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(dòng)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(duì)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(huì)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(hào)作為激勵(lì)源，對(duì)于頻率信號(hào)比較高的方波信號(hào)激勵(lì)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(lì)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(lì)源

由于如虛線所示的激勵(lì)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(lì)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(duì)應(yīng)直流量與測得的直流量相比，達(dá)到消除激勵(lì)源幅值誤差的目的。

實(shí)際上本電導(dǎo)率測量儀的激勵(lì)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(jí)可調(diào)節(jié)WD5電源、國產(chǎn)MD1641函數(shù)信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照表

圖5 分布電容為8 000 pF的誤差分布圖

由以上各表對(duì)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(duì)誤差絕對(duì)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(duì)分壓電阻R1很大或很小時(shí)，分壓電阻就難以識(shí)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(duì)誤差絕對(duì)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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