基于互補(bǔ)數(shù)字電橋的液體電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于儀器儀表測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種液體電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 液體電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的工程技術(shù)。其主要原理是對(duì)液體的電導(dǎo)特 性進(jìn)行測(cè)量，對(duì)便于對(duì)液體組分進(jìn)行分析，主要用于工業(yè)生產(chǎn)用水、人類(lèi)生活用水、海水特 性、電池電解液等測(cè)量與檢測(cè)。
[0003] 平衡電橋法是電導(dǎo)率高精度測(cè)量的主要方法，適合在高級(jí)實(shí)驗(yàn)室使用。其基本思 路是將電導(dǎo)率傳感器的作為電橋的一臂，其余三個(gè)電阻采用高精度的電阻，高精度電阻具 有較好的一致性，有類(lèi)似的溫漂特性，以確保高精度。
[0004] 通常電導(dǎo)率傳感器是由電導(dǎo)池構(gòu)成的，不同的電導(dǎo)池的電導(dǎo)池常數(shù)不同，為了克 服電導(dǎo)池常數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，兩個(gè)上橋臂均采用電導(dǎo)池，其中一個(gè)電導(dǎo)池中放標(biāo)準(zhǔn)溶 液，另一個(gè)電導(dǎo)池中放待測(cè)溶液。系統(tǒng)按照一定的流程進(jìn)行操作可以計(jì)算出電導(dǎo)池常數(shù)，并 進(jìn)行補(bǔ)償。
[0005] 圖1是現(xiàn)有的平衡電橋法測(cè)量液體電導(dǎo)率原理圖。由平衡電橋原理可得，電橋平 衡時(shí)待測(cè)電阻&的計(jì)算公式如下：
[0009] 其中，Rs為標(biāo)準(zhǔn)溶液電阻，Ri、R2為待測(cè)電阻，Rc為待測(cè)溶液電阻，Pc為待測(cè)溶液 電導(dǎo)率，Ps為標(biāo)準(zhǔn)溶液電導(dǎo)率。
[0010] 采用該電橋測(cè)量的時(shí)候，有以下問(wèn)題會(huì)影響測(cè)量精度：
[0011] ⑴由于Rs為標(biāo)準(zhǔn)溶液，從上式可以看出，Pc的測(cè)量精度受到RpM5PRs精度的 影響；
[0012] (2)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，R1通常采用數(shù)字電位器，目前數(shù)字電位器的抽頭數(shù)不夠，分 辨率低，難以滿(mǎn)足高精度測(cè)量的需要；
[0013] (3)為了防止溶液產(chǎn)生極化，影響電阻率的測(cè)量，通常采用交流電橋，但交流電橋 的波形和頻率一般是固定的；
[0014] (4)由于溶液非純阻性，在采用交流電橋測(cè)量的時(shí)候，存在波形畸變，嚴(yán)重影響測(cè) 量精度；
[0015] (5)激勵(lì)源、檢流計(jì)和電橋在電氣上不完全隔離，電路干擾可能會(huì)影響測(cè)量精度。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0016] 本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有電橋式電導(dǎo)率測(cè)量方法的不足，提出一種新型 的，基于互補(bǔ)電橋式的高精度液體電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)。
[0017] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：基于互補(bǔ)數(shù)字電橋的液體電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)，包括激勵(lì) 源、與激勵(lì)源相連的平衡電橋和數(shù)字檢流計(jì)，還包括主控電路、輸入變壓器和輸出變壓器； 主控電路分別與激勵(lì)源和數(shù)字檢流計(jì)相連；
[0018] 平衡電橋的四個(gè)橋臂分別為待測(cè)電阻Re、標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs和兩個(gè)等效互補(bǔ)電阻R:和 R2，其中待測(cè)電阻Re的第二端與等效互補(bǔ)電阻R:的第一端，構(gòu)成一條支路，標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的第 二端與等效互補(bǔ)電阻私的第一端相連構(gòu)成一條支路；兩條支路上的待測(cè)電阻1的第一端與 標(biāo)準(zhǔn)電阻馬的第一端相連；輸入變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的兩端分別連接到Re與的第一端和等效互 補(bǔ)電阻&和R2的第二端，互補(bǔ)電阻R:和R2滿(mǎn)足以下互補(bǔ)條件：
[0021] 其中，k為可調(diào)系數(shù)，RreARjPR2的參考電阻；
決定待測(cè)電阻的精度。
[0023] 互補(bǔ)電阻札和R2采用N級(jí)R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其支路上的電阻分別為2R和 Rraf，R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的首條2Rraf支路與標(biāo)準(zhǔn)電阻1^的第二端相連；其余2Rraf支路通過(guò)雙向 選擇開(kāi)關(guān)跟別與待測(cè)電阻Re的第二端和標(biāo)準(zhǔn)電阻R5的第二端相連；
[0024] 輸出變壓器初級(jí)線(xiàn)圈的兩端分別接標(biāo)準(zhǔn)電阻馬的第二端和待測(cè)電阻Re的第二端， 其次級(jí)線(xiàn)圈的兩端與數(shù)字檢流計(jì)相連；
[0025] 主控電路包括信號(hào)采集單元、互補(bǔ)電阻計(jì)算單元和激勵(lì)波形產(chǎn)生單元；信號(hào)采集 單元接收數(shù)字檢流計(jì)的反饋信號(hào)，進(jìn)行同步采樣與濾波，激勵(lì)波形產(chǎn)生單元產(chǎn)生激勵(lì)信 號(hào)，將激勵(lì)信號(hào)傳遞到激勵(lì)源，互補(bǔ)電阻計(jì)算單元根據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算等效電阻&和R2的阻 值，以便調(diào)整R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與平衡電橋的連接結(jié)構(gòu)。
[0026] 優(yōu)選的是：數(shù)字檢流計(jì)包括信號(hào)調(diào)理電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 電路與主控電路相連；輸出變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈連接到待測(cè)電阻Re的第二端和標(biāo)準(zhǔn)電阻1的 第二端；次級(jí)線(xiàn)圈與信號(hào)調(diào)理電路相連，變壓器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大后傳遞到模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字量傳遞到主控電路。
[0027] 優(yōu)選的是：激勵(lì)源包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)雙極性變換單元和功率驅(qū)動(dòng)單元， 激勵(lì)信號(hào)傳遞到激勵(lì)源的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后，傳遞到信號(hào)雙極性變換 單元；信號(hào)雙極性變換單元將單極性信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性信號(hào)后傳遞到功率驅(qū)動(dòng)單元，功率 驅(qū)動(dòng)單元經(jīng)輸入變壓器與平衡電橋的輸入端相連，功率驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)變壓器產(chǎn)生激勵(lì)信 號(hào)，經(jīng)變壓器傳遞到平衡電橋。
[0028] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0029] (1)本實(shí)用新型的提供的測(cè)量系統(tǒng)和方法較傳統(tǒng)的電橋式液體電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)的 精度有較大提高。傳統(tǒng)的平衡電橋測(cè)量精度取決于R^RjPRs，而本系統(tǒng)采用互補(bǔ)式數(shù)字電 橋，減少了電橋下橋臂分支電阻精度對(duì)于測(cè)量的影響；當(dāng)k精確給定后，互補(bǔ)式電橋的精度 只取決Rs，不受&和R2的影響，降低了測(cè)量的不確定性，提高了精度。
[0030] (2)互補(bǔ)式數(shù)字電橋采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的階次N， 可以有效提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。
[0031] (3)激勵(lì)波形可以編程，可以根據(jù)不同的溶液特性，設(shè)定激勵(lì)的波形參數(shù)，減少極 化現(xiàn)象對(duì)精度的影響。
[0032] (4)采用同步采樣和濾波技術(shù)，提高了系統(tǒng)的精度和測(cè)量的穩(wěn)定性。
[0033] (5)激勵(lì)源、檢流計(jì)和電橋在電氣上完全隔離，減少了電路的干擾。
[0034] (6)采用內(nèi)插算法，在電橋達(dá)到準(zhǔn)平衡的時(shí)候，預(yù)測(cè)平衡時(shí)的參數(shù)，進(jìn)一步提高精 度。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1為平衡電橋法測(cè)量液體電導(dǎo)率原理圖。
[0036] 圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 圖3為本實(shí)用新型平衡電橋簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 圖4本實(shí)用新型基于R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的平衡電橋結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 如圖2所示，基于互補(bǔ)數(shù)字電橋的液體電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)，包括激勵(lì)源、與激勵(lì)源相 連的平衡電橋和數(shù)字檢流計(jì)，還包括主控電路、輸入變壓器和輸出變壓器；主控電路分別與 激勵(lì)源和數(shù)字檢流計(jì)相連。
[0040] 平衡電橋的四個(gè)橋臂分別為待測(cè)電阻Re、標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs和兩個(gè)等效互補(bǔ)電阻R:和 R2，其中待測(cè)電阻Re的第二端與等效互補(bǔ)電阻R:的第一端，構(gòu)成一條支路，標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的第 二端與等效互補(bǔ)電阻私的第一端相連構(gòu)成一條支路；兩條支路上的待測(cè)