本發(fā)明涉及水質(zhì)測量領(lǐng)域，具體說是水的電導(dǎo)率電阻率檢測的測量裝置和方法。

背景技術(shù)：

二電極式電導(dǎo)電極是目前國內(nèi)使用最多的電導(dǎo)電極類型，測量方法有采用直流激勵和交流激勵。為了抵抗溶液的電極化效應(yīng)，多采用正負(fù)正弦交流，或者正負(fù)方波交流，或者雙頻率的交流，來進(jìn)行溶液的電阻率電導(dǎo)率測量。這些方法需要設(shè)計正負(fù)電源以提供激勵，相應(yīng)電路設(shè)計相對復(fù)雜，同時電導(dǎo)率電阻率計算方法復(fù)雜，所以認(rèn)為硬件成本和系統(tǒng)速度和效率上還不能滿足日益龐大的市場需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)不足，本發(fā)明的目的是提供一種水的電導(dǎo)率電阻率檢測的測量裝置和方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：水的電導(dǎo)率電阻率檢測的測量裝置，包括順序連接的測量電路、減法電路、ad轉(zhuǎn)換電路、主芯片；所述測量電路與主芯片連接；

測量電路，用于根據(jù)來自主芯片的正脈沖方波激勵，將不同電壓加載到電極兩端，使水中產(chǎn)生交替的正、反向電流并放大、檢波，得到信號電壓v1、v2；

減法電路，用于將信號電壓v1、v2做減法后得到測量信號vout；

ad轉(zhuǎn)換電路，用于將測量信號vout進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換；

主芯片，用于根據(jù)ad轉(zhuǎn)換后的測量信號vout計算水的電導(dǎo)率或電阻率。

所述測量電路包括兩個開關(guān)芯片和運(yùn)算放大電路；兩個開關(guān)芯片的電源端連有直流參考電壓vref，所述第一開關(guān)芯片的控制端、第二開關(guān)芯片的控制端與主芯片連接；第一開關(guān)芯片的常開端連有直流參考電壓、常閉端接地，輸出端與電極a端連接；電極b端經(jīng)運(yùn)算放大電路與第二開關(guān)芯片的輸出端連接；所述第二開關(guān)芯片的常開端、常閉端分別經(jīng)電阻后作為電壓v1端、電壓v2端。

所述運(yùn)算放大電路包括第一運(yùn)算放大器；第一運(yùn)算放大器的反相輸入端與電極b端連接、還通過放大電阻rx與第一運(yùn)算放大器的輸出端連接，第一運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)電阻與第二開關(guān)芯片的輸出端連接；第一運(yùn)算放大器的同相輸入端經(jīng)電阻r1后，通過電阻r2接地、通過電阻r3接入直流參考電壓vref。

所述減法電路包括第二運(yùn)算放大器，第二運(yùn)算放大器的反向輸入端分別經(jīng)電阻與電壓v1端、第二運(yùn)算放大器的輸出端連接；第二運(yùn)算放大器的正向輸入端分別經(jīng)電阻與電壓v2端、地連接；第二運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)rc電路輸出測量信號vout。

水的電導(dǎo)率電阻率檢測的測量方法，包括以下步驟：

主芯片發(fā)出正脈沖方波至測量電路；

測量電路將不同電壓加載到電極兩端，使水中產(chǎn)生交替的正、反向電流并放大、檢波，輸出信號電壓v1、v2；

減法電路將v1和v2做減法后，輸出可測量信號vout；經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計算得到水的電導(dǎo)率或電阻率。

所述正脈沖方波的幅值等于參考電壓vref。

所述測量電路將不同電壓加載到電極兩端，使水中交替產(chǎn)生正反向電流并放大、檢波，輸出信號電壓v1、v2包括以下步驟：

測量電路的兩個開關(guān)芯片接收同步同頻的正向脈沖方波；

第一個開關(guān)芯片控制輸出激勵信號vfq的電位幅度等于參考電壓vref，頻率f等于正向脈沖方波頻率；第一運(yùn)算放大器同向輸入端配置電阻分壓得到的由于激勵信號vfq的電位變化，使絕對值為頻率為f的正、反壓降加載到電極的兩端，水的等效阻抗中交替地通過正、反向電流；

運(yùn)算放大電路通過放大電阻rx將交替電流放大輸出為電壓信號vrx，通過第二開關(guān)芯片同步檢波后，輸出兩路信號電壓v1、v2。

所述正脈沖方波的頻率為50hz～20khz。

所述經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計算得到水的電阻率通過以下公式實現(xiàn)：

其中，r為水的電阻率，rx為放大電阻阻值，p為電極常數(shù)；ad為采樣值；const為ad常數(shù)。

所述經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計算得到水的電導(dǎo)率通過以下公式實現(xiàn)：

其中，g為水的電導(dǎo)率，rx為放大電阻阻值，p為電極常數(shù)，ad為采樣值。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

1.不需要設(shè)計正負(fù)電源，不需要設(shè)計正負(fù)交流激勵，單向直流電路即可產(chǎn)生正脈沖方波的設(shè)計簡單可靠，硬件成本非常低。

2.電導(dǎo)率電阻率計算方法簡單，系統(tǒng)速度快效率高。低成本高性價比更能滿足日益龐大的市場需求。

3.采用正脈沖方波激勵被測溶液，設(shè)置激勵放大電路，使電導(dǎo)池在正脈沖方波激勵時存在正反方向電流流過，以抵抗極化效應(yīng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的測量電路信號激勵放大原理圖；

圖2是本發(fā)明的測量電路減法電路原理圖；

圖3是本發(fā)明的測量電路和減法電路工作原理流程圖；

圖4是本發(fā)明的主芯片工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

正負(fù)交流激勵可以抵杭極化效應(yīng)對測量的影響，同樣正反方向交替的電流也能抵抗極化效應(yīng)。由此可以設(shè)計正脈沖方波，巧妙設(shè)計電路后，即只需要正電源就能產(chǎn)生正反方向交替的電流。此后只需要做濾波檢波和電路減法，就能消除分布式電容的影響，產(chǎn)生可以直接測量的電壓信號。

本發(fā)明的測量方法，包括下列特點：采用正脈沖方波激勵被測溶液，巧妙設(shè)置激勵放大電路，使電導(dǎo)池在正脈沖方波激勵時存在正反方向電流流過，以抵抗極化效應(yīng)。本發(fā)明的測量方法，包括以下步驟：正脈沖方波激勵，電極正反電流信號放大，正反信號檢波，信號電壓減法，輸出ad采樣，計算等效電阻率電導(dǎo)率，電極參數(shù)矯正。

測量計算的關(guān)鍵參數(shù)有：放大電阻rx，正脈沖方波的幅值等于參考電壓vref，采樣值ad，電極常數(shù)p。影響測量精度的關(guān)鍵參數(shù)有：參考電壓vref的穩(wěn)定性，正脈沖方波的頻率，放大電阻rx的精度，減法電路匹配電阻精度，電極常數(shù)，溫度補(bǔ)償精度。

電阻率電導(dǎo)率采用此測量方法，電路中所有信號鏈都是正電位，也能有效抵抗極化效應(yīng)；測量電路簡單，極大的降低硬件成本；運(yùn)算簡化，提高了測量系統(tǒng)的速度和效率。

通過正向脈沖方波，正電位的信號檢波，輸出電壓減法電路，等硬件設(shè)計，同時ad采樣后簡單計算即可實現(xiàn)電導(dǎo)率電阻率的測量。本方法硬件設(shè)計簡單成本低，數(shù)據(jù)處理簡單速度快效率高，可使用的是二電極式或四極式電極。

如圖1所示，測量電路只需要穩(wěn)定的單向直流參考電壓vref，通過模擬開關(guān)芯片輸出正向脈沖方波，用于被測水溶液的激勵信號。再通過精密電阻分壓得到使幅值為vref頻率為f的正向脈沖方波和加載到測量電極的兩端，水溶液等效阻抗rp+cp中就會交替的通過正反向電流。運(yùn)算放大電路通過rx電阻將交替電流放大輸出為電壓信號vrx，通過模擬開關(guān)芯片同步檢波后，信號分成兩路信號v1和v2。其中，cp表示等效電容。

如圖2所示，v1和v2信號做減法后，輸出可測量信號vout，經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換后即可進(jìn)行電導(dǎo)率電阻率的計算。

如圖3所示為測量信號鏈路，整個鏈路正電位，不存在負(fù)電壓。

從圖3信號鏈路中的基本公式可知，水溶液電導(dǎo)率電阻率穩(wěn)定時，正反向電流的大小是相等的

電路最終輸出vout信號電壓

由此推導(dǎo)

水溶液電阻率r＝等效電阻rp/電極常數(shù)矯正p；假設(shè)ad采樣的分辨率為12位，則水溶液的電阻率

由上公式可知，只需要知道精密放大電阻rx和電極常數(shù)p兩個參數(shù)，通過實時的ad值即可計算出電阻率。電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)，公式如下

上面兩個公式中，常數(shù)根據(jù)采用ad的位數(shù)來確定。ad位數(shù)越多，精度越高，常數(shù)越大。

10位ad常數(shù)1024＝2¹⁰，12位ad常數(shù)4096＝2¹²，16位ad常數(shù)65536＝2¹⁶，等等。(公式中的4096就是ad常數(shù)const)。

當(dāng)然水溶液溫度影響電導(dǎo)率電阻率的測得值，還需要溫度測量并換算成25℃的電導(dǎo)率電阻率值。如圖4所示。

從上公示推導(dǎo)中看出，測量計算的關(guān)鍵參數(shù)有：放大電阻rx，正脈沖方波的幅值等于參考電壓vref，采樣值ad，電極常數(shù)p。

放大電阻rx計算公式：rx＝(ad/4096)*p/g＝(ad/4096)*p*r

根據(jù)電導(dǎo)率g或者電阻率r的測量范圍，來選擇放大電阻rx。

但是并不代表其它電路參數(shù)不會影響測量精度，重要的關(guān)鍵參數(shù)有：參考電壓vref的穩(wěn)定性，正脈沖方波的頻率，放大電阻rx的精度，減法電路匹配電阻精度，電極常數(shù)，溫度補(bǔ)償精度等。實際電路設(shè)計時，參考電壓vref盡可能的降低紋波提高穩(wěn)定性。正脈沖方波的頻率在50hz～20khz之間，電導(dǎo)率越高，頻率選擇越大。放大電阻rx盡可能采用高精密低溫漂電阻。

正脈沖方波vfq的幅值必須要等于vref，這樣才能保證rx放大信號的準(zhǔn)確性。電阻率越高的水溶液，極化現(xiàn)象更嚴(yán)重，需要更高頻率正脈沖方波的激勵信號。電阻率越低的水溶液，分布式電容的影響開始顯著，極化影響慢慢變小，可以降低激勵信號正脈沖方波的頻率。正脈沖方波vfq的頻率f在50hz～20khz之間進(jìn)行試驗選擇，保證后級輸出信號不會失真。在正脈沖方波激勵時，正反向電流放大后輸出的vrx包含兩種信號，完全與正脈沖方波頻率同步。

在模擬開關(guān)芯片對vrx信號進(jìn)行檢波時，要保證和正脈沖方波頻率同步，從而正確獲得正向電流時的v1放大信號，和反向電流時的v2放大信號。v1和v2信號含有共模vref/2和差模i*rx。水溶液的電阻率不同，v1和v2的差模i*rx也就不同。

設(shè)計減法電路后，提取出差模信號vout＝2*i*rx。之后可以直接對vout進(jìn)行ad采樣，ad參考電壓為vref。