CN105548721A - 一种四电极电导率仪的测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种四电极电导率仪的测量电路，具体指一种高精度低成本四电极法测量溶液电导率仪的电路，涉及电子电路技术领域。其包括电压激励源V和电流激励源I，第一激励电极I1，第二激励电极I2，第一测量电极V1，第二测量电极V2，第一切换开关SW1和第二切换开关SW2及参考电源VSRC以电路方式连接。在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励V；在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励I。本发明基于采用模拟交流信号源，对激励电极交替施加单极性方波激励源的方法，有效地解决信号源不对称带来的测量误差及通过信号源切换为电压源激励或电流源激励，以满足溶液电导率为0～200ms全量程测量精度的要求。

Description

一种四电极电导率仪的测量电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体指一种高精度低成本四电极法测量溶液电导率仪的电路。

背景技术

电导率的传统测量方法是采用两电极技术，即在两电极上加上恒定振幅的交流电压信号，测量流经两电极之间的电流(如附图1所示)。常采用运算放大器作为I/V转换电路，被测溶液的电导率与运放输出成反比。由于激励电极和测量电极为同一电极，因此产生极化效应，随着溶液的电导率增大，测量误差也增大。由此设计了一种用于消除极化效应的四电极电导电极(如附图2所示)。其中，第一激励电极(或电流)I1、第二激励电极I2，第一测量测量电极V1、第二测量电极V2，把测量电极和激励(或电流)电极分开，这样有效地减小了因极化效应产生的测量误差，(测量电路如附图3所示)。在第一激励电极(或电流)I1、第二激励电极I2施加交流电流信号，在第一测量测量电极V1、第二测量电极V2，测量相应的电压信号，由于第一测量测量电极V1、第二测量电极V2，连接高输入阻抗跟随器，因此第一测量测量电极V1、第二测量电极V2上流过的电流几乎为零，不会发生电流泄漏现象，溶液的电导率和第一测量测量电极V1、第二测量电极V2的差分电压成反比。论文《开放式四电极电导率传感器的研制与实验》和《以电导率测量为核心的多参数水质检测系统的研究_俞宏波》提到了一种固定测量电极电压测量电极电流的方法测量电导率，固定电压为正负交替的方波。而国外的梅特勒·托多利公司设计的″FiVeEasyPlus″实验室电导率仪采用的方法为激励电极采用方波恒流驱动。由于激励源的正负不能保证100％的对称，因此将会在测量电极产生偏置，导致后续交直流变化产生波动，产生测量误差；并且在测量低电导率溶液时，微小的恒流源精度难以保证，因此带来误差。并且产生交流信号需要负电源和高性能的运放，不但占用有限的空间资源，而且使得仪器制作成本的上升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种四电极电导率仪的测量电路。本发明一种四电极电导率仪的测量电路工作原理(如附图4所示)简述如下：

本发明一种四电极电导率仪的测量电路，第一、采用模拟交流信号源，对激励电极交替施加单极性方波激励源的方法，有效地解决了信号源不对称的问题。第二、在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励；在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励。其中，电阻器R1为第一激励电极I1和第一测量电极V1之间的等效电阻；电阻器R2为第一测量电极V1和第二测量电极V2之间的等效电阻；电阻器R3为第二测量电极V2和第二激励电极I2之间的等效电阻。当施加电流激励源I时，回路电流等于激励电流i，测量电极的电压为Vout＝i*R2，可得：R2＝Vout/i，电导率为：G＝k/R2，其中k为电极常数。当施加电压激励源V时，测得Rt端的电压为Vt，因此回路电流为：i＝Vt/Rt，测量电极的电压为Vout，可得：R2＝Vout*Rt/Vt，电导率为：G＝k/R2。

本发明一种四电极电导率仪的测量电路，包括电压激励源V和电流激励源I，第一激励电极I1，第二激励电极I2，第一测量电极V1，第二测量电极V2，第一切换开关SW1和第二切换开关SW2及参考电源VSRC以电路方式连接。

所述第一切换开关SW1的两个公共端分别连接第一激励电极I1和电阻器Rt，电阻器Rt另一端连接第二激励电极I2。

所述第二切换开关SW2的公共端连接第一切换开关SW1的两个输入端，第二切换开关SW2的输入分别连接电压激励源V和电流激励源I。

所述第一测量电极V1，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器。

所述高输入阻抗跟随器由高输入阻抗运放U1A、U1D构成，第一测量电极V1，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器的两个同向输入端，高输入阻抗跟随器的两个输出端分别连接电阻器Ra、电阻器Rb，电阻器Ra连接运放U1B的反向输入端，电阻器Rb连接运放U1B的同向输入端；

电阻器Rd连接运放U1B的反向输入端和输出端，电阻器Rc连接运放U1B的同向输入端和参考源VSRC。

其中，电阻器Ra，电阻器Rb，电阻器Rc，电阻器Rd与运放U1B构成差分放大电路；

电阻器Rt与第二激励电极I2的连接端接入运放U1C的同向输入端，用于检测电阻器Rt的电压。

所述第一切换开关SW1为74HC4053；

所述第二切换开关SW2为AD623；

所述运放U1A、U1B、U1C、U1D为AD8609；

所述电阻Ra、电阻Rb、电阻Rc、电阻Rd为100k，电阻Rt为1k。

在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励V。在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励I。

其中，电阻器R1为第一激励电极I1和第一测量电极V1之间的等效电阻。

电阻器R2为第一测量电极V1和第二测量电极V2之间的等效电阻。

电阻器R3为第二测量电极V2和第二激励电极I2之间的等效电阻。

当施加电流激励源I时，回路电流等于激励电流i，测量电极的电压为Vout＝i*R2，可得：R2＝Vout/i，电导率为：G＝k/R2，其中k为电极常数。

当施加电压激励源V时，测得Rt端的电压为Vt，因此回路电流为：i＝Vt/Rt，测量电极的电压为Vout，可得：R2＝Vout*Rt/Vt，电导率为：G＝k/R2。

综上所述，本发明基于采用模拟交流信号源，对激励电极交替施加单极性方波激励源的方法，有效地解决了信号源不对称的问题。和在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励，在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励的基本思路和实际电路，达到了减小激励源不对称带来的测量误差和降低电路成本的效果。

附图说明

图1为现有技术两电极测量电路原理图；

图2为现有技术四电极电导电极结构示意图；

图3为现有的四电极电导电极测量电路原理图；

图4为本发明一种四电极电导率仪的测量电路原理图；

图5为本发明的电路连接图；

图6为本发明的激励电极的电压激励波形图；

图7为本发明的Rt端的电压波形图。

附图标记号说明：

SW1：为74HC4053

SW2：为AD623

运放U1A、U1B、U1C、U1D：为AD8609

电阻器Ra，Rb，Rc，Rd：为100k

电阻器Rt：为1k

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

实施方案如下：

本发明的电路连接关系(如图5所示)：

通过切换开关SW1(双2选1)的两个公共端分别连接第一激励电极I1，电阻器Rt。电阻器Rt另一端连接第二激励电极I2。通过切换开关SW2的公共端连接SW1的两个输入端，SW2的输入分别连接电压激励源V和电流激励源I。

所述第一测量电极V1，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器。

所述高输入阻抗跟随器由高输入阻抗运放U1A、U1D构成，第一测量电极V1，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器的两个同向输入端，高输入阻抗跟随器的两个输出端分别连接电阻器Ra、电阻器Rb，电阻器Ra连接运放U1B的反向输入端，电阻器Rb连接运放U1B的同向输入端；

电阻器Rd连接运放U1B的反向输入端和输出端，电阻器Rc连接运放U1B的同向输入端和参考源VSRC。

其中，电阻器Ra，电阻器Rb，电阻器Rc，电阻器Rd与运放U1B构成差分放大电路；

电阻器Rt与第二激励电极I2的连接端接入运放U1C的同向输入端，用于检测电阻器Rt的电压。

本发明实施例中，采用1/2占空比的PWM输出信号控制模拟开关SW1，当PWM信号为高电平时，第一激励电极I1电极连接信号源，第二激励电极I2接地；当PWM信号为低电平时，第一激励电极I1接地，第二激励电极I2接信号源。AD芯片采集采样电阻Rt上的电压信号用于计算电流。第一测量电极V1，第二测量电极V2接高输入阻抗跟随器的两个同向输入端，高输入阻抗跟随器的两个输出端分别连接电阻器Ra、电阻器Rb。电阻器Ra连接运放U1B的反向输入端，电阻器Rb连接运放U1B的同向输入端；

电阻器Rd连接运放U1B的反向输入端和输出端，电阻器Rc连接运放U1B的同向输入端和参考源VSRC。

其中，电阻器Ra，电阻器Rb，电阻器Rc，电阻器Rd与运放U1B构成差分放大电路；差分放大电路产生1/2Vreference偏置电压用于单极性采集。Vreference为AD芯片参考电压。因此所测溶液的电导率和(V_out/V_Rt)的比值成反比。

根据不同的量程选择不同的电阻器Rt，现选择电阻器Rt＝1k，选择电压激励方式，激励幅值为1.160V，激励电极施加的电压激励信号如附图6所示)，图中波形1为第二激励电极I2的激励波形，波形2为第一激励电极I1的激励波形。测量电导率为64uS的溶液，测得电阻器Rt上的波形(如图7所示)，其中波形2为第二激励电极I2的激励波形，波形1为电阻器Rt上的波形。

综上所述，本发明采用单极性电路设计替代精密双极性激励源，减少了负电源产生电路；采用激励信号分开施加于激励电极的方式解决了信号源不对称的问题；采用电流激励和电压激励测量高低电导率的方式提高了满足测量溶液电导率为0～200ms全量程情况下测量精度的要求并极大地降低电路制作成本。

Claims (5)

1.一种四电极电导率仪的测量电路，其特征在于，包括电压激励源V和电流激励源I，第一激励电极I1，第二激励电极I2，第一测量电极V1，第二测量电极V2，第一切换开关SW1和第二切换开关SW2及参考电源VSRC以电路方式连接。

2.如权利要求1所述的四电极电导率仪的测量电路，其特征在于，所述第一切换开关SW1的两个公共端分别连接第一激励电极I1和电阻器Rt，电阻器Rt另一端连接第二激励电极I2；

所述第二切换开关SW2的公共端连接第一切换开关SW1的两个输入端，第二切换开关SW2的输入分别连接电压激励源V和电流激励源I；

所述第一测量电极V1，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器。

3.如权利要求2所述的四电极电导率仪的测量电路，其特征在于，所述高输入阻抗跟随器由高输入阻抗运放U1A、U1D构成，第一测量电极V1，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器的两个同向输入端，高输入阻抗跟随器的两个输出端分别连接电阻器Ra、电阻器Rb，电阻器Ra连接运放U1B的反向输入端，电阻器Rb连接运放U1B的同向输入端；

电阻器Rd连接运放U1B的反向输入端和输出端，电阻器Rc连接运放U1B的同向输入端和参考源VSRC。

其中，电阻器Ra，电阻器Rb，电阻器Rc，电阻器Rd与运放U1B构成差分放大电路；

电阻器Rt与第二激励电极I2的连接端接入运放U1C的同向输入端，用于检测电阻器Rt的电压。

4.如权利要求2或3所述的四电极电导率仪的测量电路，其特征在于，所述第一切换开关SW1为74HC4053

所述第二切换开关SW2为AD623

所述运放U1A、U1B、U1C、U1D为AD8609

所述电阻Ra、电阻Rb、电阻Rc、电阻Rd为100k，电阻Rt为1k。

5.如权利要求1所述的四电极电导率仪的测量电路的操作，其特征在于，在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励V；在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励I；

其中，电阻器R1为第一激励电极I1和第一测量电极V1之间的等效电阻；

电阻器R2为第一测量电极V1和第二测量电极V2之间的等效电阻；

电阻器R3为第二测量电极V2和第二激励电极I2之间的等效电阻；

当施加电流激励源I时，回路电流等于激励电流i，测量电极的电压为Vout＝i*R2，可得：R2＝Vout/i，电导率为：G＝k/R2，其中k为电极常数；

当施加电压激励源V时，测得电阻器Rt端的电压为Vt，因此回路电流为：i＝Vt/Rt，测量电极的电压为Vout，可得：R2＝Vout*Rt/Vt，电导率为：G＝k/R2。