专利名称：采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及溶液电导率或电阻率的测量装置，尤其涉及采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置。
背景技术：
溶液电导率的基本测量方法是测量施加在置入溶液的电极的两端上的电压Ud和流过电极的电流I，计算电极之间的电阻R=UD/I，用G=K/R计算溶液的电导率，其中K为电极常数。但置入溶液内的电极在通电后会产生极化，使测得的电压Ud 实质上不是溶液本身两端的电压，而是施加在溶液电阻和涉及溶液/金属电极界面过程的双电层电容(以下简称电极的双电层电容)这两个串联的虚拟电子器件上的电压，因此公式R=UD/I存在理论误差；为了减小电极极化对测量准确度的影响，基本方法是在电极上施加正负极性对称的交流电，但是在交流激励信号作用下，测得的电流I并不是单纯流过溶液的电流，而是流过溶液电阻支路并联电极分布电容(包含电极极间电容、电极引线电容)支路的总电流，因此使用交流激励方法在减小电极极化影响的同时却引入了电极分布电容对测量的影响。目前采用电化学分析方法测量溶液电导率的研究全部用阻容网络作为电导池等效物理模型，而这些作为电导池等效物理模型的阻容网络主要分为两类，第一类是用一个被测溶液电阻并联电极分布电容，这是较简单的模型，也是多数溶液电导率测试方面的研究所涉及的，第二类为用一个被测溶液电阻串联电极的双电层电容后再并联电极分布电容，这是相对复杂和较难处理的模型，参见本说明书附图1，是适合精密测量的电导池等效物理模型。针对以第一类阻容网络为电导池等效物理模型的研究主要解决的问题是消除电极分布电容的影响，在这方面取得了大量的研究成果，有采用相敏检波的，有采用动态脉冲法的，有双脉冲法的，还有采用双频率方波激励的等等方法，这些研究成果取得了积极的效果，但是由于所用的电导池等效物理模型没有把电极的双电层电容考虑进去，自然也就忽略了电极的双电层电容对测量的影响，在精密测量中电极的双电层电容的影响是不能忽略的，哪怕电极的双电层电容的容抗只有被测溶液电阻的1%大小，正因如此，针对第一类阻容网络模型的研究向更精密测量的发展受到了限制。要实现溶液电导率的精密测量，要求各个环节都要尽可能精确，包括1、模拟电导池工作原理的阻容网络模型必须更接近真实情况，根据电化学分析方面的研究成果，上述的第二类模型(即用一个被测溶液电阻串联电极的双电层电容后再并联电极分布电容)要比第一类模型(即用一个被测溶液电阻并联电极分布电容)更加接近真实的电导池、更加精确；2、建立在阻容网络基础上的求解数学表达式的推导要尽可能精确，少用最好不存在近似；3、数学表达式尽可能是闭式求解而不是迭代求解，数学表达式尽可能不出现分母接近于零的情况以避免数值计算误差的放大；4、根据数学表达式进行数值计算时误差尽可能小；5、电极激励信号和电极响应信号的检测如电流值、电压值、功率值等误差尽可能小。第4环节是数值计算理论范畴问题，特别涉及到数值的输入存储和计算的有效字长问题；第5环节是电路设计方面的问题；第Γ3环境是由总体方案确定的，是溶液电导率测量方案的核心。目前基于上述第二类电导池等效物理模型的研究还较少，尤其还未见基于第二类电导池等效物理模型的求解溶液电导率的无近似推导的计算表达式，除了本专利发明人曾在中国专利申请号为200910113046. 3的专利申请书中公开的一种溶液电导率的测量方法之外。该专利方法中的权利要求书未涉及电极分布电容的求解方法，只是把电极分布电容作为求解被测溶液电阻表达式中的输入参数，而该专利说明书中推荐的电极分布电容的标定方法存在一些缺陷，因为在测试溶液的电导率时，电导池电极之间是充满被测溶液的，而电导池电极之间充满的溶液相当于电极极板之间的一种介质，作为介质的被测溶液的介电常数与空气的会有差异，所以该专利方法所述的将电极置于空气中标定测出的电极分布电容与电极置于被测溶液中的真实的电极分布电容会有差异。本实用新型专利的目的之一是对前述专利的一种补充，提出采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，该测量装置包含两种波形的激励信号，第一种波形激励信号用于测量求解电极分布电容，第二种波形激励信号用于测量求解溶液的电阻及电导率。
发明内容本实用新型的目的是提供一种可以消除电极的双电层电容以及电极分布电容(包含电极极间电容和电极引线电容)双因素对测量的不利影响的具有两种波形激励信号特点的溶液电导率或电阻率的测量装置。实现上述目的的技术方案是采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，由双波形发生器、电导池、信号调理电路、参数检测电路、运算及控制器和人机界面6个模块组成；各模块的功能及相互间的连接方式如下双波形发生器能够产生两种不同波形的激励信号，并受运算及控制器的控制以决定是产生第一种波形激励信号还是第二种波形激励信号以及产生激励信号的时刻，双波形发生器产生的激励信号输出至电导池的电极并对该电极进行激励；双波形发生器产生的第一种波形激励信号用于测算电极分布电容，测算获得的电极分布电容结合双波形发生器产生的第二种波形激励信号用于测算溶液的电阻和电导率；电导池内含电极和被测溶液，内含的电极接收来自双波形发生器产生的激励信号并被其激励，产生电极响应信号输出至信号调理电路；信号调理电路接收来自电导池的电极响应信号并对电极响应信号进行滤波和信号放大，滤波方式(如低通、高通或带通)和信号放大倍数受运算及控制器的控制，信号调理电路的输出连接至参数检测电路；参数检测电路受运算及控制器的控制对来自信号调理电路的信号进行参数检测(如电压、电流、功率的瞬时值或有效值等)并将参数检测的结果输出至运算及控制器；运算及控制器的连接及功能包含7方面a、对双波形发生器控制以决定是产生第一种波形激励信号还是第二种波形激励信号以及产生激励信号的时刻；b、对信号调理电路控制以决定信号调理电路的滤波方式和信号放大倍数；C、对参数检测电路控制以决定检测明P种参数以及检测参数的时刻(如瞬时值的检测时刻)；d、接收来自参数检测电路的输出信号；e、对来自参数检测电路的信号进行数据运算处理；f、对数据运算处理的结果输出至人机界面进行显示；g、接收来自人机界面的输入(进行测量装置的参数设置例如选择电导率测量范围等);[0012]人机界面与运算及控制器相连接，包含两方面的功能a、对来自运算及控制器的数据运算处理的结果进行显示；b、以按键输入方式将需设置的参数送入运算及控制器。本发明的原理本发明的核心思想是采用两种波形的激励信号，其中使用第一种波形的激励信号便于测算电极分布电容，但不便于进行溶液电导率的测算；在已知电极分布电容的情况下使用第二种波形的激励信号便于测算溶液的电导率，但是使用第二种波形的激励信号不便于测算电极分布电容；基于电极分布电容独立于激励信号波形的原理(即电极分布电容与激励信号波形无关)，将两种波形激励信号结合起来，使两种波形激励信号分别对置于相同被测溶液中的相同电极进行分时激励并检测电极响应信号、用适当的表达式进行计算，将使用第一种波形的激励信号测算得到的电极分布电容用于使用第二种波形的激励信号的测算溶液电导率的表达式中。本实用新型的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置相比已有的测量方法具有如下有益效果电极分布电容可以动态测定，其影响能够完全消除；对激励信号频率大小没有特别要求，可以在较宽范围内任意选择；在电极存在极化并以电极的双电层电容体现在电导池等效物理模型中时，可定量计入其影响，是精确测量溶液电导率的参考技术方案。
图1是电导池的等效物理模型图。图2是电导率测量装置具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案进一步描述采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，由双波形发生器(10)、电导池、信号调理电路(30)、参数检测电路(40)、运算及控制器(50)和人机界面(60)6个模块组成；各模块的功能及相互间的连接方式如下双波形发生器(10)能够产生两种不同波形的激励信号，并受运算及控制器(50)的控制以决定是产生第一种波形激励信号还是第二种波形激励信号以及产生激励信号的时刻，双波形发生器(10)产生的激励信号输出至电导池(20)的电极并对该电极进行激励；双波形发生器(10)产生的第一种波形激励信号用于测算电极分布电容，测算获得的电极分布电容结合双波形发生器(10)产生的第二种波形激励信号用于测算溶液的电阻和电导率；电导池(20)内含电极和被测溶液，内含的电极接收来自双波形发生器(10)产生的激励信号并被其激励，产生电极响应信号输出至信号调理电路(30 );信号调理电路(30)接收来自电导池(20)的电极响应信号并对电极响应信号进行滤波和信号放大，滤波方式和信号放大倍数受运算及控制器(50)的控制，信号调理电路
(30)的输出连接至参数检测电路(40)；参数检测电路(40 )受运算及控制器(50 )的控制对来自信号调理电路(30 )的信号进行参数检测并将参数检测的结果输出至运算及控制器(50)；[0024]运算及控制器(50)的连接及功能包含7方面a、对双波形发生器(10)控制以决定是产生第一种波形激励信号还是第二种波形激励信号以及产生激励信号的时刻；b、对信号调理电路(30)控制以决定信号调理电路(30)的滤波方式和信号放大倍数；c、对参数检测电路(40)控制以决定检测哪种参数以及检测参数的时刻；d、接收来自参数检测电路(40)的输出信号；e、对来自参数检测电路(40)的信号进行数据运算处理；f、对数据运算处理的结果输出至人机界面(60)进行显示；g、接收来自人机界面(60)的输入；人机界面(60)与运算及控制器(50)相连接，包含两方面的功能a、对来自运算及控制器(50)的数据运算处理的结果进行显示；b、以按键输入方式将需设置的参数送入运算及控制器(50)。实施例一功能模块及连接方式同上述具体实施方式
对技术方案的描述，第一种波形激励信号采用交流对称三角波电压信号(交流对称三角波是指指三角波的波峰与波谷的极性相反、幅度相等，上波段与下波段的斜率绝对值相等)，第二种波形激励信号采用正弦交流电压信号。本实用新型技术方案所描述的测量装置的溶液电导率测量操作过程如下将电极置于被测溶液中，用交流对称三角波电压信号作为第一种波形激励信号对电极进行激励，检测电极响应电流，用适当的计算表达式测算出电极分布电容，将电极保持在被测溶液中，对电极包括电极引线不作任何物理位置的移动，用正弦交流电压信号作为第二种波形激励信号对电极进行激励，检测电极响应电流和电极消耗的有功功率，用适当的计算表达式结合已测得的电极分布电容测算出溶液的电阻和电导率。以上实施方式所用的术语，符号不对本实用新型的应用构成限制，只是为了便于说明。本领域技术人员可依据本实用新型的实施方式作出一些替换，然而这些依据本实用新型实施方式所作的种种等效替换及修改，属于本实用新型的发明思想及由权利要求所界定的专利范围内。
权利要求1.采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，由双波形发生器(10)、电导池 (20)、信号调理电路(30)、参数检测电路(40)、运算及控制器(50)和人机界面(60)6个模块组成；其特征在于包含双波形发生器(10)，双波形发生器(10)能够产生两种不同波形的激励信号，产生的第一种波形激励信号用于测算电极分布电容，测算获得的电极分布电容结合双波形发生器(10)产生的第二种波形激励信号用于测算溶液的电阻和电导率。
2.如权利要求1所述的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，其特征在于所述的双波形发生器(10)受运算及控制器(50)的控制以决定是产生第一种波形激励信号还是第二种波形激励信号以及产生激励信号的时刻，双波形发生器(10)产生的激励信号输出至电导池(20)的电极并对该电极进行激励。
3.如权利要求1所述的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，其特征在于所述的电导池(20)内含电极和被测溶液，内含的电极接收来自双波形发生器(10)产生的激励信号并被其激励，产生电极响应信号输出至信号调理电路(30 )。
4.如权利要求1所述的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，其特征在于所述的信号调理电路(30)接收来自电导池(20)的电极响应信号并对电极响应信号进行滤波和信号放大，滤波方式和信号放大倍数受运算及控制器(50)的控制，信号调理电路 (30)的输出连接至参数检测电路(40)。
5.如权利要求1所述的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，其特征在于所述的参数检测电路(40)受运算及控制器(50)的控制对来自信号调理电路(30)的信号进行参数检测并将参数检测的结果输出至运算及控制器(50 )。
6.如权利要求1所述的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，其特征在于所述的运算及控制器(50)的连接及功能包含7方面a、对双波形发生器(10)控制以决定是产生第一种波形激励信号还是第二种波形激励信号以及产生激励信号的时刻；b、对信号调理电路(30)控制以决定信号调理电路(30)的滤波方式和信号放大倍数；c、对参数检测电路(40)控制以决定检测哪种参数以及检测参数的时刻；d、接收来自参数检测电路 (40)的输出信号；e、对来自参数检测电路(40)的信号进行数据运算处理；f、对数据运算处理的结果输出至人机界面(60)进行显示；g、接收来自人机界面(60)的输入。
7.如权利要求1所述的采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，其特征在于所述的人机界面(60)与运算及控制器(50)相连接，包含两方面的功能a、对来自运算及控制器(50)的数据运算处理的结果进行显示；b、以按键输入方式将需设置的参数送入运算及控制器(50)。
专利摘要公开一种采用两种波形激励信号的溶液电导率的测量装置，由双波形发生器、电导池、信号调理电路、参数检测电路、运算及控制器和人机界面6个模块组成；双波形发生器能够产生两种不同波形的激励信号，产生的第一种波形激励信号用于测算电极分布电容，测算获得的电极分布电容结合双波形发生器产生的第二种波形激励信号用于测算溶液的电阻和电导率。本方案可以对电极分布电容进行动态测定，消除电极分布电容和电极的双电层电容对测量的影响，是精确测量溶液电导率的参考方案。
文档编号G01R27/02GK202854235SQ20122048000
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者廖晓东, 陈顺凡, 高杰星 申请人:福建师范大学