魏光華，趙學(xué)亮，李 康，孟慶佳，韓雙寶，朱繼良

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051；2.地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北保定 071051)

0 引言

電導(dǎo)率是常規(guī)水質(zhì)評價基本參數(shù)。常見電導(dǎo)率測量法有電極法、電磁法和超聲波法，其中電極法具有電極結(jié)構(gòu)尺寸小、測量電路簡單、成本低的優(yōu)點，因此應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)電極法采用兩電極測量，為提高測量精度、消除極化效應(yīng)，國外廠商相繼研制出四電極、七電極、八電極等測量產(chǎn)品，雖然國內(nèi)一些科研院所已對多電極體系展開研究工作，但是國內(nèi)仍以兩電極為主。本文設(shè)計的電導(dǎo)率測量儀采用開放式四電極，其由兩個電壓電極和兩個電流電極組成，通過分離電壓測量和電流測量，避免兩電極體系的極化效應(yīng)，提高測量精度[1-2]。

1 測量原理

電極法測量溶液電導(dǎo)率時，溶液內(nèi)部和電極之間形成一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，在溶液和電極接觸界面形成雙電層電容CD和阻值很大的法拉第阻抗ZD，與整個溶液阻抗并聯(lián)的溶液電解質(zhì)電容CP，測量引線電阻RL，電流電極為EC_1、EC_4，電壓電極為EC_2、EC_3[3]。兩電極測量電導(dǎo)率溶液時，電壓、電流電極公用一個電極，當電流流過電極時，必定存在一定的極化電壓，造成測量誤差，而四電極中利用運放的高輸入阻抗特性控制EC_2和EC_3的電壓值，可認為EC_2和EC_3電流為零，消除了極化帶來的誤差影響。

圖1 四電極電導(dǎo)池等效電路圖

本文采用正負對稱的雙極性電壓激勵信號連續(xù)施加于電極上，如圖2所示，激勵信號正負周期幅值相同，選擇合適的激勵頻率和幅值，可削弱極化的影響。程序中控制電壓激勵信號頻率使其周期T遠小于CD和RX的乘積，則在每個周期信號開始時刻，CP電容被迅速充電，電流出現(xiàn)尖峰，T1和T2時刻之后電壓都施加到RX之上，波形平坦，可消除溶液電導(dǎo)中CP和CD電容影響，將溶液電導(dǎo)等效為純電阻模型[4-5]。設(shè)計程序控制A/D采樣時間，使其采樣時間點位于每個周期的T1和T2之后的穩(wěn)態(tài)時期，則相當于處理一個直流穩(wěn)壓信號，方便進行波形變換處理。

圖2 電壓激勵信號圖

2 硬件電路設(shè)計

測量儀器硬件電路如圖3所示，設(shè)計中選擇低功耗STM32L4系列單片機作為控制核心，其內(nèi)置12位AD采集器，溫度傳感器采用數(shù)字型溫度傳感器，通過IIC接口與微控制器連接，電極前置電路生成特定頻率和幅值的雙極性電壓激勵信號，通過模擬開關(guān)ADG708完成不同量程通道切換，轉(zhuǎn)換采集電路將穩(wěn)定期信號轉(zhuǎn)換成為正極性直流電壓信號，并進行濾波、輸出阻抗變換，光耦合串口電路實現(xiàn)和主機RS232串口通信。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電極前置電路

電極前置電路如圖4所示，EC_1和EC_4為電流電極，EC_2和EC_3為電壓電極，ADA4622為低功耗、低偏置電流運算放大器，ADG708為多通道低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)，R27、R28、R29、R30、R31為采樣電阻，DA_OUT為雙極性電壓激勵信號，其正極性部分DA+由微控制器內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，負極性部分DA-通過U14_1反相器產(chǎn)生，通過內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制信號幅度，DA_OUT信號頻率通過切換模擬開關(guān)U13通道產(chǎn)生，設(shè)計信號幅度為50 mV，頻率為1 kHz。

圖4 四電極前置電路

U15正向輸入端輸入DA_OUT信號，反向輸入端接EC_2電極，由運放虛短路性質(zhì)知，EC_2信號跟隨DA_OUT信號變化，EC_3電位通過U14_2實現(xiàn)虛地。針對溶液不同電導(dǎo)值，通過模擬開關(guān)U13選通不同采樣電阻。測量時采集穩(wěn)定期采樣電阻和溶液電阻電壓值，由比例關(guān)系得到溶液電阻值，進而得到溶液電導(dǎo)率。電路中RS1和RS2電阻為運放偏置電流提供通路，防止運放工作在非線性區(qū)域造成閂鎖。

2.2 轉(zhuǎn)換采集電路

如圖5所示為減小測量誤差提高精確度，利用U16和U15分別跟隨采樣電阻和電壓電極電壓值(EC_2與EC_3的電壓值)，將其穩(wěn)定期內(nèi)雙極性信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定正極性直流信號，實現(xiàn)微控制器內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集。

圖5 轉(zhuǎn)換采集電路

舉例說明：如需獲得采樣電阻電壓值，按照一定的時序(見3.1)控制U18模擬開關(guān)各通道，通過電容C37完成電壓極性的變化，利用C38和C41完成正負極性電壓值的求和運算，經(jīng)過RC濾波網(wǎng)絡(luò)、電壓跟隨后，輸出信號AN_INPUT至內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器。試驗中發(fā)現(xiàn)采用差分電壓采集方式可提高測量精度，克服地電位或外界的電磁干擾信號。

2.3 其余電路

電源電路在電導(dǎo)率測量過程中非常關(guān)鍵，由于雙極性信號翻轉(zhuǎn)時需要較大電流，所以需要較大值電流輸出的電源系統(tǒng)以穩(wěn)定測量過程。在處理頻率小于100 kHz的信號時，模擬接地通常采用單點接地，如采用接地層連接方式，反而接地層成為共同阻抗，不但降低接地層的安裝密度，并且干擾信號會混入模擬電路中，對模擬電路的接地處理對信號穩(wěn)定性和精度影響很大，設(shè)計中采用單點接地[6]。

通過光耦合芯片連接PC上位機RS232接口，試驗發(fā)現(xiàn)如果不進行電氣隔離，則PC上位機中串口中的地信號噪聲會混入測量電路中，造成波形不穩(wěn)定。設(shè)計中采用光耦合隔離方法，可避免串口中共模噪聲干擾[7]。

3 測量程序

3.1 激勵信號產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換采集

雙極性電壓激勵信號通過切換模擬開關(guān)U13得到，微控制器STM32L4芯片主頻設(shè)定為80 MHz，設(shè)置定時器中斷，使其控制模擬開關(guān)產(chǎn)生1 kHz的波形，1 Hz頻率能滿足電導(dǎo)率測量范圍需要[8]，為獲得穩(wěn)定期采樣電阻電壓和電極電壓，在定時器中斷中同時控制模擬開關(guān)U18。

如圖6所示，試驗中對比3種U13和U18的轉(zhuǎn)換采集控制時序，每種控制方式中T0、T10時間點為激勵信號極性反轉(zhuǎn)點，控制U13通道。圖中條紋陰影表示電容C37充電，無條紋陰影表示C37放電，每種控制方式中依次向C38和C41放電?？刂品绞揭恢性诩铍娖綐O性翻轉(zhuǎn)前T9、T19時間點開始對C37充電，在T5-T9，T15-T19時間內(nèi)C37向電容C38、C41轉(zhuǎn)移電荷放電，實現(xiàn)穩(wěn)定期采樣電阻電壓或者電極電壓的采樣保持。控制方式2中減少了控制點，電平轉(zhuǎn)換和充放電時刻部分重疊，控制方式3中采用2個周期進行了一個完整的充放電過程。試驗中將電極放入電導(dǎo)率溶液中，通過示波器觀測采樣電阻穩(wěn)定期變化幅度為296 mV，采集采樣電阻在3種控制方式的結(jié)果，如圖7所示，方式3與示波器觀測值差距最大，而方式1最接近示波器觀測值，且變化幅值小，方式2居中。由此可知轉(zhuǎn)換采集電路中合理控制電容充電時間、充電間隔是電路的關(guān)鍵點，而采樣電路電容泄漏電流、運放偏置電流，運放輸出電流能力等都會影響儀器整體性能[9-10]。

圖6 激勵信號與轉(zhuǎn)換采集時序圖

圖7 不同控制方式采樣結(jié)果圖

3.2 電導(dǎo)率測量流程

測量電路中為擴大測量范圍采用模擬開關(guān)選擇不同阻值采樣電阻，模擬開關(guān)不是理想器件，內(nèi)部存在一定的電感與電阻，不同通道有饋通效應(yīng)，并且切換模擬開關(guān)時，通常是關(guān)斷之后再打開選定通道，故模擬開關(guān)控制時會切斷反饋電路，對運算的穩(wěn)定性造成影響[11]，試驗中發(fā)現(xiàn)，模擬開關(guān)切換時會影響測量電路穩(wěn)定性，為克服模擬開關(guān)存在的問題，程序中在測量前進行預(yù)采樣，判斷出溶液電導(dǎo)率范圍，選擇合適量程檢測，測量流程圖如圖8所示。

每次測量前進行預(yù)采樣選擇合適的量程，可減少模擬開關(guān)的切換過程，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度，測量時進行多次采集(虛線框內(nèi)所示)，對采集數(shù)據(jù)進行中值濾波，濾掉大幅值脈沖干擾和周期性干擾信號。由于溫度直接影響溶液的電離度、離子遷移速率、溶解度等，對電導(dǎo)率影響很大，故需溫度補償，設(shè)定補償系數(shù)為0.02，最終結(jié)果通過串口顯示到終端。

圖8 電導(dǎo)率測量流程圖

4 測量數(shù)據(jù)

為對設(shè)計電路的準確性、穩(wěn)定性進行測試，采用多種電導(dǎo)率標液，同時使用哈希sension156電導(dǎo)率儀和國內(nèi)某型號電導(dǎo)率儀進行對比測試，測試結(jié)果如表1所示。一般測量前需進行電導(dǎo)率常數(shù)校準，為提高測量精度，校準溶液的選擇通?；诒粶y溶液的測量范圍，如果測量濃度跨度大則需多次校準，為簡便對比過程，試驗中不做多次校準，而通過測量數(shù)據(jù)線性度對比精度。

表1 標準溶液測量數(shù)據(jù)對比 μs/cm

3種儀器的擬合度為0.999 78、0.999 74、0.999 85，線性關(guān)系良好，擬合斜率為0.913 71、1.036 07、0.933 37。電導(dǎo)率標液實際數(shù)值和標稱數(shù)值兩者存在一定誤差，測量時需要攪動溶液消除電極上的空氣泡。為進一步驗證系統(tǒng)的可靠性，對121 μs/cm、400 μs/cm、800 μs/cm、3 615 μs/cm、104 800 μs/cm 5種標液進行30 min連續(xù)測量，結(jié)果如表2所示，可看出5次試驗測量的標準差相對于測量平均值偏差很小，從最大值和最小值可看出系統(tǒng)經(jīng)過長時間測量其結(jié)果不會有太大變化，具有良好的穩(wěn)定性。表1中儀器測量數(shù)據(jù)和表2中有差別，這是因為電導(dǎo)率測量時重復(fù)性會受到溫度、操作過程、攪拌時間等因素的影響。

5 結(jié)論

本電導(dǎo)率測量儀基于雙極性電壓激勵方法和開放式四電極結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)兩電極結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng)，通過設(shè)定合理的激勵信號頻率克服溶液中電容的影響，簡化了后續(xù)電路的處理，電路結(jié)構(gòu)具有一定的抗干擾能力，通過多組試驗驗證了儀器的可靠性和測試精度，但仍具有很多提升空間，對電導(dǎo)測試技術(shù)具有一定的借鑒意義。

表2 標準溶液穩(wěn)定性測試