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[工仪] 剖析TDS-3水质检测笔电路结构及原理,老司机水箱补水鉴别利器

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发表于 2021-12-25 23:36:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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       曾经一段时期,在推销净水器的喧哗中,TDS检测笔被作为虚假宣传的工具,因此背上了“黑锅”。凭心而论,我们真得感谢现代高科技带给我们的福音,小小的一只检测笔,内部采用高度集成的MCU芯片,十几只电子元件,就可以检测食用水质中的总溶解性固体物质,满足日常家用需要。
       众所周知,TDS(“Total dissolved solids”总溶解性固体物质,单位mg/L或ppm)只是饮用水质检查众多指标中的一项。TDS检测笔是一种便携仪器,如何让它的检测为我们的生活服务呢?下面通过拆解一只市售TDS-3型检测笔,看看它的内部电路结构,掌握正确使用方法。

一、TDS检测笔的结构
市售常见的家用TDS-3型检测笔外形见下图:
001.jpg

检测时,取下笔帽,开机将探针电极插入被测水中,即可显示出TDS值:
003.jpg

二、工作原理
       根据水样的TDS值与电导率成间接正比关系,目前市售的TDS检测笔基本上是采用探针形式,通过检测水样电导率来推算出TDS值。但是,电导率是随水温变化的,而相同的水质在不同温度下的TDS值都应该是一致的。所以,在设计TDS检测笔电路时,需要同时测定水温来进行TDS值修正。
       市售的TDS检测笔的电路结构通常有两种。第一种是直流方式,直接施加直流电于探针两极,测量两极间的电压,计算得到水的等效电导率,从而确定TDS值。这种方式会导致极化现象,严重影响测量精度和采样电路的可靠性。以前往往从探针材质上采取措施,镀镍、镀钛、甚至使用钛针等,减少极化问题,效果不是很好,8、9年前的产品采用这种设计较多。第二种是脉冲方式,给探针两端施加一个正负电压脉冲波,从而使探针两端实现交变的直流电压,测定探针两极间的电压,计算得出水的等效电导率及对应的TDS值。这种方式的极化现象较为轻微,但是此脉冲电路在对两电极间的水施加一定的频率电压时,会产生寄生电容,产生充放电问题。当采样时间刚好落在充放电曲线上下沿时间内,测得的TDS值就会失准。
       近年来,一种TDS多频正反测试系统(多频交互式检测方法)被提出来①,并逐步被多数厂家采用。使用MCU电路设计,对被测水样施加正反对应电压、多频率测定,同时较好地解决了极化和电容效应这两个长期困扰检测笔检测精度的问题。

三、拆解,内部电子元件及功能
拆开TDS检测笔,由外壳(探针)、电路板、电池仓三个部分组成:
002.jpg

1、外壳、探针电极部分
两根铜镀镍探针,左边是温度传感器外壳(本检测笔的该塑料外壳实际上只是一个摆设,内部没有温度传感器。真正有温度传感器的结构,应该是金属外管):
004.jpg

2、电池仓部分
采用两枚LR14(1.5V)碱性纽扣电池串联供电:
005.jpg

3、电路板部分
由于采用了MCU芯片,电路极其简单。
U1是24Pin MCU,被抹去了型号。U2采用ATML公司的24C02,是基于I2C-BUS的串行E2PROM存储器,存储有出厂时的校准数据。
006.jpg

温度传感器RT1,采用NTC贴片电阻,焊接在电路板上。这是一个败笔!离探针距离太远,不能及时测量水温、修正TDS值。在某些情况下,误差会较大。这个PCB的设计时间2018.08.07。
007.jpg

看看下面,坛友拆解的一支真正有温度传感器的TDS笔结构:
008.jpg

从本检测笔电路上看,U1(MCU)内部集成了A/D电路,I/O(LCD显示驱动)电路,复位电路,低压检测电路,高精度晶振电路,片内flash等,使电路设计十分简洁。电路板上按钮附近,还有不少锡珠未清理干净,质控还应加强。
009.jpg

根据检测笔PCB上元件分布情况,绘出其电路图如下:
010.png

将检测笔电路板接通电池开机,使用示波器观察其电极间的工作电压波形,发现脉冲频率在4.93Hz、5.92Hz、6.57Hz、7.40Hz、7.89Hz、9.86Hz之间变化:
011.jpg

放大脉冲波形看看,是正负电压方波,负方向脉冲时间稍长:
012.jpg

空载(未插入自来水水样中)时,电极两端的方波电压较高,Vpp=3.14V:
013.jpg

插入自来水水样中测试时,由于有水电阻负荷,电极两端的方波电压降低,Vpp=2.16V,下降了约1格标尺:
014.jpg
根据示波器的测量数据,可以确定,该检测笔电路采用了多频交互式检测系统设计。

四、常见水的TDS测量,汽车水箱应急补水的选择
分别取自来水、凉开水(自来水烧开)、“X宝”瓶装纯净水、“X师傅”瓶装添加矿物饮用水、“X” 瓶装苏打水、实验室纯化水的样品进行检测:
015.jpg

汇总测量数据如下:
016.jpg

       作为给汽车水箱应急补水水质的要求,只要是软水就行,完全可以放心使用这个仪器进行检测。
       从检测结果看出,实验室使用的纯化水,金属离子极少,TDS值极低为0,作为汽车水箱补水是完全没有问题的。瓶装纯净水采用了二级RO工艺,纯度也很高,可以使用。其它水样中,金属离子含量较多,有的是钙镁离子也就是水较“硬”,长期使用会使水箱结垢,最好不要使用。凉开水比生水要好一些。当应急使用自来水或硬水后,应及时更换合格的冷却水或防冻液。
       用TDS检测笔来辨别汽车水箱应急补水水质,操作简单,结果可靠。建议自驾旅游时携带一支,以备急用。要注意的是:给汽车水箱应急补水,在南方是没有问题的。但在寒冷的北方,冬天应使用同品种的防冻液进行补液,避免补水过多,稀释了防冻液,容易冻结,损坏发动机。

五、使用注意事项
       在使用TDS笔测量时,适合TDS笔的检测温度在25℃左右,过高过低,都会有较大测量误差,沸水还会使仪器受到损坏。测量时,刚开始应该在被测水中晃动几下检测笔头,避免气泡附着在电极杆上,造成不准确。不宜在流动的水中测量,会对准确度有影响。被严重污染的水样,导电离子多,对电极的伤害大、超量程,也不宜测量。
       具体到拆解的这支TDS笔来说,结构上有重大缺陷。其温度传感器采用NTC负温度系数贴片电阻,焊接在内部的PCB上,与探针及被测水样相距太远,根本不能够及时地反映水样的温度、对TDS值进行修正,误差较大。这是为了降低成本,牺牲了准确性。补救的办法,只有让被测水样的温度与TDS笔的温度一致(可放置室内等待二者温度平衡),但测量的时间效率受到影响,使用者应注意到这个问题。或另购一只真正有温度传感器与探针并列的检测笔。另外,检测时要注意水位线一定要在“入水线范围”内,使得电极完全浸泡在水中,才符合电路设计的要求,否则,检测数值会不正常。

结束语:根据TDS笔的电路结构,TDS测量水质存在局限性。它可以测出水中的导电离子程度,但无法测出细菌、病毒等微生物污染物;水中的一些离子不完全是有害物质,不能简单根据TDS值来判断水质好坏;不能单独依赖TDS值来判断能否生饮水。另外,像大家熟悉的PH计一样,由于电极及电子元件老化,专业TDS笔应该定期校验,以保证检测的准确度。选购市售的TDS检测笔时,注意问清楚温度探头是否与检测探针真正并列,不要购买内置贴片NTC负温度系数电阻那种。
(该文系本人原创,曾在他处发表,现修改后发本坛,希望对坛友们有用。)



注:① TDS检测电路探讨(刘轶群,2013年中国家用电器技术大会论文集)


附:TDS检测笔使用知识(摘自网络)
1、纯净水、矿泉水存放过久或不当保存,用TDS测试笔检测,TDS值较初期上升,病毒和菌落总数也会相应增高,最好不要饮用。
2、高层住户,3楼以上由顶楼的储水箱供水,易发生二次污染问题。当检测到TDS值发生较大变化,应督促物管部门加强清洗管理。
3、纯酒精的TDS值为0,大于0表示不纯。
4、水果蔬菜泡在水里后用TDS测试笔检测一番,若数值偏高,担心有农药化学污染,要小心啦。
5、养金鱼,适合用TDS测试笔,当检测鱼缸水的数值偏高,则应该及时换水,否则金鱼可能会死亡。当然同样适用于海产养殖,及时通过TDS测试笔了解水质安全。
6、夏天,游泳池水质成为大家重点关注对象,为了各位的健康,用TDS测试笔检测一下再好不过。


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