似信号转换成数字信号还需要一A/D转换装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种溶液电导率的测量电路，该测量电路的结构简单，能直接输出与溶液电导率相对应的频率信号。
本发明的测量电路包括，时基集成电路IC，电阻R1-R2，电容C、C1；时基集成电路IC的引脚5通过电容C1接地，时基集成电路IC的引脚8、引脚1分别与电源VDD和地相连接，时基集成电路IC的引脚4接电源VDD；时基集成电路IC的引脚2、引脚6与电容C的一端相连接，电容C的另一端接地，电阻R1、R2的一端相连接，电阻R2的另一端接时基集成电路的引脚7；其特征是，所述的测量电路还包括电阻R3、R4，三极管T1、T2，电导电极DDJ，三级管T1的集电极与电阻R1的另一端连接，三极管T1的发射极接电源VDD，三极管T1的基极通过电阻R3接三极管T2的集电极，三极管T2的发射极接地，三极管T2的基极通过电阻R4与时基集成电路的引脚3相连接，所述的电导电极DDJ两端分别与电阻R2的一端和时基集成电路IC的引脚2相连接；电导电极DDJ为溶液电阻信号输入端，时基集成电路的引脚3为测量信号输出端。
其特点是，1、利用555时基集成电路和电导电极组成一方波振荡器，电导电极的溶液电阻与振荡器输出的信号频率呈一对应关系，电路结构简单；2、流过溶液电阻的交流电流的频率可随溶液电阻的大小自动变化，有效地降低电导电并联电容效应和极化带来的测量误差。
附图说明
图1为本发明的电气原理图。
图2为图1中相关点的波形图。
图3为时基集成电路的等效功能电路图。
具体实施方式
现结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明的测量电路如图1所示，它包括时基集成电路IC，电阻R1-R2，电容C、C1；时基集成电路IC的引脚5通过电容C1接地对干挠信号进行滤波，时基集成电路IC的引脚8、引脚1为工作电源输入端分别与电源VDD和地相连接，时基集成电路IC的引脚4接电源VDD使时基集成电路内的三极管BG2保持在截止状态；时基集成电路IC的引脚2、引脚6与电容C的一端相连接，电容C的另一端接地，电阻R1、R2的一端相连接，电阻R2的另一端接时基集成电路的引脚7；其特征是，所述的测量电路还包括电阻R3、R4，三极管T1、T2，电导电极DDJ，三级管T1的集电极与电阻R1的另一端连接，三极管T1的发射极接电源VDD，三极管T1的基极通过电阻R3接三极管T2的集电极，三极管T2的发射极接地，三极管T2的基极通过电阻R4与时基集成电路的引脚3相连接，所述的电导电极DDJ两端分别与电阻R2的一端和时基集成电路IC的引脚2相连接；电导电极DDJ为溶液电阻信号输入端，时基集成电路的引脚3为测量信号输出端。
所述的电阻R3、R4，三极管T1、T2构成一电子开关，当时基集成电路的引脚3为高电平时三极管T1导通，引脚3为低电平时三极管T1截止。
所述的三极管T1的信号为9012，三极管T2的信号为9013。
所述的时基集成电路的型号为NE555或555系列中的一种，其等效功能如图3所示。
图1电路构成一方波振荡器，可将电导电极的溶液电阻Rx转换成对应的频率信号输出。其工作原理是：
电导电极插入溶液中，电导电极的极片间有一溶液电阻Rx，当加上电源VDD后，由于电容C上的电压不能突变，输出端（引脚3）输出信号Vo呈高电平“1”，而时基集成电路中的三极管BG1截止，三极管T1导通，电容C通过电阻R1、电导电极的溶液电阻Rx对其充电，引脚2电位随电容C上的端电压的升高呈指数上升，如图2中0-t1段电容电压uc波形、输出信号Vo波形、三极管BG1状态波形（斜线填充部分为导通区域）、三极管T1状态波形（斜线填充部分为导通区域）所示。
当电容C上的电压随时间增加，引脚6上的电平达到2/3电源电压值时，上比较器A1翻转，使RS触发器（由与非门F1、F2组成）置位，经反相器F3倒相，时基集成电路的输出端（引脚3）的输出信号Vo呈低电平“0”。此时三极管BG1导通，三极管T1截止，电容C上的电荷经溶液电阻Rx、电阻R2流进三极管BG1（引脚7）放电，电容C上的电压随时间下降，引脚2上的电平降到1/3电源电压时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端（引脚3）呈高电平“1”。如图2中t1-t2段电容电压uc波形、输出信号Vo波形、三极管BG1状态波形、三极管T1状态波形所示。
以上过程重复出现如图2中t3-t5段波形所示，形成振荡，在振荡时，电容C的充电时间为
Tc=0.693（R1+Rx）C（1）
电容C的放电时间为
Tf=0.693（R2+Rx）C（2）
振荡周期为
T=Tc+Tf
=0.693（R1+R2+2Rx）C（3）
振荡频率为
f=1/T=1.443/（R1+R2+2Rx）C（4）
从式4可见，电阻R1、R2、电容C都是常量，振荡频率的变化仅与溶液电阻的变化有关，即振荡频率与溶液电阻有一对应关系。
随着电容C的充、放电，在溶液电阻上会形成一交流电流，取电阻R1、R2的阻值相等，可使流过溶液电阻的电流正半周与负半周相等，即流过溶液电阻的电流不含直流分量，如图2中电流I波形所示，减少电极的极化现象。
本发明另一个特点是，能随溶液电导率的大小自动变换流过溶液电阻的电流频率，自动补偿电导池的并联电容效应误差和极化误差。补偿原理说明如下：
所述的并联电容为因电荷的互相迁移以及电荷对于电极的迁移所形成的电容，它与电导电极的两极片相并联，其容量约为几十微微法。当溶液电解质浓度较低时（如蒸馏水、纯水）其电阻较大（大于100K欧姆），由于并联电容的影响，会使所测到的电导率大于标准值，为降低并联电容的影响，通常采用较低的电流频率（低于100HZ）；
当溶液的电解质浓度较高时其电阻较小（小于100欧姆），电导电极上的电流密度过大会造成极化，表现为在电极表面形成双电层或使电导电极附近的电解液的浓度发生变化，这就使等效的溶液电阻增大，产生测量误差。根据电化学理论，可推出由于极化造成的误差⊿R，即
⊿R＝E2/fRx2(5)
式5中，E为极化电势与溶液的电解质浓度和施加在溶液电阻上的交流电压大小有关，f为交流电源频率，Rx为电极间的溶液电阻；
从式5可看出采用高的交流电源频率可降低极化误差。
本发明在测量电导率时可随溶液电阻的大小自动变化频率，从式4可看出，当溶液电阻较小时流过其中的电流频率较高，当溶液电阻较大时流过其中的电流频率较高。电容C的容量取0.1uf，电阻R1、R2的阻值取100欧姆，电导电极间的溶液电阻Rx的变化范围在50欧姆-100K欧姆，输出的电导率信号的频率范围为7000HZ-70HZ，测量误差可小于2%。因此可自动补偿电导池的并联电容效应误差和极化误差。
本测量电路的电源VDD电压为+6V，使用时其输出端引脚3可与一单片机的输入端口直接连接，单片机内置程序对接收的频率信号进行计算，将频率值转换成电导率值，用于显示、控制。

Claims (2)

1.一种溶液电导率的测量电路，它包括时基集成电路IC，电阻R1-R2，电容C、C1；时基集成电路IC的引脚5通过电容C1接地，时基集成电路IC的引脚8、引脚1分别与电源VDD和地相连接，时基集成电路IC的引脚4接电源VDD；时基集成电路IC的引脚2、引脚6与电容C的一端相连接，电容C的另一端接地，电阻R1、R2的一端相连接，电阻R2的另一端接时基集成电路的引脚7；其特征是，所述的测量电路还包括电阻R3、R4，三极管T1、T2，电导电极DDJ，三级管T1的集电极与电阻R1的另一端连接，三极管T1的发射极接电源VDD，三极管T1的基极通过电阻R3接三极管T2的集电极，三极管T2的发射极接地，三极管T2的基极通过电阻R4与时基集成电路的引脚3相连接，所述的电导电极DDJ两端分别与电阻R2的一端和时基集成电路IC的引脚2相连接；电导电极DDJ为溶液电阻信号输入端，时基集成电路的引脚3为测量信号输出端。
2.根据权利要求1所述的溶液电导率的测量电路，其特征是，所述的电容C的容量为0.1uf，电阻R1、R2的阻值为100欧姆，溶液电阻的变化范围为50欧姆-100K欧姆。
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