專利名稱：一種溶液電導(dǎo)率的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種溶液電導(dǎo)率(電阻率)的測量方法。
背景技術(shù)：
長期以來，如何測量溶液的電導(dǎo)率，一直是測量人員及電導(dǎo)率儀生產(chǎn)廠家十分關(guān)注和深入研究的課題。電導(dǎo)池中溶液的電導(dǎo)率可以有下式計(jì)算獲得g＝K/R式中K是電導(dǎo)池常數(shù)(又稱電極常數(shù))。
g是電導(dǎo)率，單位S/cm。
R是電阻率，單位Ω/cm由此，對電導(dǎo)率的測量可轉(zhuǎn)換成對電阻率的測量。
目前，電導(dǎo)率的測量方法，主要有直流電導(dǎo)測定法和交流電導(dǎo)測定法，其直流電導(dǎo)測定法由于難以解決電極的“極化效應(yīng)問題”，已很少采用。交流電導(dǎo)測定法則是在電導(dǎo)池的兩極間加上正弦電壓信號，利用交流信號來減少極化效應(yīng)的影響。
當(dāng)電導(dǎo)池兩極間加上交流電壓后，在兩極上將產(chǎn)生極化層，同時(shí)，在兩極及兩極間存在電容效應(yīng)，這樣，電導(dǎo)池不再是一個純電阻，而是包含容抗的阻抗了，其等效物理模型如附圖1所示。圖中，RL1，RL2為引線電阻，CDL1、CDL2表示兩個電極片上感應(yīng)的阻抗，即通常所說的極間極化電阻，RSDL代表兩極之間溶液的電阻。
其中，引線電阻RL1，RL2在通常情況下是忽略不計(jì)的，當(dāng)電導(dǎo)池兩端施加一個交流電源時(shí)，它將同時(shí)流過CDL1、CDL2、RSDL和CP，由于CDL1和CDL2對于交流信號而言提供了一個低通通路，Z1和Z2分別被CDL1和CDL2短路，通常情況下，CP很小，CDL1和CDL2很大，電導(dǎo)池的阻抗就近似為RSDL。這就是現(xiàn)有交流電導(dǎo)測定采用的方法。顯然，在測量RSDL很大的高電阻溶液(如較純的水)時(shí)，CP的影響就不可忽略了，此時(shí)，采用現(xiàn)有的交流測定法準(zhǔn)確度不高。
為此，人們通過各種途徑尋求較準(zhǔn)確的電導(dǎo)率的測試方法。劉開培等在《高純水電導(dǎo)率測定用動態(tài)脈沖產(chǎn)生方法》(工業(yè)儀表與自動化裝置，1999年第5期)一文中，給出了一種利用動態(tài)脈沖測定電導(dǎo)率的方法，其通過限制脈沖寬度來減少極化產(chǎn)生的影響，但文中也指出，對于不同的被測溶液，脈沖寬度的影響是不同的。這就造成了該方法實(shí)用中的困難，同時(shí)該方法需要產(chǎn)生動態(tài)脈沖，這也造成了設(shè)備和成本的增加。在中國專利申請CN1459629A中公開了一種溶液電導(dǎo)率的測量方法，通過有功功率的測量來間接計(jì)算電導(dǎo)率，該方法需要用時(shí)間積分進(jìn)行計(jì)算，增加了處理難度。在中國專利申請?zhí)朇N200410066147.7公開了一種水的電導(dǎo)率的測量方法，其是分別在電導(dǎo)率的兩極加上頻率為ωa和ωb的正弦信號，其中，ωb＝2ωa分別測出在兩種頻率下的阻抗的模|Za|和|Zb|獲得所需測定的電導(dǎo)率g。
但是上述方法均由于電導(dǎo)池的電容效應(yīng)和極化效應(yīng)的存在，約束了電導(dǎo)池的測量量程，影響溶液電導(dǎo)率的測量精度，并造成在低電導(dǎo)測量時(shí)的校正困難，且無法判斷極化效應(yīng)的程度，從而不能給使用者適當(dāng)?shù)奶崾荆员苊膺M(jìn)行有較大測量誤差的測量操作，和進(jìn)行準(zhǔn)確測量的有益提示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種減少電導(dǎo)率的電容效應(yīng)和極化效應(yīng)對測量的影響，擴(kuò)大電導(dǎo)池的測量范圍，使小電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)池能在國家標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)溶液中正常標(biāo)定的溶液電導(dǎo)率的測量方法。
作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的溶液電導(dǎo)率的測量方法是，對電導(dǎo)池的兩極施加一個半周脈寬為t的交流信號源，通過測量電導(dǎo)池的信號在任一半周0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和任一半周51-100％范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電導(dǎo)率或電阻率值。
本發(fā)明采用的交流信號源為方波交流源。
本發(fā)明測量電導(dǎo)池的信號為電導(dǎo)池的電壓信號或電流信號。
本發(fā)明的測量方法中，當(dāng)X1/X2的值大于某一預(yù)先設(shè)定的上限值或X2/X1的值小于某一預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，提出測量報(bào)警，要求更換更大的電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)電極進(jìn)行可靠的測量，以避免進(jìn)行有較大測量誤差的測量操作。
由于本發(fā)明的測量方法及計(jì)算方法減少了電導(dǎo)池的電容效應(yīng)和極化效應(yīng)對測量的影響，擴(kuò)大電導(dǎo)池的測量范圍，如同一電導(dǎo)電極的測量范圍可擴(kuò)大一個數(shù)量級，使小電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)池能在國家標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)溶液中進(jìn)行標(biāo)定，如電導(dǎo)池常數(shù)為0.01的光亮鉑電導(dǎo)電極可用146.6uS/cm國家標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)溶液中進(jìn)行校正，使得低電導(dǎo)率的溶液取得具有可信及可比性的測量值。這樣，同樣電導(dǎo)池常數(shù)光亮鉑電導(dǎo)電極與采用常規(guī)測量方法的鍍鉑黑的電導(dǎo)電極具有相同的測量范圍，且光亮鉑電導(dǎo)電極的電導(dǎo)池常數(shù)穩(wěn)定性及電極的使用壽命均遠(yuǎn)大于鍍鉑黑的電導(dǎo)電極。
當(dāng)然，使用本發(fā)明的測量方法同樣使鍍鉑黑的電導(dǎo)電極的測量范圍擴(kuò)大了一個數(shù)量級。
由于本發(fā)明的測量方法及計(jì)算方法減少了電導(dǎo)池的電容效應(yīng)和極化效應(yīng)對測量的影響，擴(kuò)大了電導(dǎo)池的測量范圍，這樣一支常規(guī)電導(dǎo)電極，以前如不能用直接標(biāo)定法來確定電導(dǎo)池常數(shù)，現(xiàn)在用本發(fā)明的方法就可直接標(biāo)定電導(dǎo)池常數(shù)；以前只能用一種溶液來直接標(biāo)定電導(dǎo)池常數(shù)，用本發(fā)明的測量方法不僅可直接標(biāo)定電導(dǎo)池常數(shù)，還可用另一種國家標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)溶液來驗(yàn)證測量的準(zhǔn)確性。
由于本發(fā)明的測量方法及計(jì)算方法可確定電導(dǎo)電極的極化程度，當(dāng)極化效應(yīng)很大且已對測量產(chǎn)生影響時(shí)，可對使用者提出警示，表明應(yīng)當(dāng)更換更大的電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)電極進(jìn)行可靠的測量，以避免進(jìn)行錯誤的測量。
本發(fā)明的測量方法進(jìn)行單一成份的電導(dǎo)酸堿濃度測量，可取得比電磁法電導(dǎo)酸堿濃度測量方法更高的測量精度。
進(jìn)行工業(yè)電導(dǎo)率測量時(shí)，可減少電導(dǎo)電極電纜分布電容對測量的影響。


圖1為現(xiàn)有測量方法的等效物理模型示意圖。
圖2本發(fā)明電導(dǎo)率測量基本電路圖。
圖3本發(fā)明電導(dǎo)率測量的時(shí)序圖。其中圖3a為輸入方波交流源的波形圖。
圖3b為無極化狀態(tài)下電導(dǎo)池的信號的波形圖。
圖3c為有極化影響時(shí)電導(dǎo)池的信號的波形圖。
圖3d為嚴(yán)重極化狀態(tài)下電導(dǎo)池的信號的波形圖。
圖4本發(fā)明電阻率測量基本電路圖。
圖5本發(fā)明電阻率測量的時(shí)序圖。其中圖5a為輸入方波交流源的波形圖。
圖5b為無極化狀態(tài)下電導(dǎo)池的信號的波形圖。
圖5c為有極化影響時(shí)電導(dǎo)池的信號的波形圖。
圖5d為嚴(yán)重極化狀態(tài)下電導(dǎo)池的信號的波形圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實(shí)施例1本實(shí)施例1介紹的是本發(fā)明用于測量電導(dǎo)率的方法。
參見圖2，電導(dǎo)率測量電路與現(xiàn)有的常規(guī)測量電路基本相同，1為電導(dǎo)池。電導(dǎo)池1的一個電極與運(yùn)算放大器A的反向端連接，運(yùn)算放大器A的反向端與輸出端之間連有電阻Rf，正向端接地，給電導(dǎo)池1加上一個幅值穩(wěn)定、半周脈寬為t的交流方波信號Vi，測量運(yùn)算放大器A的輸出電壓V0。
參看圖3，對電導(dǎo)池1的兩極施加一個半周脈寬為t的交流方波信號Vi，其波形如圖3a，通過測量電導(dǎo)池1的電流信號在任一半周0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和任一半周51-100％t范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電導(dǎo)率。
本實(shí)施例是測量電導(dǎo)池1的電流信號在一個半周的上升沿開始0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和此半周下降沿前0-49％t范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電導(dǎo)率。
當(dāng)然，值X1和值X2也可以不在同一半周內(nèi)測量，這不影響本發(fā)明的測量的準(zhǔn)確性。
從圖3中可以看出，當(dāng)無極化現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，運(yùn)算放大器A的輸出電壓V0的波形基本上與輸入的交流方波信號Vi波形基本相同，另外圖3c和圖3d給出了有極化和嚴(yán)重極化兩種狀態(tài)下的波形圖，從上述波形圖可以看出，無論出現(xiàn)什么樣的極化狀態(tài)，本發(fā)明的方法測量的值X1和值X2是準(zhǔn)確的，不象現(xiàn)有測量方法中，一旦出現(xiàn)極化現(xiàn)象，就會造成測量不準(zhǔn)。
這樣，本發(fā)明就可以衍生出一種對極化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的方法，如當(dāng)X1/X2的值大于某一預(yù)先設(shè)定值上限或X2/X1的值小于某一預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，極化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，提出測量報(bào)警，要求更換更大的電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)電極進(jìn)行可靠的測量，以避免進(jìn)行有較大測量誤差的測量操作。
實(shí)施例2本實(shí)施例2介紹的是本發(fā)明用于測量電阻率的方法。
參見圖4，電阻率測量電路與現(xiàn)有的常規(guī)測量電路基本相同，1為電導(dǎo)池。電導(dǎo)池1的兩個電極跨接在運(yùn)算放大器A反向端與輸出端之間，運(yùn)算放大器A的反向端還接一電阻Rf。運(yùn)算放大器A的正向端接地，給電阻Rf加上一個幅值穩(wěn)定、半周脈寬為t的交流方波信號Vi，測量運(yùn)算放大器A的輸出電壓V0。
參看圖5，對電導(dǎo)池1的兩極施加一個半周脈寬為t的交流方波信號Vi，其波形如圖3a，通過測量電導(dǎo)池1的電壓信號在任一半周0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和任一半周51-100％t范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電阻率值。
本實(shí)施例是測量電導(dǎo)池1的電壓信號在一個半周的上升沿開始0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和此半周下降沿前0-49％t范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電阻率值。
當(dāng)然，值X1和值X2也可以不在同一半周內(nèi)測量，這不影響本發(fā)明的測量的準(zhǔn)確性。
從圖5中可以看出，當(dāng)無極化現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，運(yùn)算放大器A的輸出電壓V0的波形基本上與電導(dǎo)池1的兩極施加的交流方波信號Vi波形基本相同，另外圖5c和圖5d給出了有極化和嚴(yán)重極化兩種狀態(tài)下的波形圖，從上述波形圖可以看出，無論出現(xiàn)什么樣的極化狀態(tài)，本發(fā)明的方法測量的值X1和值X2是準(zhǔn)確的，不象現(xiàn)有測量方法中，一旦出現(xiàn)極化現(xiàn)象，就會造成測量不準(zhǔn)。
這樣，本發(fā)明就可以衍生出一種對極化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的方法，如當(dāng)X1/X2的值大于某一預(yù)先設(shè)定值上限或X2/X1的值小于某一預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，極化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，提出測量報(bào)警，要求更換更大的電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)電極進(jìn)行可靠的測量，以避免進(jìn)行有較大測量誤差的測量操作。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種溶液電導(dǎo)率的測量方法是，對電導(dǎo)池的兩極施加一個半周脈寬為t的交流信號源，通過測量電導(dǎo)池的信號在任一半周0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和任一半周51-100％t范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電導(dǎo)率或電阻率值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液電導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，采用的交流信號源為方波交流源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液電導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，測量電導(dǎo)池的信號為電導(dǎo)池的電壓信號或電流信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液電導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，對電導(dǎo)池的兩極施加一個半周脈寬為t的交流信號源，通過測量電導(dǎo)池的信號在上半周的上升沿或下半周的下降沿開始0-49％t范圍內(nèi)某一Tx1時(shí)的值X1，和此上半周下降沿或此下半周的上升沿前0-49％t范圍內(nèi)某一Tx2時(shí)的值X2，計(jì)算出電導(dǎo)率或電阻率值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溶液電導(dǎo)率的測量方法，其特征在于，當(dāng)X1/X2的值大于某一預(yù)先設(shè)定的上限值或X2/X1的值小于某一預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，提出測量報(bào)警，要求更換更大的電導(dǎo)池常數(shù)的電導(dǎo)電極進(jìn)行可靠的測量，以避免進(jìn)行有較大測量誤差的測量操作。
全文摘要
一種溶液電導(dǎo)率的測量方法是，對電導(dǎo)池的兩極施加一個半周脈寬為t的交流信號源，通過測量電導(dǎo)池的信號在任一半周0－49％t范圍內(nèi)某一T
文檔編號G01R27/22GK1821763SQ20061002496
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者黃偉忠 申請人:黃偉忠