CN207557158U

CN207557158U - 一种低成本高精度的饮用水电导率测量电路

Info

Publication number: CN207557158U
Application number: CN201721755809.0U
Authority: CN
Inventors: 唐翔; 蔡敏
Original assignee: Hangzhou Telemetry Internet Of Things Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Telemetry Internet Of Things Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2027-12-15

Abstract

本实用新型公开了一种低成本高精度的饮用水电导率测量电路，所述的测量电路采用ARMCore‑M内核的32bit单片机，所述测量电路包括信号激励源、隔直电容、分压电路、电导池、测压电路一、测压电路二，所述的分压电路包括分压电阻R₁，所述的信号激励源通过隔直电容连接分压电阻R₁，所述的测压电路一、测压电路二分别连接在分压电阻R₁的两端并与单片机连接，所述的测压电路一、测压电路二分别包括缓冲器U1A、U1B。本实用新型能高精度测量饮用水电导率，同时降低测量成本，从而达到较佳性价比。

Description

一种低成本高精度的饮用水电导率测量电路

技术领域

本实用新型涉及电化学测量装置技术领域，特别涉及一种低成本高精度的饮用水电导率测量电路。

背景技术

电导率，从量纲上来讲，是单位长度，单位截面积导体电阻的倒数，是单位体导电能力强弱的表现。

电导率是饮用水水质的主要指标之一，饮用水的电导率一般在10～1000us/m之间。电导率太低，表明水中导电离子太少，也就是说水太干净了，长期饮用会造成盐类，矿物质的缺乏。电导率太高，表明水中导电离子很多，不排除水质太硬，盐类过多，甚至受到工业污染的可能性。

传统饮用水电导率测试方法对于测量精度和测量成本没有较佳的组合，导致测量精度高时测量成本也高，而测量成本低了测量精度又无法保证。

发明内容

本实用新型是为了解决饮用水电导率测试精度与成本性价比低的问题，提供一种具有能高精度测量饮用水电导率，同时降低测量成本，从而达到较佳性价比的低成本高精度的饮用水电导率测量电路。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案，一种低成本高精度的饮用水电导率测量方法，所述的测量方法采用2极式电导池并以脉冲信号为信号激励源，所述测量方法使用分压电路测量电导池电阻，所述的脉冲信号通过隔直电容进入分压电路可测得脉冲电压V₀，所述的脉冲电压V₀经分压电阻R₁输入至电导池，可测得电导池上的瞬间电压V₁，所述电导池的电导率值1/R_S可根据R₁、V₀、V₁再按电导池的单位系数K_CELL、电解质温度补偿系数K_TMP和温度值T计算得出：

1/R_S＝(V₀-V₁)/V₁/R₁/K_CELL/(1+K_TMP(T-25))。

作为优选，所述的V0，V1测量时分别通过缓冲器U1A、U1B进行阻抗变换后进入ADC，所述的U1A、U1B为CMOS输入、轨至轨输入输出的运放。

作为优选，所述的V0，V1测量时ADC分辨率为14bit。单片机片上ADC是12bit的，用数字滤波和过采样技术，提高ADC分辨率(ADC：模拟量/数字量转换器，分辨率：模拟量在离散化为数字量时，数字量的阶数，分辨率越高，测量精度越高)至14bit，即：采样20次，按均方根大小，去除4个偏差最大的数据，剩余的16个数据累加后再除以4，得到1个14bit的数据。14bit的测量数据足以保证1‰的测量误差范围。

本方案电导率测量用的电极的等效电路包含电感，电容，电阻，类似于一个带阻尼的LC谐振回路，如图1所示，电感主要是由导线引起的，一般在1uH以下，电容是导线，电极，溶液共同引起的一般在1nF以下，那么其谐振频率f＝1/(2π√LC)>2MHz。周期<500ns左右，也就是说，当外加直流信号后(从宏观上来讲是脉冲信号，但是在极短的时间内，可以看成是直流信号)，在100倍于振荡周期TD(500ns x 100＝50us)后，基本就可以不考虑电极等效的LC回路带来的影响；

激励信号通过隔直电容C1隔离直流分量后，得到瞬间的脉冲电压V₀，V₀经分压电阻R₁，输入至电导池，测得电导池上的瞬间电压V₁，按欧姆定律可得：

(R_X+R₁)/R_X＝V₀/V₁，

整理后可得：1/R_X＝(V₀-V₁)/V₁/R₁；

从上式可以看到，由于R₁的阻值是确定的，所以只需测得V₀、V₁即可计算得到电导池的电导，又：1/R_X＝1/R_S*K_CELL*(1+K_TMP(T-25))

得：1/R_S＝(V₀-V₁)/V₁/R₁/K_CELL/(1+K_TMP(T-25))；

即再按电导池的单位系数(K_CELL)，电解质温度补偿系数(K_TMP)和温度值(T)，就可以计算出电导率值(1/R_S@25℃)，由于隔直电容C1的隔离作用，即使激励信号VIN在低电平的时候不为0，在隔直电容C1充放电完成后，也不会有电流流过电极，也就不会产生正向极化，而且隔直电容C1上充放电的电荷数是一致的，这样的等量电荷双向移动保证了电极不会产生反相极化。

一种低成本高精度的饮用水电导率测量电路，所述的测量电路采用ARMCore-M内核的32bit单片机，所述测量电路包括信号激励源、隔直电容、分压电路、电导池、测压电路一、测压电路二，所述的分压电路包括分压电阻R₁，所述的信号激励源通过隔直电容连接分压电阻R₁，所述的测压电路一、测压电路二分别连接在分压电阻R₁的两端并与单片机连接，所述的测压电路一、测压电路二分别包括缓冲器U1A、U1B。本方案采用ARMCore-M内核的32bit单片机，利用片上的12bitADC，实现TS＝1us的高速采样；从客观上来讲测压电路一、测压电路二测得的V₀、V₁是分2次进行的，但是由于间隔时间极短，可以认为是同时进行的；由于采用了ARMCore-M单片机，在测量部分的基础上，外加电源，通讯，显示等外围器件，就可以搭建一个完整的饮用水电导率测试仪或智能检测模块。

作为优选，所述的信号激励源采用脉冲信号激励源。以占空比极小的脉冲信号为信号激励源，可以提高测量精度。

作为优选，所述的隔直电容采用CBB电容。

作为优选，所述的分压电阻R₁采用1‰的高精度电阻。

本方案在隔直电容C1，分压电阻R1容量的选择上要保证R₁C₁的时间常数远远大于脉冲宽度，即：T_RC＝0.63R₁C₁>100(TD+2TS)，TD是测量延时，TS是测量所需的时间。

作为优选，所述的U1A、U1B为CMOS输入、轨至轨输入输出的运放。本方案在V0，V1测量时，加入了缓冲器U1，U1为CMOS输入、轨至轨输入输出的运放，主要目的是进行阻抗变换，防止ADC输入电流对分压电路的影响。

作为优选，所述的测量电路设有温度传感器，所述的温度传感器为DS18B20。电导率的测试需要进行温度补偿，水中导电的主要是水和电解质电离产生的离子，同一杯水温度越高，电离的程度越大，导电能力越强，如果不进行温度补偿，那么不同温度下的不同的水的电导率将没有可比性，所以需要换算成标准温度(@25℃)下的电导率，如果用pt100，pt1000,或NTC等热敏电阻来测量温度，需要相应的硬件电路来处理模拟信号，而且不同器件本身会有一定的偏差，如果要测量准确(±0.5℃)，那么必须要校准，给后期的生产维护等带来很多的不便；而本方案电路采用DS18B20来测量温度，不需要额外的信号处理电路，不需要校准，直接与单片机通讯即可实现(±0.5℃)精度的温度测量，测量范围在(-20℃～120℃)。

因此，本实用新型具有如下有益效果：(1)能高精度测量饮用水电导率；(2)同时降低测量成本，从而达到较佳性价比。

附图说明

图1是本实用新型电导率测量用的电极的等效电路示意图。

图2是本实用新型的分压电路示意图。

图3是本实用新型的测压电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。

如图1至图3所示，一种低成本高精度的饮用水电导率测量方法，测量方法采用2极式电导池并以脉冲信号为信号激励源，测量方法使用分压电路测量电导池电阻，脉冲信号通过隔直电容进入分压电路可测得脉冲电压V₀，脉冲电压V₀经分压电阻R₁输入至电导池，可测得电导池上的瞬间电压V₁，电导池的电导率值1/R_S可根据R₁、V₀、V₁再按电导池的单位系数K_CELL、电解质温度补偿系数K_TMP和温度值T计算得出：

1/R_S＝(V₀-V₁)/V₁/R₁/K_CELL/(1+K_TMP(T-25))；

V0，V1测量时分别通过缓冲器U1A、U1B进行阻抗变换后进入ADC，U1A、U1B为CMOS输入、轨至轨输入输出的运放；

V0，V1测量时ADC分辨率为14bit；

一种测量电路，测量电路采用ARMCore-M内核的32bit单片机，测量电路包括信号激励源、隔直电容、分压电路、电导池、测压电路一、测压电路二，分压电路包括分压电阻R₁，信号激励源通过隔直电容连接分压电阻R₁，测压电路一、测压电路二分别连接在分压电阻R₁的两端并与单片机连接，测压电路一、测压电路二分别包括缓冲器U1A、U1B；

信号激励源采用脉冲信号激励源；隔直电容采用CBB电容；分压电阻R₁采用1‰的高精度电阻；U1A、U1B为CMOS输入、轨至轨输入输出的运放；测量电路设有温度传感器，温度传感器为DS18B20。

具体使用过程是，如图2，激励信号VIN通过隔直电容C1隔离直流分量后，得到瞬间的脉冲电压V₀，V₀经分压电阻R₁，输入至电导池，测得电导池上的瞬间电压V₁，再按电导池的单位系数K_CELL，电解质温度补偿系数K_TMP和温度值T，就可以计算出电导率值1/R_S@25℃，即25℃时的电导率；如图3，V0，V1测量时分别通过缓冲器U1A、U1B进行阻抗变换后进入ADC。

实施例一，采用C1＝1uF，R1＝10.02K，TD＝200us，TS＝2us，为了有效抑制50Hz工频干扰，采样周期＝20ms，也就是占空比为1％，(注：所有电阻值用4位半万用表测得)；以理想状态，只接标准电阻，取得实测值1；按图1，模拟电导池结构，取Ls＝1uH，Cs＝1nF，取得实测值2，两种情况获得的结果对比如下：

从上表数据可以看出，在只接标准电阻时，实测值与理论值非常接近，误差很小，说明本测量方法，在理想状态下是可行的；在模拟工况下测试时，电感Ls的存在不影响测量结果。在电导率10～2000us/m范围内，测量误差也很小。当测量10.0us/m以下时，特别是2.0us/m以下时，误差急剧增加，这是由于CsRs的时间常数较大，接近或大于TD＝200us造成的。所以当测量10us/m以下时，需要用电极常数为10的电极，或者加大TD。

实施例二，按国标GB/T 11007-2008配置KCl标准溶液，采用2极式电导率电极，电导池系数为：1.030，温度补偿系数为2％，实测值如下：

实测数据与标准值接近，但误差比模拟情况下要大，可能原因：标准溶液配制时，产生的误差；温度补偿系数需要调整；电导池系数有误差。

对于饮用水电导率测量来讲，该方法能完全满足10.0～1000us/m的测量需求，而且误差在2％以下，实现低成本高精度测量。

Claims

1.一种低成本高精度的饮用水电导率测量电路，其特征在于，所述的测量电路采用ARMCore-M内核的32bit单片机，所述测量电路包括信号激励源、隔直电容、分压电路、电导池、测压电路一、测压电路二，所述的分压电路包括分压电阻R₁，所述的信号激励源通过隔直电容连接分压电阻R₁，所述的测压电路一、测压电路二分别连接在分压电阻R₁的两端并与单片机连接，所述的测压电路一、测压电路二分别包括缓冲器U1A、U1B。

2.根据权利要求1所述的低成本高精度的饮用水电导率测量电路，其特征是，所述的信号激励源采用脉冲信号激励源。

3.根据权利要求1所述的低成本高精度的饮用水电导率测量电路，其特征是，所述的隔直电容采用CBB电容。

4.根据权利要求1所述的低成本高精度的饮用水电导率测量电路，其特征是，所述的分压电阻R₁采用1‰的高精度电阻。

5.根据权利要求1所述的低成本高精度的饮用水电导率测量电路，其特征是，所述的U1A、U1B为CMOS输入、轨至轨输入输出的运放。

6.根据权利要求1所述的低成本高精度的饮用水电导率测量电路，其特征是，所述的测量电路设有温度传感器，所述的温度传感器为DS18B20。