用于电导率测量的电压采集装置的制作方法

1.本技术涉及工业测量技术领域，具体涉及一种用于电导率测量的电压采集装置。


背景技术：

2.电导率是当对溶液施加电场时其所具有的传导电流的能力，是用于表明溶液导电容易程度的参数。电导率作为溶液的特性之一，在提供有关溶液的化学结构的相关信息方面非常重要。如其可在基于溶液中离子总浓度和传输特性，例如例子迁移率、扩散率和粘度等提供有关溶液的化学结构的相关信息。
3.目前，对于溶液电导率的测量，通常是通过施加直流电的方法来实现。如测量电路对沉浸到溶液的电导池施加直流电，以通过采集直流电压来测量溶液的电导率。该方法已普遍应用于测量具有高电导率的溶液。然而，在采用施加直流电的方法进行溶液的电导率测量时，会因离子扩散迟缓而导致电极表面附近的离子浓度跟溶液中的不同，或当施加直流电时,会由于电化学反应进行的迟缓造成电极带电程度跟可逆情况时不同,导致电极电势偏离可逆电极电势,引起电极极化，从而影响电压采集的精确度，导致产生电导率测量误差。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种用于电导率测量的电压采集装置，能够提高溶液的电导率测量的准确率。
5.根据本技术第一方面实施例的用于电导率测量的电压采集装置，包括：
6.电导池、激励信号输出电路、电导信号调理电路以及至少一个电压采集电路；
7.所述激励信号输出电路的输入端用于接入电源，所述激励信号输出电路的输出端与所述电导池连接；
8.所述电导信号调理电路包括至少一个对输入所述电导信号调理电路的交流电压信号进行整流的精密整流电路，所述电导信号调理电路的输入端与所述电导池连接，所述电导信号调理电路的输出端与至少一个所述电压采集电路的输入端连接。
9.通过激励信号输出电路向电导池提供方波激励信号，同时利用电导信号调理电路中的精密整流电路来对由电导池产生的交流电压信号进行精密整流，保证了交直流转换精度，并将整流后得到的直流电压信号通过电压采集电路进行采集，从而能够采集精密整流后得到的直流电压信号对电导池浸入的溶液的电导率进行准确测量，进而无需设计复杂的均方根检波电路，在简化电路设计的同时，提高溶液的电导率测量的准确率。
10.根据本技术的一个实施例，所述电导信号调理电路还包括交流电压放大电路和第一滤波放大电路；
11.所述交流电压放大电路的输入端与所述电导池连接，所述交流电压放大电路的输出端与各所述精密整流电路中的第一精密整流电路的输入端连接；
12.所述第一精密整流电路的输出端与所述第一滤波放大电路的输入端连接，所述第
一滤波放大电路的输出端与各所述电压采集电路中的第一电压采集电路的输入端连接。
13.根据本技术的一个实施例，所述电导信号调理电路还包括i
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电路和第二滤波放大电路；
14.所述i
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电路的输入端与所述电导池连接，所述i
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电路的输出端与各所述精密整流电路中的第二精密整流电路的输入端连接；
15.所述第二精密整流电路的输出端与所述第二滤波放大电路的输入端连接，所述第二滤波放大电路的输出端与各所述电压采集电路中的第二电压采集电路的输入端连接。
16.根据本技术的一个实施例，所述精密整流电路包括运算放大器、第一二极管和第二二极管；
17.所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接，所述第一二极管的负极连接所述运算放大器的反相输入端，所述第二二极管的正极通过电阻连接所述运算放大器的反相输入端；
18.所述运算放大器的反向输入端用于接收所述交流电压信号，所述运算放大器的正向输入端接地，所述运算放大器的输出端连接所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极。
19.根据本技术的一个实施例，所述激励信号输出电路包括dc-dc模块、稳压器和电子开关；
20.所述dc-dc模块的一端用于接入电源，所述dc-dc模块的另一端与所述稳压器的第一端连接；
21.所述稳压器的第二端与所述电子开关的第一端连接，所述电子开关的第二端与所述电导池连接。
22.根据本技术的一个实施例，所述电压采集装置还包括用于输出预设频率的控制信号的处理电路；
23.所述处理电路的输出端与所述电子开关的第三端连接。
24.根据本技术的一个实施例，所述处理电路的输出端与所述稳压器的第三端连接。
25.根据本技术的一个实施例，所述处理电路的输入端与各所述电压采集电路的输出端连接。
26.根据本技术的一个实施例，所述电压采集装置还包括用于进行温度测量的温度测量电路；
27.所述温度测量电路的输出端与所述处理电路的输入端连接。
28.根据本技术的一个实施例，所述电压采集装置还包括通讯电路；
29.所述通讯电路的输入端与所述处理电路的输出端连接。
30.本技术实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
31.通过激励信号输出电路向电导池提供方波激励信号，同时利用电导信号调理电路中的精密整流电路来对由电导池产生的交流电压信号进行精密整流，保证了交直流转换精度，并将整流后得到的直流电压信号通过电压采集电路进行采集，从而能够采集精密整流后得到的直流电压信号对电导池浸入的溶液的电导率进行准确测量，进而无需设计复杂的均方根检波电路，在简化电路设计的同时，提高溶液的电导率测量的准确率。
指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。
50.在本技术实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
51.电导率是当对材料施加电场时其所具有的传导电流的能力，用于表明材料导电容易程度的参数。电导率作为溶液的特性之一，其在基于溶液中离子总浓度和传输特性(例如例子迁移率、扩散率和粘度等)提供有关溶液的化学结构的有用信息方面非常重要。
52.目前，对于溶液电导率的测量，通常是利用测量电路对沉浸到溶液的电导池施加直流电，以通过采集直流电压来测量溶液的电导率。但是，在采用施加直流电的方法进行溶液的电导率测量时，会因离子扩散迟缓而导致电极表面附近的离子浓度跟溶液中的不同，或当施加直流电时,会由于电化学反应进行的迟缓造成电极带电程度跟可逆情况时不同,导致电极电势偏离可逆电极电势,引起电极极化，从而产生电导率测量误差。
53.针对上述技术问题，可采用施加交流电的方法来替代施加直流电的方法进行电导率测量。即通过用于电导率测量的电压采集装置对浸入溶液的电导池施加交流电压，并进行电导池的交流电压测量以及电导池的交流电流测量以确定电导率。而电导池的交流电压测量以及电导池的交流电流测量可通过用于电导率测量的电压采集装置中的二极管搭建均值检波电路、峰值检波电路等均方根检波电路来实现。而为提高电导率测量的准确率，可采用均方根检波电路来进行测量，但是这种均方根检波电路实现复杂度高。
54.为此，本技术实施例通过激励信号输出电路向电导池提供方波激励信号，同时利用电导信号调理电路中至少一个对输入电导信号调理电路的交流电压信号进行整流的精密整流电路，来对电导池产生的交流电压信号进行整流，保证了交直流转换精度，并将整流后的交流电压信号通过电压采集电路进行采集，从而能够采集整流后的交流电压信号对电导池浸入的溶液的电导率进行准确测量。
55.根据本技术的一些实施例提供的一种用于电导率测量的电压采集装置，如图1所示，包括：电导池100、激励信号输出电路1、电导信号调理电路2以及至少一个电压采集电路3；所述激励信号输出电路1的输入端用于接入电源200，所述激励信号输出电路1的输出端与所述电导池100连接；所述电导信号调理电路2包括至少一个对输入所述电导信号调理电路2的交流电压信号进行整流的精密整流电路11，所述电导信号调理电路2的输入端与所述电导池100连接，所述电导信号调理电路11的输出端与至少一个所述电压采集电路3的输入端连接。
56.其中，电导池100为浸入溶液的电导传感器，用于测定溶液的电导率。激励信号输出电路1是保障电导池100正常工作的电路，用于向电导池100提供方波电压或正弦波电压作为激励信号。
57.电导信号调理电路2中包括至少一个精密整流电路11，以输入电导信号调理电路2的交流电压信号进行整流。其中，精密整流电路11可以为任意一种精密全波整流电路，全波整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。具体的，精密整流电路11可以为v
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dc
电路，用于将电导信号调理电路2从电导池100采集到的交流电压信号进
行精密整流，并将整流后得到的直流电压信号通过电导信号调理电路2输出至电压采集电路3，由电压采集电路3同步采集电导信号调理电路2输出的直流电压信号，以使后续可通过电压采集电路3输出的直流电压信号确定电导池100浸入的溶液的电导率。
58.通过激励信号输出电路向电导池提供方波激励信号，同时利用电导信号调理电路中的精密整流电路来对由电导池产生的交流电压信号进行精密整流，保证了交直流转换精度，并将整流后得到的直流电压信号通过电压采集电路进行采集，从而能够采集精密整流后得到的直流电压信号对电导池浸入的溶液的电导率进行准确测量，进而无需设计复杂的均方根检波电路，在简化电路设计的同时，提高溶液的电导率测量的准确率。
59.为进一步提高电导率测量的准确率，在一些实施例中，如图2所示，所述电导信号调理电路2还包括交流电压放大电路12和第一滤波放大电路13；
60.所述交流电压放大电路12的输入端与所述电导池100连接，所述交流电压放大电路12的输出端与各所述精密整流电路11中的第一精密整流电路的输入端连接；
61.所述第一精密整流电路的输出端与所述第一滤波放大电路13的输入端连接，所述第一滤波放大电路的输出端与各所述电压采集电路3中的第一电压采集电路的输入端连接。
62.其中，第一精密整流电路可以为任一精密整流电路11。交流电压放大电路12用于采集电导池100输出的交流电压信号，并对采集到的交流电压信号进行放大，以提升信号噪声比，方便第一精密整流电路进行处理。交流电压放大电路12可采用常规的电压放大电路，如仪表放大电路等。
63.第一滤波放大电路13可以为巴特沃斯低通滤波电路和负反馈放大电路，用于对第一精密整流电路输出的直流电压信号中的高频噪声滤除后再进行当大，以滤除第一精密整流电路在整流过程中引入的高频噪声信号，从而提高第一电压采集电路采集到的直流电压信号的准确性，进而进一步提高了电导率的测量精度。示例性的，第一滤波放大电路13可如图3所示。第一电压采集电路为任一电压采集电路3。
64.在一些实施例中，如图4所示，所述电导信号调理电路2还包括i
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电路14和第二滤波放大电路15；
65.所述i
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电路14的输入端与所述电导池100连接，所述i
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电路14的输出端与各所述精密整流电路11中的第二精密整流电路的输入端连接；
66.所述第二精密整流电路的输出端与所述第二滤波放大电路15的输入端连接，所述第二滤波放大电路15的输出端与各所述电压采集电路3中的第二电压采集电路的输入端连接。
67.其中，第二精密整流电路可以为各精密整流电路11中除第一精密整流电路外的另一精密整流电路，其电路结构可与第一精密整流电路相同。
68.i
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电路14用于采集电导池100输出的交流电流信号，并对采集到的交流电流信号转变为交流电压信号，同时进行放大，以提升信号噪声比，方便第二精密整流电路进行处理。示例性的，i
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电路14可通过交流运放实现电流信号转化和放大，如图5所示。其中，r1、r2为电流转电压的电阻系数，可通过开关sw1进行选择。
69.第二滤波放大电路15与第一滤波放大电路13相同，可以为巴特沃斯低通滤波电路和负反馈放大电路，用于对第二精密整流电路输出的直流电压信号中的高频噪声滤除后再
进行当大，以滤除第二精密整流电路在整流过程中引入的高频噪声信号，从而提高第二电压采集电路采集到的直流电压信号的准确性，进而进一步提高了电导率的测量精度。同理，第二滤波放大电路13可如图3所示。第二电压采集电路为除第一电压采集电路外的任一电压采集电路3。
70.通过i
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电路将电导池输出的交流电流信号转换为交流电流信号，并通过第二精密整流电路对交流电流信号进行整流后，再通过第二滤波电路进行滤波处理后输出至第二电压采集电路，从而在进行电导率测量时考虑了交流电流产生的影响，同时提高第二电压采集电路采集到的直流电压信号的准确性，进而进一步提高了电导率的测量精度。
71.为进一步提高电导率的测量精度，在一些实施例中，如图6所示，所述精密整流电路包括运算放大器u3、第一二极管d1和第二二极管d2；
72.所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的负极连接，所述第一二极管d1的负极连接所述运算放大器u3的反相输入端，所述第二二极管d2的正极通过电阻r6连接所述运算放大器u3的反相输入端；
73.所述运算放大器u3的反向输入端用于接收所述交流电压信号，所述运算放大器u3的正向输入端接地，所述运算放大器u3的输出端连接所述第一二极管d1的正极和所述第二二极管d2的负极。
74.其中，第一二极管d1和第二二极管d2可以为稳压二极管。由于二极管接入了运算放大器u3的反向输入端，因此可有效消除由二极管正向压降产生的误差，即此时第一二极管d1、第二二极管d2与运算放大器u3构成了全波整流超级二极管，能够实现对交流输入信号的精密整流，从而提高输出的直流电压信号的精确度，进而提高电导率的测量精度。
75.考虑到输出至电导池的方波信号也会对电压的采集结果产生影响，从而影响电导池浸入的溶液的电导率测量。因此，为提高激励信号输出电路输出的方波精度，以提高电导率测量的精准度，如图7所示，在一些实施例中，所述激励信号输出电路包括dc-dc模块21、稳压器22和电子开关23；
76.所述dc-dc模块21的一端用于接入电源，所述dc-dc模块21的另一端与所述稳压器22的第一端连接；
77.所述稳压器22的第二端与所述电子开关23的第一端连接，所述电子开关23的第二端与所述电导池100连接。
78.其中，dc-dc模块21用于对电源进行隔离，以使外部供电通过dc-dc模块21进行隔离后，通过稳压器22提供稳定的电压。其中，稳压器22可以为线性稳压器，如ldo稳压器。由于电子开关23具有信号切换功能，因此将电子开关23接入稳压器22与电导池100之间，即可通过电子开关23来将稳压器22输出的两种电平交替输出，从而实现高精度方波的输出，进而提高电导率测量的精准度。
79.而为提高方波输出的安全性，电子开关23与电导池22之间可以进行接口保护，如在电子开关23与电导池22之间接入一个借口保护电路，以提高方波输出的安全性。
80.而为进一步提高方波的输出精度，在一实施例中，如图8所示，所述电压采集装置还包括用于输出预设频率的控制信号的处理电路4；
81.所述处理电路4的输出端与所述电子开关23的第三端连接。
82.其中，处理电路4可用于按一定预设频率pwm波控制电子开关23的通断，这样，便可
通过在处理电路4中设定某个预设频率的pwm波，使激励信号输出电路1输出该预设频率的方波电压，从而提高方波的输出精度。
83.在一些实施例中，如图8所示，处理电路4的输出端还可以与稳压器22的第三端连接，以提供对稳压器22进行调整的可能，从而能够使激励信号输出电路1具备输出特定大小的方波电压的可能性。
84.在一些实施例中，如图8所示，处理电路4的输入端还可以与各电压采集电路3的输出端连接，以方便后续通过处理电路4对各电压采集电路3采集到的电压进行电导率计算，来确定电导池浸入的溶液的电导率，以及根据各电压采集电路3采集到的电压对稳压器22和/或电子开关23进行控制。
85.考虑到电导率的测量受温度的影响很大，因此在一实施例中，如图9所示，所述电压采集装置还包括用于进行温度测量的温度测量电路5；
86.所述温度测量电路5的输出端与所述处理电路4的输入端连接。
87.其中，温度测量电路5用于接入外部用于测量电导池所处环境的温度的温度传感器300，以将通过温度传感器300测量到的温度信号传输至处理电路4，以使处理电路在进行电导率计算时，能够考虑温度的影响进行电导率温度补偿，从而提高后续测量到的电导率的准确度。
88.在一实施例中，如图9所示，该电压采集装置还可以包括通讯电路6；
89.所述通讯电路6的输入端与所述处理电路4的输出端连接，用于将电导计算结果向外输出，如输出至外部的上位机400。其中，上位机400可以是任意需要获取电导率计算结果的电子设备。
90.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，包括：电导池、激励信号输出电路、电导信号调理电路以及至少一个电压采集电路；所述激励信号输出电路的输入端用于接入电源，所述激励信号输出电路的输出端与所述电导池连接；所述电导信号调理电路包括至少一个对输入所述电导信号调理电路的交流电压信号进行整流的精密整流电路，所述电导信号调理电路的输入端与所述电导池连接，所述电导信号调理电路的输出端与至少一个所述电压采集电路的输入端连接。2.根据权利要求1所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述电导信号调理电路还包括交流电压放大电路和第一滤波放大电路；所述交流电压放大电路的输入端与所述电导池连接，所述交流电压放大电路的输出端与各所述精密整流电路中的第一精密整流电路的输入端连接；所述第一精密整流电路的输出端与所述第一滤波放大电路的输入端连接，所述第一滤波放大电路的输出端与各所述电压采集电路中的第一电压采集电路的输入端连接。3.根据权利要求1或2所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述电导信号调理电路还包括i
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电路和第二滤波放大电路；所述i
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电路的输入端与所述电导池连接，所述i
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电路的输出端与各所述精密整流电路中的第二精密整流电路的输入端连接；所述第二精密整流电路的输出端与所述第二滤波放大电路的输入端连接，所述第二滤波放大电路的输出端与各所述电压采集电路中的第二电压采集电路的输入端连接。4.根据权利要求1所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述精密整流电路包括运算放大器、第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接，所述第一二极管的负极连接所述运算放大器的反相输入端，所述第二二极管的正极通过电阻连接所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的反向输入端用于接收所述交流电压信号，所述运算放大器的正向输入端接地，所述运算放大器的输出端连接所述第一二极管的正极和所述第二二极管的负极。5.根据权利要求1所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述激励信号输出电路包括dc-dc模块、稳压器和电子开关；所述dc-dc模块的一端用于接入电源，所述dc-dc模块的另一端与所述稳压器的第一端连接；所述稳压器的第二端与所述电子开关的第一端连接，所述电子开关的第二端与所述电导池连接。6.根据权利要求5所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述电压采集装置还包括用于输出预设频率的控制信号的处理电路；所述处理电路的输出端与所述电子开关的第三端连接。7.根据权利要求6所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述处理电路的输出端与所述稳压器的第三端连接。8.根据权利要求6或7所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述处理
电路的输入端与各所述电压采集电路的输出端连接。9.根据权利要求6或7所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述电压采集装置还包括用于进行温度测量的温度测量电路；所述温度测量电路的输出端与所述处理电路的输入端连接。10.根据权利要求6或7所述的用于电导率测量的电压采集装置，其特征在于，所述电压采集装置还包括通讯电路；所述通讯电路的输入端与所述处理电路的输出端连接。

技术总结
本申请涉及工业测量技术领域，提供一种用于电导率测量的电压采集装置。所述电压采集装置包括：电导池、激励信号输出电路、电导信号调理电路以及至少一个电压采集电路；所述激励信号输出电路的输入端用于接入电源，所述激励信号输出电路的输出端与所述电导池连接；所述电导信号调理电路包括至少一个对输入所述电导信号调理电路的交流电压信号进行整流的精密整流电路，所述电导信号调理电路的输入端与所述电导池连接，所述电导信号调理电路的输出端与至少一个所述电压采集电路的输入端连接。本申请实施例能够提高溶液的电导率测量的准确率。率。率。


技术研发人员：青沛 杨彪 杨森
受保护的技术使用者：成都思鸿维科技有限责任公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/5