校准系数的获取方法、TDS检测方法和装置与流程

校准系数的获取方法、tds检测方法和装置
技术领域
1.本发明涉及tds检测技术领域，尤其涉及一种校准系数的获取方法、tds检测方法和装置。


背景技术：

2.随着人民生活水平提高，人类对于健康用水的要求日益提高，在地质环境受工作发展越来越恶劣的当下，民众对于水资源的鉴别认知意愿也日趋增长。如何了解当前用水的健康度成为一个社会性的普遍要求。我国《生活饮用水卫生标准(gb5749-85)》明确规格了35项水质标准，其中溶解性固体总含量(tds，total dissolved solids)就是其中一个重点指标。tds反映的是溶于在水中的所有固体物质的总量，其标准单位是毫克/升(mg/l)，俗称ppm。主要是指的是水中镁离子、钾离子、钠离子、钙离子等矿物质离子和有机物等)即可体现水的纯净度，是目前比较直接衡量水质的一个标准：tds值越小，表示水中杂质含量越小水质也越好，反之含量大表示水质差。目前生活饮用水的tds值≤1000mg/l才是正常，国家直饮水标准tds值是0-50ppm以内。
3.鉴于监测机构tds检测成本居高不下，无法普及到市场端净水产品。目前市场多数净水类产品中自带的tds检测会在高精度与低成本中两难，这主要体现在tds检测方案采用的器件对精度和成本的影响。以tds水质检测方案的核心器件采用探针为例，在应用中探针的结构，截面积、长度尺寸及表面光滑程度都会影响其检测结果。好的探针材料多数为石墨或钛合金，但生产加工困难，工艺要求高，成本一直居高不下。所以常见的探针基本都是以钛合金或不锈钢针为主。上述诸多要素对探测精度都有影响，在量产时中低端探针批量的检测精度一致性一直为业内所诟病，这也是目前技术中成型的方案都需要匹配指定探针，不能随意更换的重要原因。而在量化期间，对于一致性要求高的产品也需要花费大量人力来做探针的挑选，从而极大的约束了产品的成本管控。


技术实现要素：

4.本发明技术方案要解决的技术问题是现有的tds检测方案采用的器件如低成本探针的检测精度和一致性不高，从而约束产品的成本管控。
5.为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种校准系数的获取方法，使用n种不同的tds标准溶液，其中，n种tds标准溶液的tds标准值排序为tds1、tds2、
……
、tds
n-1
、tdsn，n≥3；
6.所述校准系数的获取方法包括如下步骤：
7.获取至少两组tds测量值，每组tds测量值包括一种tds标准溶液在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值，m≥3，获取tds标准溶液在采样时间的tds测量值采用电极电导率检测法；
8.综合比较所述至少两组tds测量值和对应的tds标准值，设定相对tds标准值偏差最小的tds测量值对应的采样时间tc为实际采样时间，1≤c≤m；
9.获取各tds标准溶液分别在实际采样时间tc的tds测量值tds
1c
、tds
2c
、
……
、tds
(n-1)c
、tds
nc
；
10.根据各tds标准值与对应的实际采样时间tc的tds测量值的比值确定tds校准系数f1、f2、
……
、f
n-1
、fn。
11.可选的，n＝4，m＝8，tds1＝(60
±
2％)ppm、tds2＝(250
±
2％)ppm、tds3＝(707
±
1％)ppm、tds4＝(1500
±
1％)ppm；分别获取tds2标准溶液和tds3标准溶液在8个采样时间t1、t2、
……
、t8的tds测量值。
12.可选的，所述电极电导率检测法包括：向探针的第一端施加第一脉冲，第一脉冲的高电平持续时间根据采样时间确定；在第一脉冲的高电平持续时间内，读取探针的第二端的电压测量值，以获得对应的电导率和tds测量值；在第一脉冲的低电平持续时间内，向探针的第二端施加第二脉冲。
13.可选的，获取两组tds测量值，一组tds测量值包括tds
x
标准溶液在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值tds
x1
、tds
x2
、
……
、tds
xm
，另一组tds测量值包括tds
x 1
标准溶液在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值tds
(x 1)1
、tds
(x 1)2
、
……
、tds
(x 1)m
，1≤x≤n-1；
14.所述实际采样时间tc设定如下：
15.计算|tds
x
/tds
xa-tds
x 1
/tds
(x 1)a
|，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；或者，
16.计算(tds
x
/tds
xa
tds
x 1
/tds
(x 1)a
)/2，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；或者，
17.计算||tds
xa-tds
x
|/tds
x-|tds
(x 1)a-tds
x 1
|/tds
x 1
|，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；或者，
18.计算(|tds
xa-tds
x
|/tds
x
|tds
(x 1)a-tds
x 1
|/tds
x 1
|)/2，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；
19.所述根据各tds标准值与对应的实际采样时间tc的tds测量值的比值确定tds校准系数f1、f2、
……
、f
n-1
、fn包括：根据tdsi与tds
ic
的比值确定tdsi对应的fi，i从1～n取值；
20.或者，包括：根据tdsi与tds
ic
的比值确定tdsi对应的fi，i从1～(x-1)、(x 2)～n取值；根据tds
x
与tds
xc
的比值确定f
x’，根据tds
x 1
与tds
(x 1)c
的比值确定f
x 1’，确定tds
x 1
对应的f
x 1
＝(f
x’ f
x 1’)/2。
21.可选的，所述校准系数的获取方法还包括：采用温度传感器检测温度标准溶液的温度测量值tc，所述温度标准溶液的温度标准值为tb；计算温度校准系数f
t
，所述温度校准系数f
t
为所述温度标准溶液的温度标准值tb与温度测量值tc的比值。
22.为解决上述技术问题，本发明技术方案还提供一种tds检测方法，包括如下步骤：
23.获取待测溶液在实际采样时间tc的电导率k
dc
；
24.基于待测溶液的电导率k
dc
获取待测溶液的tds测量值tds
dc
；
25.以相邻tds标准值对应的tds校准系数校准所述tds测量值tds
dc
，获得待测溶液的tds校准值tds
dcj
；
26.其中，所述相邻tds标准值包括小于tds
dc
的tds标准值中的最大值和/或大于tds
dc
的tds标准值中的最小值；所述实际采样时间tc和tds校准系数根据所述校准系数的获取方法获取。
27.可选的，所述基于待测溶液的电导率k
dc
获取tds测量值tds
dc
包括：采用温度传感器检测所述待测溶液的温度测量值t
dc
；根据所述温度测量值t
dc
补偿所述待测溶液的电导率k
dc
；根据补偿后待测溶液的电导率k
dc’确定tds测量值tds
dc
；
28.或者，包括：采用温度传感器检测所述待测溶液的温度测量值t
dc
；以温度校准系数f
t
校准所述待测溶液的温度测量值t
dc
，获得温度校准值t
dc’；根据所述温度校准值t
dc’补偿所述待测溶液的电导率k
dc
；根据补偿后待测溶液的电导率k
dc’确定tds测量值tds
dc
；其中，所述温度校准系数f
t
为温度标准溶液的温度标准值tb与温度测量值tc的比值，采用温度传感器检测所述温度标准溶液获得温度标准溶液的温度测量值tc。
29.可选的，所述以相邻tds标准值对应的tds校准系数校准所述tds测量值tds
dc
，获得tds校准值tds
dcj
包括：
30.以一个相邻tds标准值对应的tds校准系数fy校准所述tds测量值tds
dc
，fy＝tdsy/tds
yc
，tds
dcj
＝tds
dc
*fy；或者，
31.以两个相邻tds标准值对应的tds校准系数fe、f
e 1
校准所述待测溶液的tds测量值tds
dc
，fe＝tdse/tds
ec
，f
e 1
＝tds
e 1
/tds
(e 1)c
，f
y’＝f(fe,f
e 1
)，tds
dcj
＝tds
dc
*f
y’，f(fe,f
e 1
)为包含参数fe、f
e 1
的表达式。
32.为解决上述技术问题，本发明技术方案还提供一种tds检测装置，包括：处理器和用于储存一个或多个程序的存储器；所述一个或多个程序被所述处理器执行，使得所述处理器实现所述tds检测方法。
33.可选的，所述tds检测装置还包括：tds检测电路和温度检测电路，
34.所述tds检测电路包括mos开关管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述处理器配置第一io端，第二io端和第一ad采样端；其中，所述第一电阻接在所述第一io端和mos开关管的栅极之间，所述第二电阻接在探针的第一端和低电平电压端之间，所述mos开关管的源极和漏极分别接高电平电压端和探针的第一端；所述第三电阻接在探针的第二端和所述第二io端之间，所述第一ad采样端用于读取所述探针的第二端的电压值；
35.所述温度检测电路包括温度传感器、第四电阻和旁路电容，所述处理器还配置第三io端和第二ad采样端；其中，温度传感器的第一端接所述高电平电压端，所述第四电阻和旁路电容并联在温度传感器的第二端和所述第三io端之间，所述第二ad采样端用于读取所述温度传感器的第二端的电压值；所述第三io端在测温时输出低电平电压，在其它时间悬空。
36.与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：
37.检测若干tds标准溶液的tds测量值并与tds标准值进行比较，确定tds检测的实际采样时间，以tds标准值和在所述实际采样时间检测到的tds测量值计算tds校准系数。在所述实际采样时间，探针检测电路的稳定性和准确度高，再利用所述校准系数校准待测溶液的tds测量值可以获得不受探针材质、结构等因素影响的高精度tds值，因此tds检测采用的探针选择范围更广，尤其可以选择低成本探针，从而在tds检测产品设计上可以做到兼顾低成本和高精度。
38.采用动态采点(不同探针，确定的实际采用时间不同)、分档校准(不同tds范围，不同的校准系数)探针差异的影响，有效地解决了以往同一方案不能更换探针的缺陷。另外，不同电路因生产加工的工艺不同，pcba(printed circuit board assembly)上寄生的等效
电容都会有些许差异，这点对于本身就敏感度高且追求高精度的产品而言一直是一个不可忽视的问题，本发明技术方案同时解决了不同pcba中寄生电容的影响。
39.温度采集部分提供温度校准系数进行温度校准，再利用校准温度补偿tds测量值，由此可以进一步提高溶液检测的精度，有效解决器件个体差异影响，确保量产时的器件批次差异带来的精度偏差。
40.第一io端控制tds检测电路的工作电压，通过控制端口电平转换来切换tds检测电路的电源开关为其提供能量足够的脉冲信号。也就是说，tds检测电路的驱动直接来自供电单元而不是io端，确保了足够的驱动能力，不会因不同负载电流影响ad模块采样的精准，从而提升溶液不同区间浓度采样精度的可控制能力。在不同溶液浓度的情况下，采样电路的电压稳定，从而提高了检测精度。
41.采用双向动态脉冲方式，即在tds采样时，第二io端输出低电平电压，配合第一ad采样端采样瞬时电压信号，在采样结束后，第二io端切换输出高电平电压，利用双向电流流过探针电极，有效平衡了探针极化问题，延长其使用寿命。
42.采用第三io端作为温度检测电路中的虚拟地端，控制温度采样工作时间，有效降低了产品静态功耗，解决在手持类产品中的待机时间问题，优势非常明显。
附图说明
43.图1为本发明实施例1的校准系数的获取方法的流程示意图；
44.图2为本发明实施例2的校准系数的获取方法的流程示意图；
45.图3为本发明实施例3的tds检测方法的流程示意图；
46.图4为本发明实施例4的tds检测方法的流程示意图；
47.图5为本发明实施例5的tds检测装置的结构示意图；
48.图6为本发明实施例5的tds检测电路的信号端的波形示意图。
具体实施方式
49.本发明提供一种无需挑捡探针，可适应各类不同探针类型的高精度的tds检测方案，以解决现有采用不同探针对于tds检测精度所带来的局限。以下结合附图和实施例进行详细说明。
50.实施例1
51.本实施例提供一种校准系数的获取方法，采用探针检测若干tds标准溶液获得tds测量值并与tds标准值进行比较，确定tds检测的实际采样时间，以tds标准值和在所述实际采样时间检测到的tds测量值计算校准系数。所述校准系数可用于对在实际采样时间检测到的待测溶液的tds测量值进行校准，由此输出高精度的待测溶液的tds值。
52.本实施例的校准系数的获取方法需要使用n种不同的tds标准溶液，其中，n种tds标准溶液的tds标准值排序为tds1、tds2、
……
、tds
n-1
、tdsn，n≥3。所述排序是指按数值大小排序，本实施例为从小到大排序。
53.tds标准值也称为tds标称值，标准溶液是用于实验或检测分析工作的标准试剂的总称，tds标准溶液是确定了准确tds值(即tds标准值)用于tds检测分析的一种溶液，可以从市面上购买，也可以利用高精度tds检测仪配置。虽然tds标准溶液的tds值已知，但是由
于检测电路的器件如探针的材质、结构等因素影响，实际检测到的tds值(即tds测量值)就会不同程度地偏离tds标准值，利用tds测量值和tds标准值确定的实际采样时间和校准系数可用于校准待测溶液的tds测量值，以获得不受探针材质、结构等因素影响的高精度tds值。因此tds检测采用的探针选择范围更广，可以自适应各类探针，尤其低成本探针应用可行，从而在tds检测类产品设计上可以做到兼顾高精度和低成本。
54.请参考图1，本实施例的校准系数的获取方法包括如下步骤：步骤s11，获取至少两组tds测量值，每组tds测量值包括一种tds标准溶液在若干采样时间的tds测量值；步骤s12，综合比较所述至少两组tds测量值和对应的tds标准值，设定相对tds标准值偏差最小的tds测量值对应的采样时间为实际采样时间；步骤s13，获取各tds标准溶液分别在实际采样时间的tds测量值；步骤s14，根据各tds标准值与对应的tds测量值的比值确定tds校准系数。其中，获取tds标准溶液在采样时间的tds测量值采用电极电导率检测法。
55.具体实施时，以获取两组tds测量值为例，执行步骤s11，采用电极电导率检测法获取两组tds测量值，一组tds测量值包括tds
x
标准溶液(即tds标准值为tds
x
的tds标准溶液)在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值tds
x1
、tds
x2
、
……
、tds
xm
，另一组tds测量值为tds
x 1
标准溶液(即tds标准值为tds
x 1
的tds标准溶液)在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值tds
(x 1)1
、tds
(x 1)2
、
……
、tds
(x 1)m
，m≥3，1≤x≤n-1。采样时间点的数量m和各采样时间点之间的间隔可以根据实际情况设定，m越大，采样总时间越长。在tds标准值序列tds1、tds2、
……
、tds
x
、tds
x 1
、
……
、tds
n-1
、tdsn中，各tds标准值、相邻tds标准值之间的差值可以根据实际应用中tds测量范围设定，tds
x
和tds
x 1
可以是从tds标准值序列中选取的两个相邻值，实际应用中待测溶液(被检测的液体对象)的tds值大多数都在这两个相邻tds标准值范围内。tds
x
和tds
x 1
也可以选取序列的中间两个值，例如，n为偶数，x＝n/2；n为奇数，x＝(n-1)/2或(n 1)/2。本实施例的标准溶液为水，水温为常温，即25℃。
56.继续执行步骤s12，综合比较所述两组tds测量值和对应的tds标准值，设定相对tds
x
、tds
x 1
偏差最小的tds测量值对应的采样时间tc为实际采样时间，1≤c≤m。tds
x
标准溶液在采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值依次对应为tds
x1
、tds
x2
、
……
、tds
xm
，tds
x 1
标准溶液在采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值依次对应为tds
(x 1)1
、tds
(x 1)2
、
……
、tds
(x 1)m
。综合比较实际上是兼顾考虑了两种溶液的测量偏差。
57.实际采样时间tc的设定可以从以下方式择一，但并不限于以下方式：
58.1)计算|tds
x
/tds
xa-tds
x 1
/tds
(x 1)a
|，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；
59.2)计算(tds
x
/tds
xa
tds
x 1
/tds
(x 1)a
)/2，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；
60.3)计算||tds
xa-tds
x
|/tds
x-|tds
(x 1)a-tds
x 1
|/tds
x 1
|，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta；
61.4)计算(|tds
xa-tds
x
|/tds
x
|tds
(x 1)a-tds
x 1
|/tds
x 1
|)/2，a从1～m取值，取最小计算值时a取值对应的采样时间ta，则tc＝ta。
62.本实施例采用1)确定实际采样时间，举例来说，设m＝8，取a＝1～8，计算|tds
x
/tds
x1-tds
x 1
/tds
(x 1)1
|、|tds
x
/tds
x2-tds
x 1
/tds
(x 1)2
|、
……
、|tds
x
/tds
x8-tds
x 1
/tds
(x 1)8
|，共8个比值的差量绝对值，经计算得到其中的最小计算值为|tds
x
/tds
x4-tds
x 1
/tds
(x 1)4
|，
那么a＝4或者说tds
x4
、tds
(x 1)4
对应的采样时间t4就是实际采样时间。
63.需要说明的是，本实施例是以两组tds测量值与tds标准值综合比较分析并设定实际采样时间，当实际应用中n值较大，也可以根据实际应用需求采用更多组(例如，三组、四组等)tds测量值进行比较并设定实际采样时间，设定方式可以依据上述方式类推或变换。
64.使用探针插入溶液测量tds值，兼顾考虑多种标准溶液的tds测量值偏差，tds测量值越接近tds标准值，说明探针检测电路的精度越高，以此设定针对待测溶液的采样时间可以测量得到的tds值偏差越小即测量越准确。实际上，步骤s12就是为tds检测确定一个较佳采样时间，自适应tds检测方案中不同探针的应用。
65.继续执行步骤s13，采用电极电导率检测法获取各tds标准溶液分别在实际采样时间tc的tds测量值tds
1c
、tds
2c
、
……
、tds
(n-1)c
、tds
nc
。由于确定了探针稳定和能够较准确检测的采样时间点，其它tds标准溶液不需要在所有的采样时间进行检测，只需在实际采样时间tc进行检测，获取tds1标准溶液在实际采样时间tc的tds测量值tds
1c
、tds2标准溶液在实际采样时间tc的tds测量值tds
2c
、
……
、tds
n-1
标准溶液在实际采样时间tc的tds测量值tds
(n-1)c
、tds
n-1
标准溶液在实际采样时间tc的tds测量值tds
nc
。
66.继续执行步骤s14，根据各tds标准值与对应的实际采样时间tc的tds测量值的比值确定tds校准系数f1、f2、
……
、f
n-1
、fn。
67.步骤s14可以是确定n个tds校准系数，即根据tdsi与tds
ic
的比值确定tdsi对应的fi，i从1～n取值。具体地，步骤s14可以包括：根据tds1与tds
1c
的比值确定tds1对应的f1，根据tds2与tds
2c
的比值确定tds2对应的f2，
……
，根据tds
x-1
与tds
(x-1)c
的比值确定tds
x-1
对应的f
x-1
，根据tds
x
与tds
xc
的比值确定tds
x
对应的f
x
，根据tds
x 1
与tds
(x 1)c
的比值确定tds
x 1
对应的f
x 1
，
……
，根据tds
n-1
与tds
(n-1)c
的比值确定tds
n-1
对应的f
n-1
，根据tdsn与tds
nc
的比值确定tdsn对应的fn。
68.本实施例中，tds校准系数＝tds标准值/tds测量值，n个tds校准系数为：f1＝tds1/tds
1c
、f2＝tds2/tds
2c
、
……
、f
x
＝tds
x
/tds
xc
、f
x 1
＝tds
x 1
/tds
(x 1)c
、
……
、f
n-1
＝tds
n-1
/tds
(n-1)c
、fn＝tdsn/tds
nc
。在其它实施例，也可以是，tds校准系数＝tds测量值/tds标准值，n个tds校准系数为：f1＝tds
1c
/tds1、f2＝tds
2c
/tds2、
……
、f
x
＝tds
xc
/tds
x
、f
x 1
＝tds
(x 1)c
/tds
x 1
、
……
、f
n-1
＝tds
(n-1)c
/tds
n-1
、fn＝tds
nc
/tdsn。
69.或者，步骤s14也可以是确定n-1个tds校准系数，即：根据tdsi与tds
ic
的比值确定tdsi对应的fi，i从1～(x-1)、(x 2)～n取值；根据tds
x
与tds
xc
的比值确定f
x’，根据tds
x 1
与tds
(x 1)c
的比值确定f
x 1’，确定tds
x 1
对应的f
x 1
＝(f
x’ f
x 1’)/2。具体地，步骤s14可以包括：根据tds1与tds
1c
的比值确定tds1对应的f1，根据tds2与tds
2c
的比值确定tds2对应的f2，
……
，根据tds
x-1
与tds
(x-1)c
的比值确定tds
x-1
对应的f
x-1
，根据tds
x
与tds
xc
的比值确定f
x’，根据tds
x 1
与tds
(x 1)c
的比值确定f
x 1’，
……
，根据tds
n-1
与tds
(n-1)c
的比值确定tds
n-1
对应的f
n-1
，根据tdsn与tds
nc
的比值确定tdsn对应的fn；确定tds
x 1
对应的f
x 1
＝(f
x’ f
x 1’)/2。不需要tds
x
对应的f
x
。
70.本实施例中，tds校准系数＝tds标准值/tds测量值，n-1个tds校准系数为：f1＝tds1/tds
1c
、f2＝tds2/tds
2c
、
……
、f
x-1
＝tds
x-1
/tds
(x-1)c、f
x 1
＝(tds
x
/tds
xc
tds
x 1
/tds
(x 1)c
)/2、f
x 2
＝tds
x 2
/tds
(x 2)c
、
……
、f
n-1
＝tds
n-1
/tds
(n-1)c
、fn＝tdsn/tds
nc
。在其它实施例，也可以是，tds校准系数＝tds测量值/tds标准值，n-1个tds校准系数为：f1＝tds
1c
/
tds1、f2＝tds
2c
/tds2、
……
、f
x-1
＝tds
(x-1)c
/tds
x-1
、f
x 1
＝(tds
xc
/tds
x
tds
(x 1)c
/tds
x 1
)/2、f
x 2
＝tds
(x 2)c
/tds
x 2
、
……
、f
n-1
＝tds
(n-1)c
/tds
n-1
、fn＝tds
nc
/tdsn。
71.理论上，n值越大，校准系数越多，对tds测量值的校准越准确；但n值越大，校准系数获取的时间越长，实现复杂度也可能越高，因此，n的数值和tds标准值可以根据tds的测量范围兼考虑时间和实现复杂度而合理设定。在实际应用中合理地设定n、m、t1、t2、
……
、tm并选择合适的tds标准值，可以在确保检测精度的前提下扩大测量范围，并且检测精度和测量范围不受探针类型和批次的影响，或者说检测精度和测量范围对探针一致性的依赖较小。通常可以是3≤n≤8，3≤m≤10。
72.举例来说，n＝4，m＝8，x＝2，tds1＝(60
±
2％)ppm、tds2＝(250
±
2％)ppm、tds3＝(707
±
1％)ppm、tds4＝(1500
±
1％)ppm，tds
x
＝tds2、tds
x 1
＝tds3；以tds1＝60ppm、tds2＝250ppm、tds3＝707ppm、tds4＝1500ppm为例，步骤s12确定的实际采样时间tc＝t4，那么tds校准系数f1＝60/tds
14
、tds f2＝250/tds
24
、f3＝707/tds
34
、f4＝1500/tds
44
。当需要对待测溶液的tds测量值进行校准时，可以根据tds测量值邻近的tds校准值选择对应的tds校准系数进行测量值校准，例如，待测溶液的tds测量值为180ppm，则可以用tds校准系数f2对180ppm进行校准；待测溶液的tds测量值为1350ppm，则可以用tds校准系数f4对1350ppm进行校准。实际应用时，在tds测量值超过1500ppm的一定范围内，如tds测量值在[1500ppm、3000ppm]区间，也可以用校准系数f4进行校准。
[0073]
所述电极电导率检测法是利用探针电极检测溶液的电导率，其可以采用现有的探针检测溶液tds的电路和驱动方式：当两个探针电极(探针的第一端和探针的第二端)插入溶液中，可以测出两电极间的电阻r；根据欧姆定律，温度一定时，有r＝ρl/a，其中ρ为电阻率，l为电极间间距，单位为厘米(cm)，a为电极的截面积，单位为平方厘米(cm2)；由于a、l是固定不变的，故l/a是一常数，称为电导池常数q，则r＝ρq；电导s与电阻r成倒数关系，即s＝1/r，s反映导电能力的强弱；电导率k与电阻率ρ成倒数关系，即k＝1/ρ，因ρ＝r/q，故k＝1/ρ＝q/r＝qs。当已知电导池常数q，再测得溶液的电阻r，即可求出电导率k。电导率的标准单位是西门子/米(s/m)，一般使用单位为毫西门子/米(ms/m)，常用单位为微西门子/厘米(μs/cm)，单位间互换为1ms/m＝0.01ms/cm＝10μs/cm。电导率与tds值具有对应关系，可以采用现有技术实现电导率与tds值的转换，例如，电导率计算tds值可以采用公式：tds＝z*k，tds一般为电导率的z倍，z取值范围为0.5～0.7，通常取z＝0.5，则tds＝0.5k。
[0074]
在利用探针电极测量溶液的电导率时，需要对探针的第一端施加驱动电压，从探针的第二端读取电压值以计算溶液的电阻值。本实施例中，所述电极电导率检测法包括：向探针的第一端施加第一脉冲，第一脉冲的脉冲宽度根据采样时间确定；在第一脉冲的高电平持续时间内，在采样时间读取探针的第二端的电压测量值，以获得对应的电导率和tds测量值；在第一脉冲的低电平持续时间内，向探针的第二端施加第二脉冲。交替加载驱动电压至探针的两端可以防止探针极化。
[0075]
其中，脉冲的高电平是指脉冲的电压最高值，通常为电路的工作电压；脉冲的低电平是指脉冲的电压最低值为低电平电压，通常为0v(接地)。第一脉冲的脉冲宽度(简称脉宽)是指第一脉冲的高电平持续时间，在步骤s11中，第一脉冲的脉宽≥tm，在步骤s13中或测量待测溶液时，第一脉冲的脉宽≥tc。第一脉冲的脉宽取值范围根据实际应用情况可以为30μs～100μs，本实施例中，在步骤s11，第一脉冲的脉宽为100μs，t1、t2、
……
、tm设定在
100μs内，如m＝8，t1＝38μs，t2＝46μs，t3＝54μs，t4＝62μs，t5＝70μs，t6＝78μs，t7＝86μs，t8＝94μs。第二脉冲的脉宽≤第一脉冲的低电平持续时间，一般来说，第一脉冲的低电平持续时间较长，可以在第一脉冲的低电平持续时间内施加连续的多个第二脉冲，第二脉冲的脉宽(高电平持续时间)≥第一脉冲的脉宽(高电平持续时间)，如第二脉冲的脉宽为110μs。
[0076]
实施例2
[0077]
本实施例提供一种校准系数的获取方法，由于待测溶液的温度是不确定的，电导率随温度变化而变化，以水溶液为例，一般温度每升高1℃，电导率增加约2％，通常规定25℃为测定电导率的标准温度。现有技术中，考虑到温度因素的影响，在用电导率计算tds值前，会先用待测溶液的温度测量值补偿探针测量得到的电导率。因此，考虑待测溶液的温度对tds测量值的影响，本实施例的校准系数的获取方法还获取温度校准系数，在tds检测时，先用温度校准系数校准待测溶液的温度测量值，再利用校准后的温度测量值补偿探针测量得到的电导率，然后利用补偿后的电导率计算tds测量值。
[0078]
请参考图2，与实施例1不同的是，本实施例的校准系数的获取方法还包括：步骤s15，采用温度传感器检测温度标准溶液的温度测量值tc，所述温度标准溶液的温度标准值为tb；步骤s16，计算温度校准系数f
t
，所述温度校准系数f
t
为所述温度标准溶液的温度标准值tb与温度测量值tc的比值。本实施例中，f
t
＝tb/tc。在其它实施例，也可以是f
t
＝tc/tb。步骤s15和步骤s16也可以先于步骤s11至步骤s14前执行。
[0079]
本实施例中，温度标准值为tb＝25℃，tds标准溶液的温度均为25℃，温度传感器可以采用负温度系数(ntc，negative temperature coefficient)热敏电阻，利用电阻分压法读取溶液中ntc热敏电阻一端的电压值，根据读取的电压值可以得到ntc热敏电阻的电阻值，从而确定与电阻值对应的溶液的温度测量值，可以采用现有技术的热敏电阻和温度的对应关系来确定温度测量值，在此不再赘述。温度校准系数f
t
可以在一定程度上降低检测精度对于温度传感器如ntc热敏电阻一致性的依赖。
[0080]
实施例3
[0081]
本实施例提供一种tds检测方法，请参考图3，包括如下步骤：步骤s21，获取待测溶液在实际采样时间的电导率；步骤s22，基于待测溶液的电导率获取待测溶液的tds测量值；步骤s23a，以一个相邻tds标准值对应的tds校准系数校准所述tds测量值，获得待测溶液的tds校准值。其中，一个相邻tds标准值为小于tds
dc
的tds标准值中的最大值或大于tds
dc
的tds标准值中的最小值；实际采样时间和tds校准系数可以根据上述实施例的校准系数的获取方法获取。
[0082]
具体实施时，执行步骤s21，采用电极电导率检测法获取待测溶液在实际采样时间tc的电导率k
dc
。请参考实施例1所述，可得k
dc
＝q/r
dc
，其中，q＝l/a，l为电极间间距即探针的第一端和第二端间距，a为电极的截面积，l、a为固定值，因此q为常量，r
dc
由在实际采样时间tc读取的探针的第二端的电压测量值v
dc
计算得到。
[0083]
继续执行步骤s22，基于待测溶液的电导率k
dc
获取待测溶液的tds测量值tds
dc
。通常需要考虑待测溶液的温度对测量得到的电导率影响，因此，本实施例的步骤s22进一步可以包括：步骤s221至步骤s222。
[0084]
具体地，步骤s221，采用温度传感器检测所述待测溶液的温度测量值t
dc
。检测待测溶液的温度可以与步骤s21同时进行，即在实际采样时间tc读取待测溶液中温度传感器(如
ntc热敏电阻)一端的电压测量值v
tdc
并计算温度传感器的电阻测量值r
tdc
，以确定对应的待测溶液的温度测量值t
dc
。在其它实施例，检测待测溶液的温度可以与步骤s21分时进行。
[0085]
步骤s222，以温度校准系数f
t
校准所述待测溶液的温度测量值t
dc
，获得温度校准值t
dc’，其中，温度校准系数f
t
的获取可以参考实施例2的说明。本实施例中，f
t
＝tb/tc，则t
dc’＝t
dc
*f
t
。在其它实施例，f
t
＝tc/tb，则t
dc’＝t
dc
/f
t
。
[0086]
步骤s223，根据所述温度校准值t
dc’补偿所述待测溶液的电导率k
dc
，获得补偿后待测溶液的电导率k
dc’。可以采用现有技术实现利用温度补偿溶液的电导率，例如可以采用公式：k
dc’＝k
dc
*(1 0.02*(t
dc
’‑
25))，在现有公式的基础上，先校准温度，再用温度校准值t
dc’补偿电导率k
dc
。
[0087]
步骤s224，根据补偿后待测溶液的电导率k
dc’确定tds测量值tds
dc
。本实施例中，tds
dc
＝0.5k dc’。
[0088]
在其它实施例中，如果温度测量可以做到比较精准，也可以忽略温度校准，则步骤s22进一步可以包括：采用温度传感器检测所述待测溶液的温度测量值t
dc
；根据所述温度测量值t
dc
补偿所述待测溶液的电导率k
dc
，获得补偿后待测溶液的电导率k
dc’，例如，k
dc’＝k
dc
*(1 0.02*(t
dc-25))；根据补偿后待测溶液的电导率k
dc’确定tds测量值tds
dc
，例如，tds
dc
＝0.5k dc’。
[0089]
如果不考虑待测溶液的温度对溶液电导率的影响，或者，已知待测溶液的温度与标准溶液的温度相同，则直接根据待测溶液的电导率k
dc
获取tds测量值tds
dc
，例如，tds
dc
＝0.5k dc
。
[0090]
继续执行步骤s23a，以一个相邻tds标准值对应的tds校准系数校准所述tds测量值tds
dc
，获得待测溶液的tds校准值tds
dcj
。
[0091]
具体地，多数情况下tds
dc
不会等于tds标准值序列中的某一个值，则所述相邻tds标准值包括两个值：小于tds
dc
的tds标准值中的最大值和大于tds
dc
的tds标准值中的最小值，也就是说，tds
dc
是在这两个tds标准值之间的值。可以选取其中一个tds标准值作为本实施例的相邻tds标准值，通常，选取的是与tds
dc
差值绝对值更小的tds标准值作为相邻tds标准值，即这两个值中，选更接近tds
dc
的tds标准值。所选取的相邻tds标准值对应的tds校准系数记为fy，本实施例中，fy＝tdsy/tds
yc
，则tds
dcj
＝tds
dc
*fy。在其它实施例中，也可以是fy＝tds
yc
/tdsy，则tds
dcj
＝tds
dc
/fy。另外，如果tds
dc
等于tds标准值序列中的一个tds标准值，则该tds标准值设定为相邻tds标准值。
[0092]
实施例4
[0093]
本实施例提供一种tds检测方法，请参考图4，与实施例3不同的是，步骤s23b，以两个相邻tds标准值对应的tds校准系数校准所述tds测量值，获得待测溶液的tds校准值。其中，两个相邻tds标准值包括小于tds
dc
的tds标准值中的最大值和大于tds
dc
的tds标准值中的最小值。
[0094]
实际应用发现，如果用两个相邻tds标准值对应的tds校准系数(设为fe、f
e 1
)中任意一个f值校准tds
dc
都可能达不到太高精度，而为了达到更高的检测精度，可以先利用两个tds校准系数fe、f
e 1
确定一个更趋向适用于tds测量值tds
dc
的tds校准系数f
y’。
[0095]
例如，可以将tdse～tds
e 1
动态分割。分割tdse～tds
e 1
区间前，先取定一个分割常量为tds
ek
，然后按tdse与tds
e 1
分别对应的两校准系数之间的差量与对应tds测量值的差量
比例将tdse～tds
e 1
分成若干tds区间tds1、tds2、
……
、tdsn，n≥2，分别设置对应的f值：tds
dc
在区间tds1内，f
y’＝f
e1
；tds
dc
在区间tds2内，f
y’＝f
e2
；
……
；tds
dc
在区间tdsn内，f
y’＝f
en
；fe《f
e1
《f
e2
《
……fen
《f
e 1
，或者，fe》f
e1
》f
e2
》
……fen
》f
e 1
。
[0096]
还可以设置含参表达式用于确定tds校准系数f
y’，设f
y’＝f(fe,f
e 1
)，f(fe,f
e 1
)为包含参数f
x
,f
x 1
的表达式，f(fe,f
e 1
)可以有多种表达形式，例如：
[0097]
f(fe,f
e 1
)＝f
e 1-|f
e 1-fe|*|tds
e 1-tds
dc
|/|tds
e 1-tdse|，f
e 1
》fe；或者，
[0098]
f(fe,f
e 1
)＝f
e 1-(tds
ek
*f
e 1
/1000 |f
e 1-fe|-tds
ek
*fe/1000)，f
e 1
》fe；或者，
[0099]
f(fe,f
e 1
)＝f
e-|f
e-f
e 1
|*|tds
e 1-tds
dc
|/|tds
e 1-tdse|，fe》f
e 1
；或者，
[0100]
f(fe,f
e 1
)＝f
e-(tds
ek
*fe/1000 |f
e 1-fe|-tds
ek
*f
e 1
/1000)，fe》f
e 1
。
[0101]
以上仅为举例，实际应用并不限于上述举例，通常还可以根据实验经验设置适合的tds校准系数f
y’的表达式。
[0102]
在确定对应tds测量值tds
dc
的tds校准系数f
y’后，以tds校准系数f
y’校准所述待测溶液的tds测量值tds
dc
，本实施例中，fe＝tdse/tds
ec
，f
e 1
＝tds
e 1
/tds
(e 1)c
，则tds
dcj
＝tds
dc
*f
y’。在其它实施例中，也可以是fe＝tds
ec
/tdse，f
e 1
＝tds
(e 1)c
/tds
e 1
，则tds
dcj
＝tds
dc
/f
y’。
[0103]
举一个实际应用实例，n＝4，m＝8，x＝2，tds1＝60ppm、tds2＝250ppm、tds3＝707ppm、tds4＝1500ppm，检测tds2标准溶液和tds3标准溶液设定了实际采样时间t4，f1＝60/tds
14
，f2’
＝250/tds
24
，f3’
＝707/tds
34
，f4＝1500/tds
44
，在实际采样时间t4测量计算得到对应tds1的tds校准系数f1＝0.625，对应tds3的tds校准系数f3＝(f2’
f3’
)/2＝0.668，对应tds4的tds校准系数f4＝0.603，本实例省略了对应tds2的tds校准系数f2，主要考虑60ppm～250ppm的tds值跨度相对250ppm～707ppm的tds值跨度较小，可以合并60ppm～250ppm和250ppm～707ppm，且因为是利用tds2和tds3两种标准溶液确定的实际采样时间，偏差最小，tds3对应的校准系数可以取两个比值的均值。使用三档tds校准系数进行校准，即第一档0～60ppm的tds校准系数f1，第二档60ppm～707ppm的tds校准系数f3，第三档707ppm～1500ppm的tds校准系数f4。
[0104]
以下计算tds结果四舍五入保留整数，计算f结果四舍五入保留小数点后三位，假设待测溶液的tds
dc
＝180ppm，在第二档60ppm～707ppm，
[0105]
可以用f1校准，tds
dcj
＝tds
dc
*f1＝180*0.625＝112ppm；
[0106]
也可以用f3校准，tds
dcj
＝tds
dc
*f3＝180*0.668＝120ppm。
[0107]
实验表明，以f1校准偏小，而以f3校准又偏大，则用f
y’校准，
[0108]fy’＝f
3-(f
3-f1)*(tds
3-tds
dc
)/(tds
3-tds1)＝0.668-(0.668-0.625)*(707-180)/(707-60)＝0.633，
[0109]
tds
dcj
＝tds
dc
*f
y’＝180*0.633＝114ppm。
[0110]
假设待测溶液的tds
dc
＝1350ppm，
[0111]
可以用f3校准，tds
dcj
＝tds
dc
*f3＝1350*0.668＝902ppm；
[0112]
也可以用f4校准，tds
dcj
＝tds
dc
*f4＝1350*0.603＝814ppm。
[0113]
实验表明，以f3校准偏大，而以f4校准又偏小，则用f
y’校准，
[0114]fy’＝f
3-(f
3-f4)*(tds
4-tds
dc
)/(tds
4-tds3)＝0.668-(0.668-0.603)*(1500-1350)/(1500-707)＝0.656，
[0115]
tds
dcj
＝tds
dc
*f
y’＝1350*0.656＝886。
[0116]
可见，待测溶液的tds
dc
越大，校准效果越明显。
[0117]
实施例5
[0118]
本实施例提供一种tds检测装置，包括处理器和用于储存一个或多个程序的存储器；所述一个或多个程序被所述处理器执行，使得所述处理器实现如上述实施例的tds检测方法。
[0119]
所述处理器可以为微控制单元(mcu，microcontroller unit)，俗称单片机，所述单片机配置程序存储器和数据存储器，实现所述tds检测方法的程序以程序代码的形式储存在单片机的程序存储器中，其中，实际采样时间、tds标准值及其对应的tds校准系数、温度校准系数以数据形式储存在单片机的数据存储器中。
[0120]
请参考图5，本实施例的tds检测装置包括：单片机u1，其配置有程序存储器和数据存储器，单片机u1还配置多组通用输入输出端(io端)、ad采样端、通讯端等，图5仅示出单片机u1在本实施例需要用到端口。单片机u1的高电压端vdd接电源端mcu_vdd，输入电源电压，即单片机u1的工作电压，一般为3.3v～5v；单片机u1的低电压端vss接地，输入电压为0v。基于程序存储器储存的实现tds检测的程序代码，单片机u1可以外接适配的测量电路，用以实现高精度的tds检测。所述单片机u1可以适用于现有的测温电路和测tds电路。
[0121]
本实施例中，请参考图5，所述tds检测装置还包括：tds检测电路u2和温度检测电路u3。
[0122]
所述tds检测电路u2包括mos开关管q1、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3；所述处理器配置第一io端pb3，第二io端pa4/a3和第一ad采样端pb2/a2。本实施例mos开关管采用pmos管。
[0123]
第一电阻r1接在第一io端pb3和mos开关管q1的栅极g之间，第二电阻r2接在探针tds_probe的第一端p1和低电平电压端(地端)之间，mos开关管q1的源极s和漏极d分别接高电平电压端(电源端)mcu_vdd和探针tds_probe的第一端p1。第三电阻r3接在探针tds_probe的第二端p2和第二io端pa4/a3之间，第一ad采样端pb2/a2用于读取探针tds_probe的第二端p2的电压值。
[0124]
本实施例中，第一ad采样端pb2/a2通过第五电阻r5连接探针tds_probe的第二端p2，第五电阻r5用于保护mcu模拟电压输入端口。在其它实施例，根据实际应用情况，也可以不需要保护电阻r5，第一ad采样端可以直接连探针tds_probe的第二端p2。
[0125]
结合参考图6，需要进行tds检测时，通过第一io端pb3向探针tds_probe的第一端p1施加第一脉冲(高电平电压脉冲)，所述第一脉冲的高电平持续时间(即第一脉冲的脉宽)t
p1
、t
p1’根据采样时间确定。具体地，第一脉冲的脉宽自适应调整，在获取tds
x
标准溶液在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值、tds
x 1
标准溶液在m个采样时间t1、t2、
……
、tm的tds测量值时，第一脉冲的脉宽t
p1
≥tm；在获取tds标准溶液在采样时间tc的tds测量值、待测溶液在采样时间tc的tds测量值时，第一脉冲的脉宽t
p1’≥tc。根据实际应用，通常第一脉冲的脉宽取值范围可以为30μs～100μs。
[0126]
利用单片机u1的第一io端pb3控制tds检测电路u2工作电压，通过控制端口电平转换来切换tds检测电路的电源开关(mos开关管q1)为其提供能量足够的脉冲信号。此方式直接从产品的供电单元(电源端mcu_vdd)取电，tds检测电路的驱动直接来自供电单元而不是
io端，确保了足够的驱动能力，不会因不同负载电流影响ad模块采样的精准，从而提升溶液不同区间浓度采样精度的可控制能力。
[0127]
在第一脉冲的高电平持续时间t
p1
、t
p1’内，第二io端pa4/a3输出低电平电压，通过第一ad采样端pb2/a2在采样时间读取探针tds_probe的第二端p2的电压测量值，以获得对应的电导率和tds测量值；在第一脉冲的低电平持续时间内，通过第二io端pa4/a3向探针的第二端施加第二脉冲。一般来说，第一脉冲的低电平持续时间大于第一脉冲的脉宽，在第一脉冲的低电平持续时间内，可以连续输出多个第二脉冲，所述第二脉冲的脉宽t
p2
通常设为大于或等于第一脉冲的脉宽。
[0128]
在tds检测时，通过所述第二io端pa4/a3输出低电平电压，配合第一ad采样端pb2/a2采样瞬时电压信号；在检测结束后(不检测时)，通过第二io端pa4/a3切换输出高电平电压(如第二脉冲)可以防止探针极化。
[0129]
请继续参考图5，所述温度检测电路u3包括温度传感器ntc、第四电阻r4和旁路电容c1，所述处理器还配置第三io端pa5/a4和第二ad采样端pb0/a0。本实施例中，所述温度传感器为ntc热敏电阻。旁路电容c1的作用是在瞬间采样也可以获得稳定的温度数据。第四电阻r4与ntc热敏电阻组成分压电路，用于获取当前温度下ntc的等效阻值。
[0130]
温度传感器ntc的第一端p3接高电平电压端mcu_vdd，第四电阻r4和旁路电容c1并联在温度传感器ntc的第二端p4和第三io端pa5/a4之间，第二ad采样端pb0/a0用于读取温度传感器ntc的第二端p4的电压值。
[0131]
本实施例中，第二ad采样端pb0/a0通过第六电阻r6连接温度传感器ntc的第二端p4，第六电阻r6用于保护mcu模拟电压输入端口。在其它实施例，根据实际应用情况，也可以不需要保护电阻r6，第二ad采样端可以直接连温度传感器ntc的第二端p4。
[0132]
所述温度检测电路u3在tds检测时实时获取溶液的当前温度，以帮助更精确的tds数据分析。采用单片机u1的第三io端pa5/a4作为电路中的虚拟地端，在测温采样时第三io端pa5/a4输出低电平电压，在其它时间(非测温时)第三io端pa5/a4悬空(floating)，分压电路中没有电流，由此实现非采样阶段功耗的控制，可以实现待机零功耗，有效地解决在手持类产品中的待机时间问题。
[0133]
为了实现探针自适应及实时监测tds检测获取的数据，本实施例的tds检测装置还提供两种通用率极高的常规通讯模式：通用异步收发传输器(uart，universal asynchronous receiver/transmitter)通讯模式、集成电路总线(iic，inter-integrated circuit)通迅模式。
[0134]
uart协议数据传输速率高，是一种常见的用于调试中的接口模块。如图5所示，uart通讯电路u4利用单片机的uart端口，外部仅需要外接两个安全电阻r9、r10即可组成一个调试通道。具体地，uart通讯电路u4包含两个支路：tx支路，一端接单片机u1的tx端pc0/tx，另一端接插接件cn1的第三端，中间串接电阻r9；rx支路，一端接单片机u1的rx端pc1/rx，另一端接插接件cn1的第四端，中间串接电阻r10。
[0135]
iic协议占用资料少且为安全性极高的数据传输方案，在远距离及应用环境有杂迅的应用中是不二之选。iic通讯电路u5利用单片机u1的iic slave模组(单片机作为从机端)，外部外接两个安全电阻r7、r8及两个上拉电阻r11、r12即可组成一个调试通道。具体地，iic通讯电路u5电路包含两个支路：sda支路，一端接单片机u1的sda端pa3/sda，另一端
接插接件cn2的第三端，中间串接电阻r7；scl支路，一端接单片机u1的scl端pb6/scl，另一端接插接件cn2的第四端，中间串接电阻r8；电阻r11、r12为备选电阻，如iic主机端通讯口有内置上拉电阻，此二器件可省略。
[0136]
实际应用时，水质检测类产品的生产厂家可直接使用电脑自带模块连接插接件，通过相关驱动软件，按照提供的通讯模式有序提供指令，配合客户自定义标准溶液，实现校准系数的获取，进而完成探针的自适应校准。
[0137]
综上所述，本发明技术方案能够自适应各类探针，尤其低成本探针可适用，采取了多点校准方式确保不同批次探针的精度一致，在保证测试精度的同时，降低产品成本，并且能够拓展测量范围。本发明技术方案可广泛应用于不同探针来实现检测溶液中杂质含量的检测方案，如生活用水及工业废水检测领域等。
[0138]
本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。