CN107228886B - 水的电导率电阻率检测的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水的电导率电阻率检测的测量装置和方法，装置包括顺序连接的测量电路、减法电路、AD转换电路、主芯片；所述测量电路与主芯片连接；方法包括：测量电路根据来自主芯片的正脉冲方波激励，将不同电压加载到电极两端，使水中产生交替的正反向电流并放大、检波，得到信号电压V1、V2；减法电路将信号电压V1、V2做减法后得到测量信号Vout；AD转换电路将测量信号Vout进行AD转换；主芯片根据AD转换后的测量信号Vout计算水的电导率或电阻率。本发明采用正脉冲方波激励被测溶液，设置激励放大电路，使电导池在正脉冲方波激励时存在正反方向电流流过，以抵抗极化效应。

Description

水的电导率电阻率检测的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及水质测量领域，具体说是水的电导率电阻率检测的测量装置和方法。

背景技术

二电极式电导电极是目前国内使用最多的电导电极类型，测量方法有采用直流激励和交流激励。为了抵抗溶液的电极化效应，多采用正负正弦交流，或者正负方波交流，或者双频率的交流，来进行溶液的电阻率电导率测量。这些方法需要设计正负电源以提供激励，相应电路设计相对复杂，同时电导率电阻率计算方法复杂，所以认为硬件成本和系统速度和效率上还不能满足日益庞大的市场需求。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种水的电导率电阻率检测的测量装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水的电导率电阻率检测的测量装置，包括顺序连接的测量电路、减法电路、AD转换电路、主芯片；所述测量电路与主芯片连接；

测量电路，用于根据来自主芯片的正脉冲方波激励，将不同电压加载到电极两端，使水中产生交替的正、反向电流并放大、检波，得到信号电压V1、V2；

减法电路，用于将信号电压V1、V2做减法后得到测量信号Vout；

AD转换电路，用于将测量信号Vout进行AD转换；

主芯片，用于根据AD转换后的测量信号Vout计算水的电导率或电阻率。

所述测量电路包括两个开关芯片和运算放大电路；两个开关芯片的电源端连有直流参考电压Vref，所述第一开关芯片的控制端、第二开关芯片的控制端与主芯片连接；第一开关芯片的常开端连有直流参考电压、常闭端接地，输出端与电极A端连接；电极B端经运算放大电路与第二开关芯片的输出端连接；所述第二开关芯片的常开端、常闭端分别经电阻后作为电压V1端、电压V2端。

所述运算放大电路包括第一运算放大器；第一运算放大器的反相输入端与电极B端连接、还通过放大电阻Rx与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端经电阻与第二开关芯片的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端经电阻R1后，通过电阻R2接地、通过电阻R3接入直流参考电压Vref。

所述减法电路包括第二运算放大器，第二运算放大器的反向输入端分别经电阻与电压V1端、第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的正向输入端分别经电阻与电压V2端、地连接；第二运算放大器的输出端经RC电路输出测量信号Vout。

水的电导率电阻率检测的测量方法，包括以下步骤：

主芯片发出正脉冲方波至测量电路；

测量电路将不同电压加载到电极两端，使水中产生交替的正、反向电流并放大、检波，输出信号电压V1、V2；

减法电路将V1和V2做减法后，输出可测量信号Vout；经过AD转换后进行计算得到水的电导率或电阻率。

所述正脉冲方波的幅值等于参考电压Vref。

所述测量电路将不同电压加载到电极两端，使水中交替产生正反向电流并放大、检波，输出信号电压V1、V2包括以下步骤：

测量电路的两个开关芯片接收同步同频的正向脉冲方波；

第一个开关芯片控制输出激励信号Vfq的电位幅度等于参考电压Vref，频率F等于正向脉冲方波频率；第一运算放大器同向输入端配置电阻分压得到的由于激励信号Vfq的电位变化，使绝对值为频率为F的正、反压降加载到电极的两端，水的等效阻抗中交替地通过正、反向电流；

运算放大电路通过放大电阻Rx将交替电流放大输出为电压信号Vrx，通过第二开关芯片同步检波后，输出两路信号电压V1、V2。

所述正脉冲方波的频率为50Hz～20KHz。

所述经过AD转换后进行计算得到水的电阻率通过以下公式实现：

其中，R为水的电阻率，Rx为放大电阻阻值，P为电极常数；AD为采样值；Const为AD常数。

所述经过AD转换后进行计算得到水的电导率通过以下公式实现：

其中，G为水的电导率，Rx为放大电阻阻值，P为电极常数，AD为采样值。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.不需要设计正负电源，不需要设计正负交流激励，单向直流电路即可产生正脉冲方波的设计简单可靠，硬件成本非常低。

2.电导率电阻率计算方法简单，系统速度快效率高。低成本高性价比更能满足日益庞大的市场需求。

3.采用正脉冲方波激励被测溶液，设置激励放大电路，使电导池在正脉冲方波激励时存在正反方向电流流过，以抵抗极化效应。

附图说明

图1是本发明的测量电路信号激励放大原理图；

图2是本发明的测量电路减法电路原理图；

图3是本发明的测量电路和减法电路工作原理流程图；

图4是本发明的主芯片工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

正负交流激励可以抵杭极化效应对测量的影响，同样正反方向交替的电流也能抵抗极化效应。由此可以设计正脉冲方波，巧妙设计电路后，即只需要正电源就能产生正反方向交替的电流。此后只需要做滤波检波和电路减法，就能消除分布式电容的影响，产生可以直接测量的电压信号。

本发明的测量方法，包括下列特点：采用正脉冲方波激励被测溶液，巧妙设置激励放大电路，使电导池在正脉冲方波激励时存在正反方向电流流过，以抵抗极化效应。本发明的测量方法，包括以下步骤：正脉冲方波激励，电极正反电流信号放大，正反信号检波，信号电压减法，输出AD采样，计算等效电阻率电导率，电极参数矫正。

测量计算的关键参数有：放大电阻Rx，正脉冲方波的幅值等于参考电压Vref，采样值AD，电极常数P。影响测量精度的关键参数有：参考电压Vref的稳定性，正脉冲方波的频率，放大电阻Rx的精度，减法电路匹配电阻精度，电极常数，温度补偿精度。

电阻率电导率采用此测量方法，电路中所有信号链都是正电位，也能有效抵抗极化效应；测量电路简单，极大的降低硬件成本；运算简化，提高了测量系统的速度和效率。

通过正向脉冲方波，正电位的信号检波，输出电压减法电路，等硬件设计，同时AD采样后简单计算即可实现电导率电阻率的测量。本方法硬件设计简单成本低，数据处理简单速度快效率高，可使用的是二电极式或四极式电极。

如图1所示，测量电路只需要稳定的单向直流参考电压Vref，通过模拟开关芯片输出正向脉冲方波，用于被测水溶液的激励信号。再通过精密电阻分压得到使幅值为Vref频率为F的正向脉冲方波和加载到测量电极的两端，水溶液等效阻抗Rp+Cp中就会交替的通过正反向电流。运算放大电路通过Rx电阻将交替电流放大输出为电压信号Vrx，通过模拟开关芯片同步检波后，信号分成两路信号V1和V2。其中，Cp表示等效电容。

如图2所示，V1和V2信号做减法后，输出可测量信号Vout，经过AD转换后即可进行电导率电阻率的计算。

如图3所示为测量信号链路，整个链路正电位，不存在负电压。

从图3信号链路中的基本公式可知，水溶液电导率电阻率稳定时，正反向电流的大小是相等的

电路最终输出Vout信号电压

由此推导

水溶液电阻率R＝等效电阻Rp/电极常数矫正P；假设AD采样的分辨率为12位，则水溶液的电阻率

由上公式可知，只需要知道精密放大电阻Rx和电极常数P两个参数，通过实时的AD值即可计算出电阻率。电导率是电阻率的倒数，公式如下

上面两个公式中，常数根据采用AD的位数来确定。AD位数越多，精度越高，常数越大。

10位AD常数1024＝2¹⁰，12位AD常数4096＝2¹²，16位AD常数65536＝2¹⁶，等等。(公式中的4096就是AD常数Const)。

当然水溶液温度影响电导率电阻率的测得值，还需要温度测量并换算成25℃的电导率电阻率值。如图4所示。

从上公示推导中看出，测量计算的关键参数有：放大电阻Rx，正脉冲方波的幅值等于参考电压Vref，采样值AD，电极常数P。

放大电阻Rx计算公式：Rx＝(AD/4096)*P/G＝(AD/4096)*P*R

根据电导率G或者电阻率R的测量范围，来选择放大电阻Rx。

但是并不代表其它电路参数不会影响测量精度，重要的关键参数有：参考电压Vref的稳定性，正脉冲方波的频率，放大电阻Rx的精度，减法电路匹配电阻精度，电极常数，温度补偿精度等。实际电路设计时，参考电压Vref尽可能的降低纹波提高稳定性。正脉冲方波的频率在50Hz～20KHz之间，电导率越高，频率选择越大。放大电阻Rx尽可能采用高精密低温漂电阻。

正脉冲方波Vfq的幅值必须要等于Vref，这样才能保证Rx放大信号的准确性。电阻率越高的水溶液，极化现象更严重，需要更高频率正脉冲方波的激励信号。电阻率越低的水溶液，分布式电容的影响开始显著，极化影响慢慢变小，可以降低激励信号正脉冲方波的频率。正脉冲方波Vfq的频率F在50Hz～20KHz之间进行试验选择，保证后级输出信号不会失真。在正脉冲方波激励时，正反向电流放大后输出的Vrx包含两种信号，完全与正脉冲方波频率同步。

在模拟开关芯片对Vrx信号进行检波时，要保证和正脉冲方波频率同步，从而正确获得正向电流时的V1放大信号，和反向电流时的V2放大信号。V1和V2信号含有共模Vref/2和差模I*Rx。水溶液的电阻率不同，V1和V2的差模I*Rx也就不同。

设计减法电路后，提取出差模信号Vout＝2*I*Rx。之后可以直接对Vout进行AD采样，AD参考电压为Vref。

Claims (8)

1.水的电导率电阻率检测的测量装置，其特征在于包括顺序连接的测量电路、减法电路、AD转换电路、主芯片；所述测量电路与主芯片连接；

测量电路，用于根据来自主芯片的正脉冲方波激励，将不同电压加载到电极两端，使水中产生交替的正、反向电流并放大、检波，得到信号电压V1、V2；

减法电路，用于将信号电压V1、V2做减法后得到测量信号Vout；

AD转换电路，用于将测量信号Vout进行AD转换；

主芯片，用于根据AD转换后的测量信号Vout计算水的电导率或电阻率；

所述测量电路包括两个开关芯片和运算放大电路；两个开关芯片的电源端连有直流参考电压Vref，第一开关芯片的控制端、第二开关芯片的控制端与主芯片连接；第一开关芯片的常开端连有直流参考电压、常闭端接地，输出端与电极A端连接；电极B端经运算放大电路与第二开关芯片的输出端连接；所述第二开关芯片的常开端、常闭端分别经电阻后作为电压V1端、电压V2端。

2.根据权利要求1所述的水的电导率电阻率检测的测量装置，其特征在于所述运算放大电路包括第一运算放大器；第一运算放大器的反相输入端与电极B端连接、还通过放大电阻Rx与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端经电阻与第二开关芯片的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端经电阻R1后，通过电阻R2接地、通过电阻R3接入直流参考电压Vref。

3.根据权利要求1所述的水的电导率电阻率检测的测量装置，其特征在于所述减法电路包括第二运算放大器，第二运算放大器的反向输入端分别经电阻与电压V1端、第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的正向输入端分别经电阻与电压V2端、地连接；第二运算放大器的输出端经RC电路输出测量信号Vout。

4.水的电导率电阻率检测的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

主芯片发出正脉冲方波至测量电路；

测量电路将不同电压加载到电极两端，使水中产生交替的正、反向电流并放大、检波，输出信号电压V1、V2；

减法电路将V1和V2做减法后，输出可测量信号Vout；经过AD转换后进行计算得到水的电导率或电阻率；

所述测量电路将不同电压加载到电极两端，使水中交替产生正反向电流并放大、检波，输出信号电压V1、V2包括以下步骤：

测量电路的两个开关芯片接收同步同频的正向脉冲方波；

第一个开关芯片控制输出激励信号Vfq的电位幅度等于参考电压Vref，频率F等于正向脉冲方波频率；第一运算放大器同向输入端配置电阻分压得到的由于激励信号Vfq的电位变化，使绝对值为频率为F的正、反压降加载到电极的两端，水的等效阻抗中交替地通过正、反向电流；

运算放大电路通过放大电阻Rx将交替电流放大输出为电压信号Vrx，通过第二开关芯片同步检波后，输出两路信号电压V1、V2；

所述运算放大电路包括第一运算放大器；第一运算放大器的反相输入端与电极B端连接、还通过放大电阻Rx与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端经电阻与第二开关芯片的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端经电阻R1后，通过电阻R2接地、通过电阻R3接入直流参考电压Vref。

5.根据权利要求4所述的水的电导率电阻率检测的测量方法，其特征在于所述正脉冲方波的幅值等于参考电压Vref。

6.根据权利要求4所述的水的电导率电阻率检测的测量方法，其特征在于所述正脉冲方波的频率为50Hz～20KHz。

7.根据权利要求4所述的水的电导率电阻率检测的测量方法，其特征在于所述经过AD转换后进行计算得到水的电阻率通过以下公式实现：

其中，R为水的电阻率，Rx为放大电阻阻值，P为电极常数；AD为采样值；Const为AD常数。

8.根据权利要求4所述的水的电导率电阻率检测的测量方法，其特征在于所述经过AD转换后进行计算得到水的电导率通过以下公式实现：

其中，G为水的电导率，Rx为放大电阻阻值，P为电极常数，AD为采样值。