基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置的製作方法

2023-04-26 07:08:16

專利名稱：基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電導檢測技術，尤其涉及一種基於雙屏蔽結構和串聯諧振 的非接觸電導測量裝置。
背景技術：
液相體系廣泛存在於化學化工、生物醫藥、環保和冶金等工業領域，電導 率是液體的基本物理參數之一，因此，液體電導率的在線測量對科研和生產具 有重要意義。
傳統的電導測量方法主要為接觸式測量，經過多年的研究和發展，接觸式 電導測量方法已發展得較為成熟，並得到了十分廣泛的應用。然而，接觸式電 導測量方法由於電極與被測液體直接接觸，存在電極極化效應和電化學腐蝕等 問題。
1998年，在Gas, et al. 1980年首次提出了電容耦合式非接觸電導測量方法 的基礎上(採用了一種較為複雜的四電極結構)，A. J. Zema皿，et al.和J. A. R da Silva,etal.提出了兩電極結構的電容耦合式非接觸電導測量新方法，該方法是在 絕緣管道的外壁安裝兩個環狀電極，即激勵電極和探測電極，兩個電極間隔一 定的距離，電極、絕緣管道和管道中的導電液體形成耦合電容，管道內導電液 體等效為一個電阻。貝U，兩電極，絕緣管道和導電液體構成一個串聯交流通路， 在激勵電極上施加交流電壓，在探測電極上即可測得反映管道中液體電導率的 交流電流。基於該新方法，電導率測量過程中，電極不與液體接觸，有效地避 免了傳統接觸式電導測量方法存在的電極極化和電化學腐蝕等問題，並且具有 電極結構簡單，魯棒性好等優點，因此，該方法一經提出，便得到了科研工作 者的重視，在分析化學等領域得到了廣泛的研究，取得了很好的研究成果，並 展示出了該技術廣闊的應用前景和很好的發展潛力。
然而，作為一個相對較新的電導測量方法，現有的各種電容耦合式非接觸 電導測量技術還存在一些不足，在測量範圍和解析度等方面還未能完全滿足曰 益提高的測量要求。現有的電容耦合式非接觸電導測量裝置中所用的屏蔽多為 普通的接地屏蔽，這種屏蔽無法徹底消除寄生電容的影響，從而影響測量範圍 和解析度。並且電極一絕緣管壁一導電液體形成的耦合電容也是導致測量範圍 小、靈敏度低的原因之一。如前所述，採用電容耦合式非接觸電導測量方法， 其測量迴路相當於一個串聯交流通路。在串聯交流通路中，導電液體等效為一個電阻，它產生的電阻抗是有用信號。而耦合電容產生的額外電阻抗是對電導 測量不利的背景信號，導致電導測量的解析度和測量範圍受到一定限制。本實 用新型針對這一現狀，引入了一種新的雙屏蔽結構，徹底消除了寄生電容的影 響，同時利用串聯諧振的思想消除了耦合電容的影響，提高了測量解析度，擴 大了測量範圍。 發明內容
本實用新型的目的是克服現有枝術的不足，提供一種穩定、可靠的基於雙 屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置。
基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置包括信號發生器、電感 模塊、絕緣測量管道、激勵電極、檢測電極、雙屏蔽結構、整流濾波電路、數 據採集模塊、計算機，雙屏蔽結構包括激勵電極的金屬屏蔽層、電壓跟隨器和 檢測電極的金屬屏蔽層，在絕緣測量管道的外壁安裝有激勵電極和檢測電極， 激勵電極的外圍設有金屬屏蔽層，電壓跟隨器的兩個輸入端分別與激勵電極和 其金屬屏蔽層相連，檢測電極的外圍設有接地的金屬屏蔽層，激勵電極經電感 模塊與信號發生器相連接，檢測電極依次與整流濾波電路、數據採集模塊、計 算機相連接。
所述的雙屏蔽結構為電壓跟隨器的正向輸入端與激勵電極相連，負向輸 入端與激勵電極的金屬屏蔽層相連，檢測電極的金屬屏蔽層接地。 本實用新型與現有技術相比具有有益效果
(1) 雙屏蔽結構方法的使用，徹底消除了寄生電容的影響。
(2) 線性度好，諧振狀態時電路的總阻抗與被測電阻R線性相關，且諧振 頻率與被測液體無關，可以預先設定，容易實施。
(3) 測量方式為非接觸式，有效地避免了接觸式電導測量方法存在的電極 極化和電化學腐蝕等問題，同時避免了對液體的汙染。


圖1是基於雙屏蔽結構和串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置的 結構示意圖2是本實用新型的雙屏蔽結構的結構示意圖3是本實用新型的雙屏蔽結構沿管截面方向的剖面圖4是本實用新型的電導檢測的等效電路圖5是本實用新型的電導檢測的簡化的等效電路圖中信號發生器l、電感模塊2、絕緣測量管道3、激勵電極4、檢測電極5、雙屏蔽結構6、整流濾波電路7、數據採集模塊8、計算機9、激勵電極的
金屬屏蔽層IO、電壓跟隨器ll、檢測電極的金屬屏蔽層12。
具體實施方式
如圖1、 2、 3所示，基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置包 括信號發生器l、電感模塊2、絕緣測量管道3、激勵電極4、檢測電極5、雙屏 蔽結構6、整流濾波電路7、數據採集模塊8、計算機9，雙屏蔽結構包括激勵 電極的金屬屏蔽層10、電壓跟隨器11和檢測電極的金屬屏蔽層12，在絕緣測 量管道的外壁安裝有激勵電極4和檢測電極5，激勵電極4的外圍設有金屬屏蔽 層10，電壓跟隨器11的兩個輸入端分別與激勵電極4和其金屬屏蔽層10相連， 檢測電極5的外圍設有接地的金屬屏蔽層12，激勵電極4經電感模塊2與信號 發生器l相連接，檢測電極5依次與整流濾波電路7、數據採集模塊8、計算機 9相連接。所述的雙屏蔽結構為電壓跟隨器11的正向輸入端與激勵電極4相 連，負向輸入端與激勵電極的金屬屏蔽層10相連，檢測電極的金屬屏蔽層12 接地。
利用該裝置測量液體電導的流程為信號發生器輸出交流電壓的頻率為諧
振頻率，交流電壓通過電感後加在激勵電極上，在檢測電極上得到能夠反映液 體電導率的電流信號，經採樣、放大、整流及濾波後，通過數據採集模塊送至 計算機處理並顯示。
如圖4所示，基於雙屏蔽結構和串聯諧振的測量裝置的等效電路為信號
發生器的一端與電感的一端相連(電感的內阻r)，電感的另一端與激勵電極和
其金屬屏蔽層所形成的第一寄生電容的一端、激勵電極和絕緣測量管道內的導 電液體所形成的第一耦合電容、電壓跟隨器的正向輸入端相連，第一寄生電容 的另一端與電壓跟隨器的反向輸入端相連，電壓跟隨器的輸出端與其負向輸入 端、兩電極的金屬屏蔽層所形成的第三寄生電容的一端相連，檢測電極和絕緣 測量管道內的導電液體所形成的第二耦合電容一端與導電液體形成的電阻的一 端相連、另一端與檢測電極和其金屬屏蔽層所形成的第二寄生電容的一端相連 接，第二寄生電容的另一端和第三寄生電容的另一端接地。
雙屏蔽結構的工作原理是電壓跟隨器的兩端與激勵電極和其金屬屏蔽層 分別連接，激勵電極和其金屬屏蔽層是等電位的，消除了第一寄生電容的影響， 第二寄生電容一端通常與運算放大器的反向輸入端(整流濾波電路的入口)相 連，另一端接地，第二寄生電容對測量也沒有影響，第三寄生電容一端與電壓 跟隨器的輸出端相連，另一端接地，流經第三寄生電容的電流並不流經測量通路，第三寄生電容對測量也沒有影響。通過雙屏蔽結構的使用，可以徹底消除 寄生電容的影響。
如圖5所示，基於雙屏蔽結構和串聯諧振的測量裝置的簡化的等效電路為 信號發生器的一端與電感的一端相連，電感的另一端與激勵電極和絕緣測量管 道內的導電液體所形成的第一耦合電容相連，檢測電極和絕緣測量管道內的導 電液體所形成的第二耦合電容與導電液體形成的電阻相連。
信號發生器輸出電壓的頻率為諧振頻率，電感的感抗與兩個耦合電容的容 抗抵消，電路呈現純阻性，總阻抗為被測液體電阻和所加電感內阻之和，通過 測量電路的電流，可以得到被測液體的電阻。
基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量方法包括如下步驟
1) 採用雙屏蔽結構消除激勵電極和其金屬屏蔽層所形成的第一寄生電容 (Cdl)、檢測電極和其金屬屏蔽層所形成的第二寄生電容(Cd2)、激勵電極的金
屬屏蔽層和檢測電極的金屬屏蔽層所形成的第三寄生電容(Cd3)的影響；
2) 基於雙屏蔽結構和串聯諧振的電導檢測電路的總阻抗為
z=/ +"yc-^入其中，w為被測溶液的阻值，i為所加電感值，r為所加
電感的阻值，c,為激勵電極與管道中液體所形成的耦合電容，G為檢測電極與 管道中液體所形成的耦合電容，c,=c2;
3) 確定電路的諧振頻率/。，令總阻抗z的虛部為零，可得到電路的諧振頻
率/。=+、 + ，設置輸入電壓的頻率為諧振頻率/。，電路處於諧振狀態;
4) 在諧振頻率/。的條件下，2^=^，可獲得諧振狀態時的電導檢測電
路的總阻抗為凡。,。/ =及+ ^ ;
5) 通過測量裝置測量電路中的電流/,經關係式凡d =^/〃即可得到諧振狀 態時電路的總阻抗尺。,。,，從而可得到被測液體的阻抗/ 。
已利用0 2.0mol/L濃度的KC1溶液在內徑為3.04mm的水平玻璃管道上對 本實用新型所提及的裝置與方法進行了驗證。驗證表明，可以成功克服耦合電 容和寄生電容等的影響，測量範圍和解析度得到很大地提高。就驗證實驗所用 的KC1溶液，現有的非接觸電導的測量方法一般僅能測量O.lmol/L以下濃度的 KC1溶液的電導率，而採用本實用新型所提及的裝置與方法，可以對0 2.0mol/L 濃度的KC1溶液進行測量，測量範圍和解析度都得到了很大地提高，取得了很 好的效果。
權利要求1.一種基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置，其特徵在於包括信號發生器(1)、電感模塊(2)、絕緣測量管道(3)、激勵電極(4)、檢測電極(5)、雙屏蔽結構(6)、整流濾波電路(7)、數據採集模塊(8)、計算機(9)，雙屏蔽結構包括激勵電極的金屬屏蔽層(10)、電壓跟隨器(11)和檢測電極的金屬屏蔽層(12)，在絕緣測量管道的外壁安裝有激勵電極(4)和檢測電極(5)，激勵電極(4)的外圍設有金屬屏蔽層(10)，電壓跟隨器(11)的兩個輸入端分別與激勵電極(4)和其金屬屏蔽層(10)相連，檢測電極(5)的外圍設有接地的金屬屏蔽層(12)，激勵電極(4)經電感模塊(2)與信號發生器(1)相連接，檢測電極(5)依次與整流濾波電路(7)、數據採集模塊(8)、計算機(9)相連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測 量裝置，其特徵在於所述的雙屏蔽結構為電壓跟隨器(11)的正向輸入端與 激勵電極(4)相連，負向輸入端與激勵電極的金屬屏蔽層(10)相連，檢測電 極的金屬屏蔽層(12)接地。
專利摘要本實用新型公開了一種基於雙屏蔽結構和串聯諧振的非接觸電導測量裝置。它包括信號發生器、電感模塊、絕緣測量管道、激勵電極、檢測電極、雙屏蔽結構、整流濾波電路、數據採集模塊、計算機，雙屏蔽結構包括激勵電極的金屬屏蔽層、電壓跟隨器和檢測電極的金屬屏蔽層。通過雙屏蔽結構的使用，徹底地消除了寄生電容的影響，同時，利用諧振狀態下，感抗和容抗相消的原理，克服了電極-管壁-導電液體所形成的耦合電容的影響。本實用新型有效地消除了寄生電容和耦合電容的影響，擴大了電導測量範圍，提高了測量解析度，相應的裝置具有量程寬、靈敏度高、非接觸式等優點，為解決管道中導電液體電導測量提供了有益的借鑑。
文檔編號G01R27/02GK201421479SQ20092012228
公開日2010年3月10日 申請日期2009年6月11日 優先權日2009年6月11日
發明者冀海峰, 周鑫淼, 姜娓娓, 李海青, 磊 王, 王保良, 黃志堯 申請人:浙江大學