選頻電導(dǎo)率和TDS測量法的研究★

張?jiān)讫垼矽i宇，王藝楠，張超龍，李廣羽

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林 132101）

1 研究背景及意義

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，付出的是環(huán)境的代價(jià)。河水與蓄水池遭受著巨大的威脅，一項(xiàng)可以精確測量水質(zhì)的技術(shù)研發(fā)愈發(fā)重要。

隨著科技的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)在不斷的創(chuàng)新與完善目前水質(zhì)檢測可大致分成化學(xué)法、物理法和生物傳感法。至今較為完善已適用于市場的儀器有COD快速測定儀、pH計(jì)/酸度計(jì)、余氯總氯測定儀、非分散紅外測定儀、細(xì)菌、真菌檢測儀等。

目前市面上常見的水質(zhì)檢測法中物理檢測方法和化學(xué)檢測方法占據(jù)市場的主導(dǎo)地位，極少有使用生物檢測方法。主要是因?yàn)樯餀z測法要求較為苛刻，例如細(xì)菌、真菌檢測法，不僅在環(huán)境方面要求較高，例如溫度、濕度和酸堿度等，同時(shí)在儀器的選擇方面也有較高的要求，在具體實(shí)驗(yàn)過程中花費(fèi)較高。相比之下，目前COD快速測定法占據(jù)較大市場，其方法是利用強(qiáng)酸和催化劑與所測溶液反應(yīng)，再使用光度法檢測出COD的值，可以看出COD快速測定法同時(shí)用到了化學(xué)和物理方法。但其缺點(diǎn)也很明顯：COD國標(biāo)法測定使用試劑量較大，會對環(huán)境造成較大的二次污染。在實(shí)際操作中所使用的強(qiáng)酸和催化劑很容易對人體造成傷害，對操作者的要求較高。

離子測定法是根據(jù)溶液中游蕩的離子會與所用電極產(chǎn)生反應(yīng)去實(shí)現(xiàn)對溶液的水質(zhì)檢測。例如所用的電極中含有的F-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等會與被測樣本中的離子反應(yīng)，進(jìn)而會改變了所測水質(zhì)中電勢。當(dāng)水質(zhì)中含有的離子與電極發(fā)生反應(yīng)過程中，離子所在的水溶液中發(fā)生位置的改變和濃度的變化，使水溶液中固有的電勢差改變，故令所測水溶液中的電位電勢發(fā)生了變化，使所測水溶液與所用的電極生成不同的電勢。這種方法對所用電極的質(zhì)量要求較高，所以電極的選擇有很大的要求，所花費(fèi)的金額較大。不僅如此，電極在使用中要防濕防污染，在實(shí)驗(yàn)過程中很容易形成誤差，穩(wěn)定性較差[1]。

本課題利用選頻電導(dǎo)率測量法來測量溶液電導(dǎo)率，提出選頻電導(dǎo)率測量法時(shí)面對的誤差分析和誤差改良方法，根據(jù)溫度和電導(dǎo)率計(jì)算TDS和濁度，通過與傳統(tǒng)水質(zhì)測量法相比較，對研究方法做出相應(yīng)的分析和改進(jìn)。

2 選頻電導(dǎo)率測量方法的原理

在使用選頻電導(dǎo)率測量法時(shí)，整個(gè)模型可稱為化學(xué)反應(yīng)池[2]。反應(yīng)池在測量過程中不停的進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。整個(gè)的電導(dǎo)電極可以等效為電阻與電容串、并聯(lián)所構(gòu)成的電路網(wǎng)絡(luò)。反應(yīng)池中可能出現(xiàn)的誤差如下頁圖1所示。

圖1 反應(yīng)池中可能出現(xiàn)的誤差示意圖

目前在操作應(yīng)用之中電導(dǎo)池等效電路如下頁圖2所示，可以通過提高頻率抑制雙電層電容Cp的影響。選頻電導(dǎo)率測量法中，將Rx與Cp并聯(lián)，為電極等效電路。R1通過與電極分壓后產(chǎn)生的信號波形V0通過一系列變化濾波輸出V。本章所用的測量法的原理圖為如下頁圖3所示。

圖2 電導(dǎo)池的等效電路

圖3 選頻電導(dǎo)率測量法原理框圖

事實(shí)上在實(shí)驗(yàn)過程中為了使得到的濾波輸出V的幅值連續(xù)，可以在實(shí)驗(yàn)過程中令輸入波形的幅值降低再增強(qiáng)波形的頻率的方法，可以降低極化效應(yīng)所帶來的影響與雙電層電容的作用產(chǎn)生的誤差。然后使這兩個(gè)頻率之差所對應(yīng)的直流量有著明顯的可區(qū)分能力，如此才能順利消除分布電容的作用影響，得到所求的電導(dǎo)率。

3 選頻電導(dǎo)率測量法的實(shí)驗(yàn)方案

選頻電導(dǎo)率測量電路如圖4所示。為了確保電路正常運(yùn)行，可用示波器和萬能表對每部分電路波形分析和電壓監(jiān)測。選擇合適的頻率，令激勵(lì)源幅值E=1 V，在電導(dǎo)池電容Cp取不同值的情況下，開關(guān)S的2分別置于1和3，分別測量出溶液的電阻值。脈沖寬度D和頻率f滿足：令f=1/2D，當(dāng)D=δ（f=1/2δ）時(shí)，A=0.12；當(dāng)D→∞（f→0）時(shí)，a=0.5，關(guān)于V的公式為：V=aERx/R1+RX。

圖4 選頻電導(dǎo)率測量電路

由運(yùn)算可知由于所測溶液的電阻偏小時(shí)，時(shí)間常數(shù)會隨著變小，取較寬的脈寬以避免誤差。測得將開關(guān)指到3時(shí)的直流量I1，2倍的I1為溶液電阻時(shí)用到的激勵(lì)源幅值，測得將開指向A時(shí)的直流量I2，通過計(jì)算在不同頻率下的直流量的數(shù)值，進(jìn)而由迭代法推算出所測水質(zhì)中的電阻值[3]。

4 電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償

選擇選頻電導(dǎo)率測量法已經(jīng)盡可能地減少了極化效應(yīng)與電容效應(yīng)的影響，但溫度產(chǎn)生的影響對電導(dǎo)率測量的影響較大。所以提出溫度補(bǔ)償概念，其意義是以公認(rèn)的25℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，當(dāng)溫度非標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，通常利用溫度補(bǔ)償公式將所測電導(dǎo)率值折換成標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率。

電導(dǎo)率溫度補(bǔ)償公式：K實(shí)=K測/[1+A（T-25）+B（T-25）2]。其中：K測表示在T溫度下所測得的電導(dǎo)率值；K實(shí)為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的電導(dǎo)率值；A為正常溶液狀態(tài)下系數(shù)，取0.02（酸類取0.016、鹽類取0.024、堿類取0.019）；B為溫度矯正系數(shù)不同電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率溫度系數(shù)不同，又因?yàn)锽（T-25）2的結(jié)果過于小而可以忽略不計(jì)。所以溫度補(bǔ)償公式可以寫為：K實(shí)=K測/[1+A（T-25）]。

5 TDS基本概念

溶解性固體總量TDS（Total Dissolved Solids），表示溶液中所有有機(jī)物與無機(jī)物的總量。無機(jī)物可細(xì)分為可溶解或者電離成離子的鹽類物質(zhì)和有能力以分子的狀態(tài)所存在物質(zhì)[4]。在日常生活中測量液體的TDS，只計(jì)算的溶液中的可溶解或電離成離子的鹽類物質(zhì)。而溶液中的可溶解或者電離成離子的鹽類物質(zhì)是指Mg2+、K+、Ca2+、Na+、Cl-、CO32-、NO3-等化學(xué)離子，換句話說計(jì)算TDS的值就是計(jì)算的是指溶液中的各種礦物物質(zhì)。顯然若溶液中各種溶解礦物質(zhì)種類和數(shù)量愈多，其導(dǎo)電性就越強(qiáng)，所測得的電導(dǎo)率也就越高。所以可以推得TDS的值和所測電導(dǎo)率的值成正比。

下表是通過一系列實(shí)驗(yàn)所測同等溶液下的TDS隨電導(dǎo)率變化的參照表，見表1。

表1 同等溶液下的TDS和電導(dǎo)率值的參照表

根據(jù)表1所示，可以得到TDS（y）和電導(dǎo)率（x）稱線性關(guān)系，由下頁圖5所示，從而得出其線性回歸方程為：

圖5 同等溶液下的TDS和電導(dǎo)率值的參照表

6 結(jié)論與展望

本文介紹了關(guān)于水質(zhì)檢測的研究背景和意義，介紹選擇選頻電導(dǎo)率測量法優(yōu)勢，闡述了選頻電導(dǎo)率測量法的原理與在實(shí)際應(yīng)用中的試驗(yàn)方案，數(shù)據(jù)分析做出對溫度補(bǔ)償法的探究。闡述了極化效應(yīng)、電容效應(yīng)和溫度時(shí)在進(jìn)行電導(dǎo)率測量過程中可能會產(chǎn)生出誤差的原因，可以通過提高頻率抑制雙電層電容在電導(dǎo)池中產(chǎn)生的負(fù)面影響。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償方便且準(zhǔn)確，能避免不同溫度給實(shí)驗(yàn)帶來的誤差，所選用的電導(dǎo)率測量原理框圖，激勵(lì)源的頻率幅值連續(xù)時(shí)，在不同的幅值情況下產(chǎn)生的頻率之差求出溶液的電導(dǎo)率。根據(jù)推算的TDS和電導(dǎo)率的函數(shù)關(guān)系求出TDS的值。

目前對溶液的監(jiān)測主要在電導(dǎo)率方面的測量，而僅僅是溶液電導(dǎo)率的測量難免在實(shí)際操作中存在誤差，在今后的工作中可以增加對溶液的酸堿度、顏色等性質(zhì)的檢測手段，使之使用范圍更加廣闊，進(jìn)而滿足日后市場產(chǎn)業(yè)的需求[5]。