智能电导率测量系统的数据处理

刘长国

(四平职业大学，吉林 四平 136002)

0 引 言

电导率作为工业过程自动化测量的一个重要指标量，长期以来一直是技术研究人员和电导率仪生产厂家关注和研究的重要课题。此项目采用的电导率测量法是用电阻测量法间接测量电导率的原理。电导测量电极在测量过程中表现为一个复杂的电化学系统，存在着一些测量的特殊性，表现为寄生电容。当交流电流通过电极和溶液时，除呈现电阻外，还呈现电容。其中，电极和溶液接触处的两层电荷之间的电容与溶液电阻相串联，形成静电容;此外，因电荷的互相迁移及电荷对于电极的迁移所形成的电容与溶液电阻相并联，形成电解质电容。电极引线分布电容可以并入电解质电容一起考虑。电容的存在不仅改变了两个极片间的电阻值，还会造成相移，引起误差。因此，研究电导率测量系统的数据处理尤为关键。

1 选频测量电导率的原理

选频测量电导率测量仪采用0～4 000 H z的方波信号作为激励源，对于频率信号比较高的方波信号激励源，由于它本身可以抑制双电层电容CX的影响，所以可以不考虑它的影响。这样就可以得到简化的电导池等效电路，如图1所示。

图1 选频电导率测量方法原理框图

图中，RX与Cp属于并联，作为电极等效电路。R1为分压电阻并与电极相分压。E为激励源，电极输出V0经运放缓冲，然后整流得到V01，再经滤波，缓冲输出得直流量V02。

电极输出电压V0进入稳态后的充放电波形如图2实线所示。

图2 电极输出电压和激励源

由于如虚线所示的激励源是周期性的方波，所以V0也为周期波。通过计算得到关于RX的表达式:

选一合理τ值，即可得到RX值，进而求得电导率值。计算过程不需要Cp，只要求得准确的τ值，就可以得到准确的溶液电阻值，与Cp无关，从而消除了引线分布电容Cp的影响。如果激励源幅值存在较大误差，这时代入标准值计算，得到的溶液电阻必然存在误差。可以通过半波整流、滤波测得其对应直流量与测得的直流量相比，达到消除激励源幅值误差的目的。

实际上本电导率测量仪的激励源频率、幅值均可以连续可调，在应用时降低幅值，提高频率就可以达到消除极化效应和双电层电容的影响目的，再消除分布电容的影响，解出溶液电阻，可得到电导率的数值。

2 实验数据分析与可行性研究

实验采用DSP2407A开发板和自制电导率测量前向通道。还采用±12 V和5 V多电压等级可调节WD5电源、国产MD1641函数信号发生器、6位半数字万用表 HP34401，Tektronix TDS210示波器、自制电导测量前向通道电路等设备，溶液电阻一般在1 kΩ～1MΩ范围内，实验中选择标称电阻RX在1 kΩ～1 MΩ内模拟，分布电容采用200～10 000 pF的陶瓷电容模拟，分压电阻R1(10，200，500，800，1 000 kΩ)±5%。计算电阻值与实测电阻值的相对误差e，进行误差分析。以分布电容分别为500，2 000，8 000 pF为例进行实验，结果见表1～表3和图3～图5所示。

表1 分布电容为500 pF，不同溶液电阻数据对照表

图3 分布电容为500 pF的误差分布图

表2 分布电容为2 000 pF，不同溶液电阻数据对照表

图4 分布电容为2 000 pF的误差分布图

表3 分布电容为8 000 pF，不同溶液电阻数据对照表

图5 分布电容为8 000 pF的误差分布图

由以上各表对应的折线图可知，运用选频方法测量电导率，在整个溶液电阻可能达到的最大1MΩ到最小1 kΩ的范围内，测得的溶液电阻相对误差绝对值均分布在1%以内，说明该方法可行。同时也可以得出，当溶液电阻相对分压电阻R1很大或很小时，分压电阻就难以识别溶液电阻的变化，分辩率就不够了。即在高溶液电阻1MΩ左右或低溶液电阻1 kΩ左右时，实验误差较大。可采用根据不同溶液电阻范围降低分压电阻来解决这个问题，也就是采用了5档R1(10，200，500，800，1 000 kΩ)±5%来解决，进而提高了全部溶液电阻值范围的测量精度，降低了误差。

3 结 语

为了避免电极极化反应和电极之间分布电容的影响，本设计提出了一种选频电导率测量方法，用迭代法解非线性方程，并通过制作测量电路进行实验，模拟溶液电导率测量过程中溶液表现复杂的电化学过程，并多次测量标准电阻(1 kΩ～1MΩ)，在所有溶液电阻范围内，测得溶液电阻相对误差绝对值均满足误差要求，说明该测量电导率方法应用于工业过程测试领域的可行性。

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