選頻電導率和TDS測量法的研究★

張云龍，任鵬宇，王藝楠，張超龍，李廣羽

（吉林農業科技學院，吉林 吉林 132101）

1 研究背景及意義

隨著經濟的發展，付出的是環境的代價。河水與蓄水池遭受著巨大的威脅，一項可以精確測量水質的技術研發愈發重要。

隨著科技的發展，水質監測技術在不斷的創新與完善目前水質檢測可大致分成化學法、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/酸度計、余氯總氯測定儀、非分散紅外測定儀、細菌、真菌檢測儀等。

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

離子測定法是根據溶液中游蕩的離子會與所用電極產生反應去實現對溶液的水質檢測。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，進而會改變了所測水質中電勢。當水質中含有的離子與電極發生反應過程中，離子所在的水溶液中發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量要求較高，所以電極的選擇有很大的要求，所花費的金額較大。不僅如此，電極在使用中要防濕防污染，在實驗過程中很容易形成誤差，穩定性較差[1]。

本課題利用選頻電導率測量法來測量溶液電導率，提出選頻電導率測量法時面對的誤差分析和誤差改良方法，根據溫度和電導率計算TDS和濁度，通過與傳統水質測量法相比較，對研究方法做出相應的分析和改進。

2 選頻電導率測量方法的原理

在使用選頻電導率測量法時，整個模型可稱為化學反應池[2]。反應池在測量過程中不停的進行化學反應。整個的電導電極可以等效為電阻與電容串、并聯所構成的電路網絡。反應池中可能出現的誤差如下頁圖1所示。

圖1 反應池中可能出現的誤差示意圖

目前在操作應用之中電導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。選頻電導率測量法中，將Rx與Cp并聯，為電極等效電路。R1通過與電極分壓后產生的信號波形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 電導池的等效電路

圖3 選頻電導率測量法原理框圖

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

3 選頻電導率測量法的實驗方案

選頻電導率測量電路如圖4所示。為了確保電路正常運行，可用示波器和萬能表對每部分電路波形分析和電壓監測。選擇合適的頻率，令激勵源幅值E=1 V，在電導池電容Cp取不同值的情況下，開關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D=δ（f=1/2δ）時，A=0.12；當D→∞（f→0）時，a=0.5，關于V的公式為：V=aERx/R1+RX。

圖4 選頻電導率測量電路

由運算可知由于所測溶液的電阻偏小時，時間常數會隨著變小，取較寬的脈寬以避免誤差。測得將開關指到3時的直流量I1，2倍的I1為溶液電阻時用到的激勵源幅值，測得將開指向A時的直流量I2，通過計算在不同頻率下的直流量的數值，進而由迭代法推算出所測水質中的電阻值[3]。

4 電導率的溫度補償

選擇選頻電導率測量法已經盡可能地減少了極化效應與電容效應的影響，但溫度產生的影響對電導率測量的影響較大。所以提出溫度補償概念，其意義是以公認的25℃為標準溫度，當溫度非標準溫度時，通常利用溫度補償公式將所測電導率值折換成標準溫度下的電導率。

電導率溫度補償公式：K實=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率值；K實為標準溫度下的電導率值；A為正常溶液狀態下系數，取0.02（酸類取0.016、鹽類取0.024、堿類取0.019）；B為溫度矯正系數不同電解質溶液的電導率溫度系數不同，又因為B（T-25）2的結果過于小而可以忽略不計。所以溫度補償公式可以寫為：K實=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物與無機物的總量。無機物可細分為可溶解或者電離成離子的鹽類物質和有能力以分子的狀態所存在物質[4]。在日常生活中測量液體的TDS，只計算的溶液中的可溶解或電離成離子的鹽類物質。而溶液中的可溶解或者電離成離子的鹽類物質是指Mg2+、K+、Ca2+、Na+、Cl-、CO32-、NO3-等化學離子，換句話說計算TDS的值就是計算的是指溶液中的各種礦物物質。顯然若溶液中各種溶解礦物質種類和數量愈多，其導電性就越強，所測得的電導率也就越高。所以可以推得TDS的值和所測電導率的值成正比。

下表是通過一系列實驗所測同等溶液下的TDS隨電導率變化的參照表，見表1。

表1 同等溶液下的TDS和電導率值的參照表

根據表1所示，可以得到TDS（y）和電導率（x）稱線性關系，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和電導率值的參照表

6 結論與展望

本文介紹了關于水質檢測的研究背景和意義，介紹選擇選頻電導率測量法優勢，闡述了選頻電導率測量法的原理與在實際應用中的試驗方案，數據分析做出對溫度補償法的探究。闡述了極化效應、電容效應和溫度時在進行電導率測量過程中可能會產生出誤差的原因，可以通過提高頻率抑制雙電層電容在電導池中產生的負面影響。用單片機實現溫度的補償方便且準確，能避免不同溫度給實驗帶來的誤差，所選用的電導率測量原理框圖，激勵源的頻率幅值連續時，在不同的幅值情況下產生的頻率之差求出溶液的電導率。根據推算的TDS和電導率的函數關系求出TDS的值。

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