劉長國

(四平職業(yè)大學(xué)，吉林 四平 136002)

0 引 言

電導(dǎo)率作為工業(yè)過程自動化測量的一個(gè)重要指標(biāo)量，長期以來一直是技術(shù)研究人員和電導(dǎo)率儀生產(chǎn)廠家關(guān)注和研究的重要課題。此項(xiàng)目采用的電導(dǎo)率測量法是用電阻測量法間接測量電導(dǎo)率的原理。電導(dǎo)測量電極在測量過程中表現(xiàn)為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，存在著一些測量的特殊性，表現(xiàn)為寄生電容。當(dāng)交流電流通過電極和溶液時(shí)，除呈現(xiàn)電阻外，還呈現(xiàn)電容。其中，電極和溶液接觸處的兩層電荷之間的電容與溶液電阻相串聯(lián)，形成靜電容;此外，因電荷的互相遷移及電荷對于電極的遷移所形成的電容與溶液電阻相并聯(lián)，形成電解質(zhì)電容。電極引線分布電容可以并入電解質(zhì)電容一起考慮。電容的存在不僅改變了兩個(gè)極片間的電阻值，還會造成相移，引起誤差。因此，研究電導(dǎo)率測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理尤為關(guān)鍵。

1 選頻測量電導(dǎo)率的原理

選頻測量電導(dǎo)率測量儀采用0～4 000 H z的方波信號作為激勵源，對于頻率信號比較高的方波信號激勵源，由于它本身可以抑制雙電層電容CX的影響，所以可以不考慮它的影響。這樣就可以得到簡化的電導(dǎo)池等效電路，如圖1所示。

圖1 選頻電導(dǎo)率測量方法原理框圖

圖中，RX與Cp屬于并聯(lián)，作為電極等效電路。R1為分壓電阻并與電極相分壓。E為激勵源，電極輸出V0經(jīng)運(yùn)放緩沖，然后整流得到V01，再經(jīng)濾波，緩沖輸出得直流量V02。

電極輸出電壓V0進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的充放電波形如圖2實(shí)線所示。

圖2 電極輸出電壓和激勵源

由于如虛線所示的激勵源是周期性的方波，所以V0也為周期波。通過計(jì)算得到關(guān)于RX的表達(dá)式:

選一合理τ值，即可得到RX值，進(jìn)而求得電導(dǎo)率值。計(jì)算過程不需要Cp，只要求得準(zhǔn)確的τ值，就可以得到準(zhǔn)確的溶液電阻值，與Cp無關(guān)，從而消除了引線分布電容Cp的影響。如果激勵源幅值存在較大誤差，這時(shí)代入標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，得到的溶液電阻必然存在誤差?？梢酝ㄟ^半波整流、濾波測得其對應(yīng)直流量與測得的直流量相比，達(dá)到消除激勵源幅值誤差的目的。

實(shí)際上本電導(dǎo)率測量儀的激勵源頻率、幅值均可以連續(xù)可調(diào)，在應(yīng)用時(shí)降低幅值，提高頻率就可以達(dá)到消除極化效應(yīng)和雙電層電容的影響目的，再消除分布電容的影響，解出溶液電阻，可得到電導(dǎo)率的數(shù)值。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與可行性研究

實(shí)驗(yàn)采用DSP2407A開發(fā)板和自制電導(dǎo)率測量前向通道。還采用±12 V和5 V多電壓等級可調(diào)節(jié)WD5電源、國產(chǎn)MD1641函數(shù)信號發(fā)生器、6位半數(shù)字萬用表 HP34401，Tektronix TDS210示波器、自制電導(dǎo)測量前向通道電路等設(shè)備，溶液電阻一般在1 kΩ～1MΩ范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中選擇標(biāo)稱電阻RX在1 kΩ～1 MΩ內(nèi)模擬，分布電容采用200～10 000 pF的陶瓷電容模擬，分壓電阻R1(10，200，500，800，1 000 kΩ)±5%。計(jì)算電阻值與實(shí)測電阻值的相對誤差e，進(jìn)行誤差分析。以分布電容分別為500，2 000，8 000 pF為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1～表3和圖3～圖5所示。

表1 分布電容為500 pF，不同溶液電阻數(shù)據(jù)對照表

圖3 分布電容為500 pF的誤差分布圖

表2 分布電容為2 000 pF，不同溶液電阻數(shù)據(jù)對照表

圖4 分布電容為2 000 pF的誤差分布圖

表3 分布電容為8 000 pF，不同溶液電阻數(shù)據(jù)對照表

圖5 分布電容為8 000 pF的誤差分布圖

由以上各表對應(yīng)的折線圖可知，運(yùn)用選頻方法測量電導(dǎo)率，在整個(gè)溶液電阻可能達(dá)到的最大1MΩ到最小1 kΩ的范圍內(nèi)，測得的溶液電阻相對誤差絕對值均分布在1%以內(nèi)，說明該方法可行。同時(shí)也可以得出，當(dāng)溶液電阻相對分壓電阻R1很大或很小時(shí)，分壓電阻就難以識別溶液電阻的變化，分辯率就不夠了。即在高溶液電阻1MΩ左右或低溶液電阻1 kΩ左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)誤差較大?？刹捎酶鶕?jù)不同溶液電阻范圍降低分壓電阻來解決這個(gè)問題，也就是采用了5檔R1(10，200，500，800，1 000 kΩ)±5%來解決，進(jìn)而提高了全部溶液電阻值范圍的測量精度，降低了誤差。

3 結(jié) 語

為了避免電極極化反應(yīng)和電極之間分布電容的影響，本設(shè)計(jì)提出了一種選頻電導(dǎo)率測量方法，用迭代法解非線性方程，并通過制作測量電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬溶液電導(dǎo)率測量過程中溶液表現(xiàn)復(fù)雜的電化學(xué)過程，并多次測量標(biāo)準(zhǔn)電阻(1 kΩ～1MΩ)，在所有溶液電阻范圍內(nèi)，測得溶液電阻相對誤差絕對值均滿足誤差要求，說明該測量電導(dǎo)率方法應(yīng)用于工業(yè)過程測試領(lǐng)域的可行性。

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