一种四电极电导率仪的测量电路的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及电子电路技术领域，具体指一种高精度低成本四电极法测量溶液电导率仪的电路。
【背景技术】
[0002]电导率的传统测量方法是采用两电极技术，即在两电极上加上恒定振幅的交流电压信号，测量流经两电极之间的电流(如附图1所示)。常采用运算放大器作为Ι/v转换电路，被测溶液的电导率与运放输出成反比。由于激励电极和测量电极为同一电极，因此产生极化效应，随着溶液的电导率增大，测量误差也增大。由此设计了一种用于消除极化效应的四电极电导电极(如附图2所示)。其中，第一激励电极(或电流)11、第二激励电极12，第一测量测量电极V1、第二测量电极V2，把测量电极和激励(或电流)电极分开，这样有效地减小了因极化效应产生的测量误差，(测量电路如附图3所示)。在第一激励电极(或电流)11、第二激励电极12施加交流电流信号，在第一测量测量电极V1、第二测量电极V2，测量相应的电压信号，由于第一测量测量电极Vl、第二测量电极V2，连接高输入阻抗跟随器，因此第一测量测量电极V1、第二测量电极V2上流过的电流几乎为零，不会发生电流泄漏现象，溶液的电导率和第一测量测量电极V1、第二测量电极V2的差分电压成反比。论文《开放式四电极电导率传感器的研制与实验》和《以电导率测量为核心的多参数水质检测系统的研究_俞宏波》提到了一种固定测量电极电压测量电极电流的方法测量电导率，固定电压为正负交替的方波。而国外的梅特勒.托多利公司设计的"FiVeEasy Plus"实验室电导率仪采用的方法为激励电极采用方波恒流驱动。由于激励源的正负不能保证100%的对称，因此将会在测量电极产生偏置，导致后续交直流变化产生波动，产生测量误差;并且在测量低电导率溶液时，微小的恒流源精度难以保证，因此带来误差。并且产生交流信号需要负电源和高性能的运放，不但占用有限的空间资源，而且使得仪器制作成本的上升。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种四电极电导率仪的测量电路。本发明一种四电极电导率仪的测量电路工作原理(如附图4所示)简述如下:
[0004]本发明一种四电极电导率仪的测量电路，第一、采用模拟交流信号源，对激励电极交替施加单极性方波激励源的方法，有效地解决了信号源不对称的问题。第二、在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励;在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励。其中，电阻器Rl为第一激励电极Il和第一测量电极Vl之间的等效电阻；电阻器R2为第一测量电极Vl和第二测量电极V2之间的等效电阻；电阻器R3为第二测量电极V2和第二激励电极12之间的等效电阻。当施加电流激励源I时，回路电流等于激励电流i，测量电极的电压为Vout = i*R2，可得:R2 = Vout/i，电导率为:G = k/R2，其中k为电极常数。当施加电压激励源V时，测得Rt端的电压为Vt，因此回路电流为:i=Vt/Rt，测量电极的电压为Vout，可得:R2 = Vout*Rt/Vt，电导率为:G = k/R2。
[0005]本发明一种四电极电导率仪的测量电路，包括电压激励源V和电流激励源I，第一激励电极II，第二激励电极12，第一测量电极VI，第二测量电极V2，第一切换开关SWl和第二切换开关SW2及参考电源VSRC以电路方式连接。
[0006]所述第一切换开关SWl的两个公共端分别连接第一激励电极Il和电阻器Rt，电阻器Rt另一端连接第二激励电极12。
[0007]所述第二切换开关SW2的公共端连接第一切换开关SWl的两个输入端，第二切换开关SW2的输入分别连接电压激励源V和电流激励源I。
[0008]所述第一测量电极Vl，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器。
[0009]所述高输入阻抗跟随器由高输入阻抗运放U1A、U1D构成，第一测量电极VI，第二测量电极V2连接高输入阻抗跟随器的两个同向输入端，高输入阻抗跟随器的两个输出端分别连接电阻器Ra、电阻器Rb，电阻器Ra连接运放UlB的反向输入端，电阻器Rb连接运放UlB的同向输入端；
[0010]电阻器Rd连接运放UlB的反向输入端和输出端，电阻器Re连接运放UlB的同向输入端和参考源VSRC。
[00?1 ] 其中，电阻器Ra，电阻器Rb，电阻器Re，电阻器Rd与运放UlB构成差分放大电路；
[0012]电阻器Rt与第二激励电极12的连接端接入运放UlC的同向输入端，用于检测电阻器Rt的电压。
[0013]所述第一切换开关SWl为74HC4053;
[0014]所述第二切换开关SW2为AD623;
[0015]所述运放U1A、U1B、U1C、U1D 为 AD8609;
[0016]所述电阻Ra、电阻Rb、电阻Re、电阻Rd为I OOk，电阻Rt为Ik。
[0017]在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励V。在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励I。
[0018]其中，电阻器Rl为第一激励电极Il和第一测量电极Vl之间的等效电阻。
[0019]电阻器R2为第一测量电极Vl和第二测量电极V2之间的等效电阻。
[0020]电阻器R3为第二测量电极V2和第二激励电极12之间的等效电阻。
[0021]当施加电流激励源I时，回路电流等于激励电流i，测量电极的电压为Vout= i*R2，可得:R2 = Vout/i，电导率为:G = k/R2，其中k为电极常数。
[0022]当施加电压激励源V时，测得Rt端的电压为Vt，因此回路电流为:i= Vt/Rt，测量电极的电压为Vout，可得:R2 = Vout*Rt/Vt，电导率为:G = k/R2。
[0023]综上所述，本发明基于采用模拟交流信号源，对激励电极交替施加单极性方波激励源的方法，有效地解决了信号源不对称的问题。和在测量较低电导率的溶液时，信号源切换为电压源激励，在测量较高电导率的溶液时，信号源切换为电流源激励的基本思路和实际电路，达到了减小激励源不对称带来的测量误差和降低电路成本的效果。
【附图说明】
[0024]图1为现有技术两电极测量电路原理图；
[0025]图2为现有技术四电极电导电极结构示意图；
[0026]图3为现有的四电极电导电极测量电路原理图；
[0027]图4为本发明一种四电极电导率仪的测量电路原理图；
[0028]图5为本发明的电路连接图；
[0029]图6为本发明的激励电极的电压激励波形图；
[0030]图7为本发明的Rt端的电压波形图。
[0031]附图标记号说明:
[0032]SWl:为74HC4053
[0033]SW2:为AD623
[0034]运放U1A、U1B、U1C、U1D:为 AD8609
[0035]电阻器Ra