本实用新型属于电化学测试技术领域，涉及一种肥力测定仪，特别是一种 多功能土壤肥力测定仪。

土壤氮、磷、钾的含量是土壤肥力的基本指标，是合理施肥、保证农业收 成的重要依据。以往，土壤氮、磷、钾的测定一直沿用实验室经典法测定，如 定氮采用K氏法，测磷采用光电比色法，测钾采用火焰光度计法等，除样品处 理设备外，这些仪器一般体积笨大，不适用于野外或基层农业试研站、台测定。 多年来研究人员设计出了以光电比色法为基础的土壤速测仪，如化工部上海化 工研究院1994年10月28日《ST-2型土壤速测仪应用培训班技术资料》中公开的 “ST-2型土壤速测仪”；北京强盛分析仪器制造中心1996年生产的“TFC-1型 数字式直读土壤化肥速测仪”，这两种仪器均基于光电比色法，要求被测样品 (土壤浸提液或水样)透明、清亮，同时其测量范围较窄(一般比色法为一个 数量级范围，否则要另行制备不同范围的标准曲线)，不能使用于混浊的、带 有悬浮粒子的土壤溶液或水样，也不能一次使用于浓度变化这几个数量级的测 定。

本实用新型的目的在于提供一种基于电化学法的多功能土壤肥力测定仪， 以克服现有技术中所存在的问题。

本实用新型是以下述方式实现的：一种土壤肥力测定仪，由机壳、复合式 单片电路和传感器组成，所述机壳的面板上开设有数据显示窗口，同时设置有 互锁式项目选择键以及相应项目的定位键和校准键，其关键是上述传感器中包 含有测定土壤中硝态氮的硝酸根电极、测定土壤中钾的钾电极、测定土壤中氮 的氨气敏电极、测定土壤酸碱度的pH电极、测定土壤中氧化还原电位的铂电极 和参比电极，上述复合式单片电路内包括有显示电路和电位法电路，该电位法 电路由高输入阻抗转换电路和低阻直流电压放大电路构成，低阻直流电压放大 电路经传递电阻续接在高输入阻抗转换电路上，而显示电路则续接在低阻直流 电压放大电路的输出端所连接的分压器上，同时在复合式单片电路内还包括有 定位电路和校准电路，定位电路通过参比电极端接入高输入阻抗转换电路的输 入端，而校准电路则接在低阻直流电压放大电路的输出端与反向输入端之间， 在使用直接耦合单端输入高输入阻抗转换电路的情况下，校准电路也可以接在 该电路的输出端，上述传感器通过各自的高绝缘屏蔽插头插接在机壳后面板上 相应的传感器插接口上，在机壳的后面板上同时还设置有参比电极插接口和电 源插孔。

上述高输入阻抗转换电路最好为直接耦合的直流转换电路，也可以是交流 调制转换电路加整流电路。

为了使本土壤肥力测定仪能够对土壤中的磷进行测定，并且能使本土壤肥 力测定仪适用于基层农业试验站及田间测试，可以在相关传感器内再增设一个 测定土壤中磷的光纤探头，同时在复合式单片电路内也相应增设有光电转换电 路，该光电转换电路由光电转换器和阻抗转换及放大电路构成，光电转换器通 过分压电阻接入阻抗转换及放大电路的输入端，阻抗转换及放大电路的输出端 接显示电路，在机壳的后面板上同时还设置有测磷用光纤探头插接口和调零旋 扭，光纤探头通过自己的插头插接在机壳后面板上的光纤探头插接口上。

上述光电转换器可以是光敏电池、光敏电阻或光敏二极管。

为了使本土壤肥力测定仪能够对土壤中的盐分含量进行测定，可以在相关 传感器内再增设一个测定土壤中盐分含量的电导电极，同时在复合式单片电路 内也相应增设有电导法电路，该电导法电路由稳幅振荡电路、阻抗转换放大电 路和线性整流电路构成，稳幅振荡电路的输出端通过传输电阻和跟随器接至电 导池的一端，电导池的另一端接阻抗转换放大电路的输入端，而阻抗转换放大 电路的输出端经耦合电容接至线性整流电路的输入端，线性整流电路的输出端 通过分压器接显示电路，在机壳的后面板上同时还设置有电导电极插接口和量 程选择开关，电导电极通过自己的插头插接在机壳后面板上的电导电极插接口 上。

为了使本土壤肥力测定仪能够对土壤溶液中溶解氧的含量浓度进行测定， 可以在相关传感器内再增设一个测定土壤溶液中溶解氧的溶氧电极，同时在复 合式单片电路内也相应增设有伏安法电路，该伏安法电路由极化电压发生电路 和运算放大电路组成，极化电压发生电路接溶氧电极的阳极，溶氧电极的阴极 接运算放大电路的正向输入端，运算放大电路的输出端经分压器接显示电路， 同时在运算放大电路的输出端和其正向输入端之间串接有可变电阻，用以调节 运算放大电路的放大倍率，在机壳的后面板上同时还设置有溶解氧探头插接口， 溶解氧探头通过自己的插头插接在机壳后面板上的溶解氧探头插接口上。

为了使本土壤肥力测定仪能够对土壤温度进行测定，可以在相关传感器内 再增设一个测定土壤温度的温度探头，同时在复合式单片电路内也相应增设有 温度测定电路，在机壳的后面板上同时还设置有温度探头插接口，温度探头通 过自己的插头插接在机壳后面板上的温度探头插接口上。

上述温度测定电路为普通的现有电路，当温度探头使用半导体热敏电阻或 金属丝热敏电阻时，可以用电桥电路或其它测定电阻的电路，当温度探头使用 PN二极管时，可以用高输入阻抗直流电压放大电路或其它测定微小电压电路。

由于上述土壤肥力测定仪包含多种电路，为了消除不同电路集合在一起时 其它电路以及来自大地的杂散电流对电位法测定电路的交、直流共模干扰的问 题，最好在复合式单片电路的模拟地与实际大地之间增设一个电容器，该电容 器应是一个数微法的非电解电容器，并且该电容器的绝缘电阻应大于1010欧姆， 它可以为交流共模干扰电流提供一条低阻抗通路，使之不致于流经参比电极的 内阻后产生交流的串模干扰电压，影响测量读数的稳定性。

当然，消除电导电路对其它测量电路的干扰以及防止来自大地的交、直流 共模及串模干扰措施也可以在输出部位接上一个双端高输入阻抗放大器。

下面结合实施例所示附图对本实用新型作进一步详细叙述。

图1为本土壤肥力测定仪的外观示意图；

图2为机壳后面板的外观示意图；

图3为硝酸根电极与高绝缘屏蔽插头的配合示意图；

图4为钾电极与高绝缘屏蔽插头的配合示意图；

图5为氨气敏电极与高绝缘屏蔽插头的配合示意图；

图6为pH电极与高绝缘屏蔽插头的配合示意图；

图7为铂电极与高绝缘屏蔽插头的配合示意图；

图8为测磷光纤探头与分叉式插头的配合示意图；

图9为电导电极与插头的配合示意图；

图10为溶解氧探头与插头的配合示意图；

图11为温度探头与插头的配合示意图；

图12为本土壤肥力测定仪的电原理框图；

图13为电位法电路结构示意图；

图14为比色法电路结构示意图；

图15为电导法电路结构示意图；

图16为伏安法电路结构示意图；

图17为温度测量电路结构示意图；

参照图1，在机壳1的面板2上开设有数据显示窗口3，同时在面板2上还设 置有互锁式项目选择键4以及相应项目的定位键5和校准键6。结合图2，机壳1 的后面板7上设置有各传感器的插接口8(包括pH电极插接口8a、硝酸根电极插 接口8b、钾电极插接口8c、氨气敏电极插接口8d、铂电极插接口8e、参比电极 插接口8f、溶解氧探头插接口8g、温度探头插接口8b、电导电极插接口8i和测 磷光纤探头插接口8j)，在电导电极插接口8i的下部设置有量程选择开关9， 而在测磷用光纤探头插接口8j的下部设置有调零旋扭10，在机壳1的后面板7上 还设置有电源插孔11(包括交流电源插孔11a和直流电源插孔11b)，电位法传 感器12经屏蔽导线13配合在其相应的插接口8上。

参照图3～图11，硝酸根电极12a经屏蔽导线13与高绝缘屏蔽插头14连成一 体，钾电极12b经屏蔽导线13与高绝缘屏蔽插头14连成一体，氨气敏电极12c经 屏蔽导线13与高绝缘屏蔽插头14连成一体，pH电极12d经屏蔽导线13与高绝缘 屏蔽插头14连成一体，铂电极12e经屏蔽导线13与高绝缘屏蔽插头14连成一体， 测磷光纤探头12f经光导纤维15与分叉式插头16(包括16a和16b)连成一体， 电导电极12g经屏蔽导线13与高绝缘屏蔽插头14连成一体，溶解氧探头12b经多 股电缆17与多芯插头18连成一体，温度探头12i经屏蔽导线13与插头19连成一 体。

参照图12，这是本土壤肥力测定仪的电原理框图，图中20为显示电路，21 为测定土壤酸碱度的电位法电路，22为测定土壤硝态氮的电位法电路，23为测 定土壤钾的电位法电路，24为测定土壤氨态氮的电位法电路，25为测定土壤氧 化还原状态的电位法电路，26为测定土壤含磷量的比色法电路，27为测定土壤 盐分含量的电导法电路，28为测定土壤溶液中溶解氧含量的伏安法电路，29为 测定土壤温度的温度测量电路。

参照图13，电位法电路由两个高输入阻抗放大器IC1-1和IC1-2构成，指示 电极IE(即：测定土壤中硝态氮的硝酸根电极、测定土壤中钾的钾电极、测定 土壤中氮的氨气敏电极或测定土壤酸碱度的pH电极)和参比电极RE放在待测液 体中后构成测量电池，此测量电池的输出信号为一高内阻电位，该高内阻电位 经由R4和C2组成的输入电路进入高输入阻抗放大器IC1-1的正向输入端，R4和C2 决定了输入信号的时问常数，C2还有隔交流干扰的作用，在高输入阻抗放大 器IC1-1的输出端与反向输入端之间串接有负反馈电阻R5，在深度负反馈状态 下，高输入阻抗放大器IC1-1工作状态稳定，零点漂移可以忽略，测量电池的 输出信号经高输入阻抗放大器IC1-1以后转变为低阻输出电压信号，经R3加至 另一个高输入阻抗放大器IC1-2的正向输入端，高输入阻抗放大器IC1-2的输出 经R10和W3组成的分压电路得出一个与待测溶液中的硝酸根浓度(pNO3-)、钾 离子浓度(pK+)、氨的浓度(pNH3)、氢离子浓度(pH)有关的输出电压Vx 加至显示电路。图中R6和R9分别为高输入阻抗放大器IC1-1和IC1-2的工作状态 调节电阻。偏置稳压电源-V经由R1、R2和W1提供一种补偿电压(由W1调节)加 到参比电极RE，对测量电池输出的信号完成补偿或调节作用，也即定位，电容 C1用以消除部分交流分量的干扰。由R7、R8和W2组成的斜率调节器用于调节高 输入阻抗放大器IC1-2的反相比例放大系数，也即校准。当指示电极IE为测定 土壤中氧化还原电位的铂电极时，由于不涉及到定位和校准的问题，所以可以 将由高输入阻抗放大器IC1-1输出的低阻电压信号直接加至显示电路。

参照图14，由发光管A发射的光源经分光镜或滤色片照射到光纤探头，进 而由光纤传递给光电转换器C，光电转换器C便能产生一个与磷含量有关的光电 流，由R11分压后加入到高输入阻抗放大器IC2-1的正向输入端，负反馈电阻R16 用于调节高输入阻抗放大器IC2-1的稳定性与灵敏度，R12、R13、R28及R14为 补偿电压调节器，起调零作用，由+V～-V的偏置稳压电源经R12取出一定补偿 电压加到高输入阻抗放大器IC2-1的反向输入端，高输入阻抗放大器IC2-1的输 出经R17加到放大器IC2-2的反向输入端，电源+V经二极管D2、R21、R22及调整 管T产生稳定的直流电压，经由N点加入双端输入三极管D1的集电极，三极管D1 与R20形成了对于放大器IC2-2的高稳定性的负反馈补偿电压，其输出经W点加 到放大器IC2-3的正向输入端，R25、R26和R27为负反馈电阻，用于调节仪器的 灵敏度与稳定度，放大器IC2-3的输出端将与磷含量有关的输出电压Vμ加至显 示电路，图中R15、R19和R24分别为放大器IC2-1、IC2-2和IC2-3工作状态的调 节电阻。

参照图15，由高输入阻抗放大器IC3-1、C3、R29和R30组成了振荡器(矩 形波发生器)，R29、C3决定了时间常数，因此调节R29可以调节振荡器的频率， R31和R32为反馈电阻，D3是稳压管，起稳幅作用，它们一起构成了一个稳幅振 荡器，该稳幅振荡器的输出端经由R33和R34构成的分压器接放大器IC3-2的正 向输入端，放大器IC3-2构成一个跟随器，并起到阻抗转换作用，放大器IC3-2 的输出端经电导池Gx或标准电阻Rx接比例运算放大器IC3-3的反向输入端，在 比例运算放大器IC3-3的反向输入端与输出端之间串接有电位器W4，调节电位 器W4可得到所需的交流电导的讯号，比例运算放大器IC3-3的输出端经耦合电 容C4和电阻R36接放大器IC3-4的反向输入端，放大器IC3-4和D4、D5构成线性 整流器，其输出端经由R40和C5构成的滤波器接入由R41和R42构成的分压回路， 再由该分压回路将直流电压信号V6送至显示电路。图中的R37、R38和R39为稳 压电源的补偿电压调节器，由R37取出的补偿电压加在上述放大器IC3-4的正向 输入端，对线性整流器的输出起调零作用。图中R43、R35和R44分别为放大器 IC3-1、IC3-2和IC3-4工作状态的调节电阻。

参照图16，由ID、R45、R46组成的极化电压发生器接溶氧电极EC的阳极， 热敏电阻Rt用以补偿ID的工作电压的温度系数，溶氧电极EC的阴极接运算放大 器IC的正向输入端，运算放大器IC的输出端经由R50和R51组成的分压器接显示 电路。在运算放大器IC的正向输入端与输出端之间，串接有三只并联的反馈电 阻R47、R48和R49量程选择开关S用于调节运算放大器IC的放大倍率或输出电 压的灵敏度。

参照图17，温度测量电路由一个双高输入差动放大电路构成，测温用的PN 结二极管D6通过电阻R56供电，二极管D6与电阻R56的公共端接高输入阻抗放大 器IC4-1的正向输入端，同时由R57、R58和R59组成的分压器取出一个补偿电压 加到高输入阻抗放大器IC4-2的正向输入端，高输入阻抗放大器IC4-1的输出端 经传递电阻R54接高输入阻抗放大器IC4-2的反向输入端，由高输入阻抗放大器 IC4-1和IC4-2构成的双高输入差动放大电路的输出端经由R60和R61组成的分压 器接显示电路D。图中R53和R55分别为高输入阻抗放大器IC4-1和IC4-2的反馈 电阻。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1)可以用于测定带色的、混浊的或带有悬浮质点的土壤溶液或水样中的 速效性氨态氮、硝态氮、钾，或经处理的土样的全氮、全磷和全钾；

2)本仪器设有光纤探头，可直接投入土壤溶液或水样测定，操作简便快 捷；

3)测定范围宽，对氨态氮的测定范围为：10-2～10-6mol/l(最小 检测限为0.014ppm)，对硝态氮的测定范围为；10-1～5×10-6mol/l(最 小检测限为0.07ppm)，对钾的测定范围为：10-1～10-5mol/l(最小检测 限为0.4ppm)；

4)可用来测定土壤pH和土壤盐分：pH指标为0-14pH，±0.1pH；盐分(电 导指标)为0～2×104us/cm。