CN103728498A - 一种电导率/频率转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电导率/频率转换电路，用于检测溶液的电导率。它由比较器A1、模拟开关IC、电阻R1-R3、电容C、电导电极DDJ，构成一方波发生器其特征是，所述的电容C、电导电极DDJ间的溶液电阻，组成方波发生器的RC充放电电路，使流过电导电极的电流为交流电流，该电路结构简单，能将溶液的电导率转换成对应的频率输出，并能随溶液电阻率的大小自动变换流过溶液电阻的电流频率，自动补偿电导池的并联电容效应误差和极化误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种电导率/频率转换电路，用于检测溶液的电导率。
背景技术
现有的溶液电导率的测量方法是，将一电导电极插入溶液中构成一电导池，溶液的导电性能可用电导电极间的溶液电阻RX的倒数电导1/RX表示，将溶液电阻RX与一基准电阻R串联后，在该串联电路的两端施加一交流电压U（交流电压不会使电极与溶液接触的界面上发生极化，保证测量的准确性），然后测量溶液电阻上的电压UX，根据欧姆定律UX=U×RX/(RX+R)可知，电压UX与溶液电阻RX成一对应关系。然而这种测量方法所使使用的测量装置的结构较为复杂：1、需要设置一振荡器器来产生交流电压U，还要设置一放大电路来对所测到的信号电压UX进行放大，对放大后的信号电压UX还需要进行整流检波将其转换成直流信号电压；2、对振荡器有较高的要求即振荡器的输出信号电压的幅值必须保证稳定。再者在许多场合需要对溶液的电导率进行自动控制，这需要将电导率的直流模似信号转换成数字信号，供计算机控制系统进行处理，将直流模似信号转换成数字信号还需要一A/D转换装置。
另外在测量高浓度溶液电导率时，由于电导电极上的电流密度较大，会在电极表面形成双电层产生化学极化，或使电极附近溶液的浓度发生变化产生浓差极化，使测量的电导率低于标准值；而在测量低电导率溶液如纯水时由于电导电极存在一等效并联电容，使测量的电导率高于标准值；为降低极化误差和并联电容效应误差，在测量时要采用不同的交流电压的频率，使得交流电压源的设计更为复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电导率/频率转换电路，将溶液的电导率转换频率信号输出，该转换电路结构简单，并能自动补偿电导池的极化误差和并联电容效应误差。
本发明的技术方案是其新的电路结构，它包括比较器A1、模拟开关IC、电阻R1-R3、电容C，其特征是，电阻R1、R2、R3的一端与比较器A1的同相输入端相连接，电阻R1的另一端接电源VDD，电阻R2的另一端接比较器的输出端，电阻R3的另一端接地，比较器的反相输入端通过电容C接地，在比较器的反相输入端与模拟开关IC的公共端5脚之间接有电导电极DDJ，模拟开关IC的常闭端6脚接电源VDD，模拟开关IC的常开端4脚接地，反相器的输出端输出一方波信号其频率与电导电极中溶液电阻成一比例关系。
所述的电阻R1、R2、R3的阻值为10K欧姆，所述的电容C的容量为0.1微法，所述的电导电极的电极常数为1.0。
本发明的有益效果是：1、采用简单的电路结构，将电导电极间溶液的电阻率转换成对应的频率信号；2、该电路能随溶液电阻率的大小自动变换流过溶液电阻的电流频率，自动补偿电导池的并联电容效应误差和极化误差。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为图1的工作波形图。
具体实施方式
现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本发明的电路结构见图1，它包括比较器A1、模拟开关IC、电阻R1-R3、电容C、电导电极DDJ，其相互连接关系是，电阻R1、R2、R3的一端与比较器A1的同相输入端相连接，电阻R1的另一端接电源VDD，电阻R2的另一端接比较器的输出端，电阻R3的另一端接地，比较器的反相输入端通过电容C接地，在比较器的反相输入端与模拟开关IC的公共端5脚之间接有电导电极DDJ，模拟开关IC的常闭端6脚接电源VDD，模拟开关IC的常开端4脚接地，模拟开关IC的控制端1脚与比较器的输出端相连接，该电路构成一方波发生器，反相器的输出端输出一方波信号，其频率与电导电极中溶液电阻成一比例关系。
所述的比较器的型号为LM311或其他功能相似的型号，所述的模拟开关的型号为MAX4729，为单刀/双掷开关，其导通电阻小于3欧姆。
所述的的电阻R1、R2、R3构成一正反馈电路，将比较器输出端上的电平信号反馈到比较器的同相输入端，电阻R1、R2、R3的阻值为10K欧姆，当比较器输出端呈高电平时，比较器同相输入端的电压约为电源电压的2/3，当比较器输出端呈低电平时，比较器同相输入端的电压约为电源电压的1/3；改变电阻R1、R2、R3的阻值，可改变比较器同相输入端的电压。
所述的电容C为0.1微法的钽电容，电源VDD的电压为+5V，为比较器、模拟开关提供工作电源。
所述电导电极DDJ的电极常数（也称电导池常数）为1.0。
本发明的工作原理是，电导电极插入溶液中，电导电极之间的溶液电阻Rx和电容C以及模拟开关构成一RC充放电电路，电容C上的端电压Uc输入到比较器的反相输入端，当反相输入端的电压大于同相输入端的电压时，比较器输出端呈低电平“0”， 当反相输入端的电压小于同相输入端的电压时，比较器输出端呈高电平“1”；所述的充放电电路受控于反相器输出端的电平状态，当比较器输出端为高电平“1”时，模拟开关的5脚与6脚相通，电容C通过溶液电阻Rx充电，当比较器输出端为低电平“0”时，模拟开关的5脚与4脚相通，电容C通过溶液电阻Rx放电，由此在溶液电阻Rx中形成交流电流，该交流电流的频率与溶液电阻Rx的大小成一比例关系。
当本发明的电路通电后，由于电容C的电压uc不能突变，电压uc为0，比较器反相输入端的电压小于同相输入端的电压，比较器输出端呈高电平“1”， 模拟开关的5脚与6脚相通，电容C通过溶液电阻Rx充电，电容C的端电压呈指数上升，参见图2中0-t1段波形，图2中Vo为比较器输出端的波形，uc为电容C端电压的波形，I为溶液电阻Rx中的电流波形。
当电容C的端电压上升到大于等于比较器同相输入端的电压时，比较器输出端呈低电平“0”， 模拟开关的5脚与4脚相通，电容C通过溶液电阻Rx放电，电容C的端电压呈指数下降，参见图2中t1-t2段波形；当电容C的端电压下降到小于等于比较器同相输入端的电压时，比较器输出端呈高电平“1”， 模拟开关的5脚与6脚相通，电容C通过溶液电阻Rx充电，参见图2中t2-t3段波形；如此周而复始形成振荡，比较器输出一方波信号，方波信号的频率为
f = 1.443／（2Ro’＋2Rx’）C’ (1)
式1中Ro’为模拟开关的导通电阻的阻值，Rx’为电导电极之间的溶液电阻的阻值，C’为电容的电容量；
由于模拟开关的导通电阻的阻值相对电导电极间溶液电阻的阻值而言很小（溶液电阻的阻值可以通过选择不同电极常数的电导电极进行变换），可以忽略，因此式1可改写为
f = 0.72／Rx’C’ (2)
溶液电阻的倒数为溶液电导，从式2可看出比较器输出的信号频率与溶液电导率成正比例关系。
在本发明的电路中，对电容C充电回路的路径为模拟开关→溶液电阻→电容，电容放电回路的路径为电容→溶液电阻→模拟开关，因此流过溶液电阻的电流为正、负半周对称的交流电流，不含直流分量，在测量溶液电导率时，极化现象比较轻微。
本发明另一个特点是，能随溶液电导率的大小自动变换流过溶液电阻的电流频率，自动补偿电导池的并联电容效应误差和极化误差。补偿原理说明如下：
所述的并联电容为因电荷的互相迁移以及电荷对于电极的迁移所形成的电容，它与电导电极的两极片相并联，其容量约为几十微微法。当溶液电解质浓度较低时（如蒸馏水、纯水）其电阻较大（大于100K欧姆），由于并联电容的影响，会使所测到的电导率大于标准值，为降低并联电容的影响，通常采用较低的电流频率（低于100HZ）；
当溶液的电解质浓度较高时其电阻较小（小于100欧姆），电导电极上的电流密度过大会造成极化，表现为在电极表面形成双电层或使电导电极附近的电解液的浓度发生变化，这就使等效的溶液电阻增大，产生测量误差。根据电化学理论，可推出由于极化造成的误差⊿R，即
⊿R＝E2/fRx2 (3)
式3中， E为极化电势与溶液的电解质浓度和施加在溶液电阻上的交流电的电压大小有关，f为交流电压频率，Rx为电导电极间的溶液电阻；
从式3可看出采用高的交流电源频率可降低极化误差。
本发明在测量电导率时可随溶液电阻的大小自动变化频率，从式2可看出，当溶液电阻较小时流过其中的电流频率较高，当溶液电阻较大时流过其中的电流频率较高。取电容C的容量为0.1微法，当溶液电阻为100欧姆-100K欧姆时，流过溶液电阻的电流频率为72KHZ-72HZ，因此可自动补偿电导池的并联电容效应误差和极化误差。
本发明输出频率信号相当于一数字信号，可省去A/D转换装置而直接与单片机或其他数据处理芯片的输入端连接，经数据处理后用于控制或显示。
Claims (2)
1.一种电导率/频率转换电路，它包括比较器A1、模拟开关IC、电阻R1-R3、电容C，其特征是，电阻R1、R2、R3的一端与比较器A1的同相输入端相连接，电阻R1的另一端接电源VDD，电阻R2的另一端接比较器的输出端，电阻R3的另一端接地，比较器的反相输入端通过电容C接地，在比较器的反相输入端与模拟开关IC的公共端5脚之间接有电导电极DDJ，模拟开关IC的常闭端6脚接电源VDD，模拟开关IC的常开端4脚接地，反相器的输出端输出一方波信号其频率与电导电极中溶液电阻成一比例关系。
2.根据权利要求1所述的电导率/频率转换电路，其特征是，所述的电阻R1、R2、R3的阻值为10K欧姆，所述的电容C的容量为0.1微法，所述的电导电极的电极常数为1.0。
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