一種四電極電導率儀的測量電路的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及電子電路技術領域，具體指一種高精度低成本四電極法測量溶液電導率儀的電路。
【背景技術】
[0002]電導率的傳統測量方法是采用兩電極技術，即在兩電極上加上恒定振幅的交流電壓信號，測量流經兩電極之間的電流(如附圖1所示)。常采用運算放大器作為Ι/v轉換電路，被測溶液的電導率與運放輸出成反比。由于激勵電極和測量電極為同一電極，因此產生極化效應，隨著溶液的電導率增大，測量誤差也增大。由此設計了一種用于消除極化效應的四電極電導電極(如附圖2所示)。其中，第一激勵電極(或電流)11、第二激勵電極12，第一測量測量電極V1、第二測量電極V2，把測量電極和激勵(或電流)電極分開，這樣有效地減小了因極化效應產生的測量誤差，(測量電路如附圖3所示)。在第一激勵電極(或電流)11、第二激勵電極12施加交流電流信號，在第一測量測量電極V1、第二測量電極V2，測量相應的電壓信號，由于第一測量測量電極Vl、第二測量電極V2，連接高輸入阻抗跟隨器，因此第一測量測量電極V1、第二測量電極V2上流過的電流幾乎為零，不會發生電流泄漏現象，溶液的電導率和第一測量測量電極V1、第二測量電極V2的差分電壓成反比。論文《開放式四電極電導率傳感器的研制與實驗》和《以電導率測量為核心的多參數水質檢測系統的研究_俞宏波》提到了一種固定測量電極電壓測量電極電流的方法測量電導率，固定電壓為正負交替的方波。而國外的梅特勒.托多利公司設計的"FiVeEasy Plus"實驗室電導率儀采用的方法為激勵電極采用方波恒流驅動。由于激勵源的正負不能保證100%的對稱，因此將會在測量電極產生偏置，導致后續交直流變化產生波動，產生測量誤差;并且在測量低電導率溶液時，微小的恒流源精度難以保證，因此帶來誤差。并且產生交流信號需要負電源和高性能的運放，不但占用有限的空間資源，而且使得儀器制作成本的上升。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術存在的缺失和不足，提出一種四電極電導率儀的測量電路。本發明一種四電極電導率儀的測量電路工作原理(如附圖4所示)簡述如下:
[0004]本發明一種四電極電導率儀的測量電路，第一、采用模擬交流信號源，對激勵電極交替施加單極性方波激勵源的方法，有效地解決了信號源不對稱的問題。第二、在測量較低電導率的溶液時，信號源切換為電壓源激勵;在測量較高電導率的溶液時，信號源切換為電流源激勵。其中，電阻器Rl為第一激勵電極Il和第一測量電極Vl之間的等效電阻；電阻器R2為第一測量電極Vl和第二測量電極V2之間的等效電阻；電阻器R3為第二測量電極V2和第二激勵電極12之間的等效電阻。當施加電流激勵源I時，回路電流等于激勵電流i，測量電極的電壓為Vout = i*R2，可得:R2 = Vout/i，電導率為:G = k/R2，其中k為電極常數。當施加電壓激勵源V時，測得Rt端的電壓為Vt，因此回路電流為:i=Vt/Rt，測量電極的電壓為Vout，可得:R2 = Vout*Rt/Vt，電導率為:G = k/R2。
[0005]本發明一種四電極電導率儀的測量電路，包括電壓激勵源V和電流激勵源I，第一激勵電極II，第二激勵電極12，第一測量電極VI，第二測量電極V2，第一切換開關SWl和第二切換開關SW2及參考電源VSRC以電路方式連接。
[0006]所述第一切換開關SWl的兩個公共端分別連接第一激勵電極Il和電阻器Rt，電阻器Rt另一端連接第二激勵電極12。
[0007]所述第二切換開關SW2的公共端連接第一切換開關SWl的兩個輸入端，第二切換開關SW2的輸入分別連接電壓激勵源V和電流激勵源I。
[0008]所述第一測量電極Vl，第二測量電極V2連接高輸入阻抗跟隨器。
[0009]所述高輸入阻抗跟隨器由高輸入阻抗運放U1A、U1D構成，第一測量電極VI，第二測量電極V2連接高輸入阻抗跟隨器的兩個同向輸入端，高輸入阻抗跟隨器的兩個輸出端分別連接電阻器Ra、電阻器Rb，電阻器Ra連接運放UlB的反向輸入端，電阻器Rb連接運放UlB的同向輸入端；
[0010]電阻器Rd連接運放UlB的反向輸入端和輸出端，電阻器Re連接運放UlB的同向輸入端和參考源VSRC。
[00?1 ] 其中，電阻器Ra，電阻器Rb，電阻器Re，電阻器Rd與運放UlB構成差分放大電路；
[0012]電阻器Rt與第二激勵電極12的連接端接入運放UlC的同向輸入端，用于檢測電阻器Rt的電壓。
[0013]所述第一切換開關SWl為74HC4053;
[0014]所述第二切換開關SW2為AD623;
[0015]所述運放U1A、U1B、U1C、U1D 為 AD8609;
[0016]所述電阻Ra、電阻Rb、電阻Re、電阻Rd為I OOk，電阻Rt為Ik。
[0017]在測量較低電導率的溶液時，信號源切換為電壓源激勵V。在測量較高電導率的溶液時，信號源切換為電流源激勵I。
[0018]其中，電阻器Rl為第一激勵電極Il和第一測量電極Vl之間的等效電阻。
[0019]電阻器R2為第一測量電極Vl和第二測量電極V2之間的等效電阻。
[0020]電阻器R3為第二測量電極V2和第二激勵電極12之間的等效電阻。
[0021]當施加電流激勵源I時，回路電流等于激勵電流i，測量電極的電壓為Vout= i*R2，可得:R2 = Vout/i，電導率為:G = k/R2，其中k為電極常數。
[0022]當施加電壓激勵源V時，測得Rt端的電壓為Vt，因此回路電流為:i= Vt/Rt，測量電極的電壓為Vout，可得:R2 = Vout*Rt/Vt，電導率為:G = k/R2。
[0023]綜上所述，本發明基于采用模擬交流信號源，對激勵電極交替施加單極性方波激勵源的方法，有效地解決了信號源不對稱的問題。和在測量較低電導率的溶液時，信號源切換為電壓源激勵，在測量較高電導率的溶液時，信號源切換為電流源激勵的基本思路和實際電路，達到了減小激勵源不對稱帶來的測量誤差和降低電路成本的效果。
【附圖說明】
[0024]圖1為現有技術兩電極測量電路原理圖；
[0025]圖2為現有技術四電極電導電極結構示意圖；
[0026]圖3為現有的四電極電導電極測量電路原理圖；
[0027]圖4為本發明一種四電極電導率儀的測量電路原理圖；
[0028]圖5為本發明的電路連接圖；
[0029]圖6為本發明的激勵電極的電壓激勵波形圖；
[0030]圖7為本發明的Rt端的電壓波形圖。
[0031]附圖標記號說明:
[0032]SWl:為74HC4053
[0033]SW2:為AD623
[0034]運放U1A、U1B、U1C、U1D:為 AD8609
[0035]電阻器Ra