通過瞬時導抗響應對流體的存在和性質進行測量的製作方法
2023-05-17 20:20:31
專利名稱：通過瞬時導抗響應對流體的存在和性質進行測量的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量流體和含流體材料的存在和各種性質的方法。尤其是，本發明描述了在對流體進行單個採樣或連續流動監測中檢測微小組成變化的方法，其具有非常高的靈敏度、以及簡化的溫度補償、探針設計、材料和電子控制設備。
背景技術：
在許多科研和工業過程以及終端用戶應用中使用了各種各樣的流體。對這些流體進行初始的、過程中的以及使用中的測試通常有助於防止發生潛在的問題。許多方法依賴於將流體、漿液、懸浮物或溼的材料進行精確混合，並要求對所得到的混合物有準確反饋。終端用戶通常依賴於流體、漿液、懸浮物或溼的材料的準確組成，以安全有效地使用。對這些材料進行定性分析通常可以防止代價昂貴的錯誤、損傷或損害。
由於通常上述任意流體都具有介電常數、導電率以及雙層效應，其中每一個均產生複雜的電響應，因此，一直以來對流體組成的電子分析非常複雜。儘管對這些性質進行測量非常普遍，但是由於設備存在困難，例如探針設計、不穩定的溫度依賴以及複雜的電子控制設備，因此，為了得到準確、靈敏的結果，這些測量非常麻煩。
在使用中或在過程中進行控制通常需要能夠處理流動、壓力和溫度的各種水平，並同時準確測量組成變化的傳感器。現有的測量流體介電常數或導電率的方法要求上述任一影響因素具有非常小的變化範圍，或者要求對它們進行極端的以及技術上非常複雜的補償。
流體的介電常數是常用的與流體相關的定性量度。眾所周知，固體的介電常數是分子響應外場而產生極化或轉移其內部電荷的能力的量度。對於流體，分子也能夠根據場來回移動、旋轉和/或在流體內遷移。在電子術語中，介電常數是電容器的模擬。
有許多已有專利涉及對流體電容的測量。美國專利No.4132944，5497753和5507178是電容測量技術的代表性例子。
導電率(電阻的倒數)是另一個用於定性指示流體構成和流體中帶電物質的常用量度。流體中的帶電物質或離子使得電子在流體中通過。存在的離子越多，流體的電阻越小，可以通過流體的電流強度越大。在電子術語中，該現象為電阻的模擬。
有許多申請是關於流體導電率的測量，包括美國申請No.4132944，4634982，6169394和6232783，所有這些均是基於導電率的應用的代表性例子。
上述兩個量度受溫度和其它因素的影響很大。在很多情況下，這些廣泛變化背後的精確理論並不是直接已知或可以可靠預測的，其變化很大程度上依賴於組成。
過去人們對導電率和介電性質一起進行測量以嘗試簡化和解決上述強調的許多問題。美國專利No.4516077和6169394代表了這種方法。在後一專利中，對流體的電阻抗(也就是，並聯電阻和電容的效應)進行綜合測量。不幸的是，該方法採用複雜電子設備產生範圍廣泛的激發頻率，但是沒有提及例如溫度依賴等的變化。
在美國專利No.4516077中描述了在包括有限數目溶劑的溶液中有用的傳感器，所述溶液包括水、乙醇和乙二醇。該發明包括以下方法，對流體進行電子充電、斷開充電設備，然後測量流體電荷消耗所需的時間(稱為「固有時間常數)。該發明實質上測量了極化和電荷在沒有任何外部電影響下重新達到平衡的再擴散率，該方法受溫度和流體流速的影響很大。
電極-流體界面使得對任一流體性質的測量變得複雜。每個上述界面包括其本身的電阻和電容，眾所周知，它們通常比流體本身的電阻和電容都大。在流體中引入電流導致的電化學反應會引起電極腐蝕和汙染。通常需要對傳感電壓和電流進行放大和信號調節從而提供適當的讀數。在以前的發明中幾乎沒有提出這些和其它問題。
因此，需要研究出一項利用流體的電性質以提供重要量度的發明，同時避免上述複雜問題。
發明概述本發明涉及一種測量流體和含流體物質的存在和各種性質的方法。與現有方法相比，其在範圍、靈敏度以及對溫度和流體流動的相對不敏感性方面作出了改進。此外，該方法簡化了設計和測量。
本發明包括用於控制和測量經簡化的電化學電池的各種電化學效應的方法和裝置。然而，所測量的潛在效應本質上是複雜的。本發明對這些效應的一些單獨的影響進行了控制，而得到比現有技術優越的測量，本文中稱為「瞬時導抗響應(Transient Immitivity Response)」，簡寫為TIR。
本發明的首要特徵是採用位於電池外部的電容來積累、控制和限制流經電池的電流。瞬時導抗響應是指所述電容與電化學電池內部的電流傳送機構之間的相互作用。這些相互作用產生了所述外部電容充電和放電的複合速率，所述速率可以通過許多不同的方法進行測量。可以調整所述電容、電池的結構以及其它外部構成以增強或減少不同電荷傳送機構的效應，使本發明實際上適合於任意流體。所述瞬時導抗響應是指與時間相關的、電荷流經電池並在外部電容上積聚的複合速率。
根據本發明的一個實施方案包括相互分隔放置的兩個電極，所述兩個電極均與待測流體相接觸。該實施方案包括激勵電源，從而向第一電極提供隨時間變化的激勵電壓。所述激勵電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換。在第一電極上交替施加第一和第二電壓水平並持續特定時間階段。所述激勵電源具有低的電源電阻，從而可以在最短時間內提供足夠電流以改變第一電極的電勢，因此可以迅速地對第一電極的電容進行充電。
根據本發明，在第二電極和電接地或電路接地之間具有確定的電容。所述接地端具有確定的電壓。該實施方案還包括電壓檢測器，用於檢測引入上述確定電容上的傳感電壓。所述傳感電壓與由於將激勵電源施加在第一電極上而經流體從第一電極傳導至第二電極的電荷成比例。所述電壓檢測器對電接地具有非常高的電阻，從而基本上沒有電流從電池流經該檢測器。適當的電壓檢測器的例子包括輸入電阻大於1011歐姆的電流產生FET電晶體、運算放大器和CMOS邏輯電路。
在該實施方案中，在流體存在時，激勵電源的電壓水平保持恆定至少到電池達到平衡。如果沒有流體存在，在傳感或檢測裝置處檢測不到電壓。如果流體處於平衡狀態，本實施方案中電化學電池的所有部分具有基本上與激勵電壓相同的電壓，在第二電極測出的電壓基本上等於第一電極的電壓。然後將第一裝置的激勵電壓轉換至第二電壓水平。所述電池將在此第二電壓水平下工作直至達到平衡。
所述實施方案進一步包括一種手段，以確定在第一和第二確定電壓水平之間轉換以及當所述電容的傳感電壓達到一個或多個選定電壓水平時的一個或多個時間間隔。這些時間間隔代表了流體的瞬時導抗響應。此外，在第一和第二確定電壓水平轉換之後，該手段可以測量在一個或多個預定時間間隔的在所述電容上得到的電壓。而且，對瞬時導抗響應的Δ電壓/Δ時間性質進行測量。第二電極處的電壓水平是電極界面和流體的所有電阻和電容、以及第一激勵電源電壓變化的與時間相關的函數。所述實施方案能夠進一步提供作為數字或模擬輸出的瞬時導抗響應。缺少變化的傳感電壓可能指示電極間缺少流體。單個時間或速率測量體現了本發明的基礎，但是對所述電化學電池系統的與時間相關的響應的兩個或多個測量可以用於解釋更加微妙的信息。
本發明還包括採用所述裝置獲得流體瞬時導抗響應的方法。首先，選擇第一和第二電極，兩個電極相互分隔放置，均與流體接觸。然後在第一電極上施加隨時間變化的激勵電壓。在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換所述激勵電壓，從而在第一電極上交替施加第一和第二確定水平並持續特定時間階段。所述激勵電源進一步的特徵在於其具有低電阻，從而當激勵電壓在第一和第二確定電壓水平之間轉換時具有最小的轉換時間。
所述方法進一步包括在第二電極和電或電路接地之間提供確定的電容。所述接地端具有確定電壓。然後檢測被引入到電容上的傳感電壓。所述傳感電壓與將激勵電源施加在第一電極上而經流體從第一電極傳導至第二電極的電荷成比例。採用的檢測器優選具有高輸入電阻從而使外部電流最小。
檢測在電容上誘導產生的傳感電壓之後，確定在第一和第二確定電壓水平之間轉換以及當第二電極的傳感電壓達到一個或多個特定電壓水平時的一個或多個時間間隔。此外，可以測量從激勵電源在第一和第二確定電壓水平之間轉換時在預定時間間隔達到的一個或多個電壓水平。這些時間間隔和電壓水平代表了流體的瞬時導抗響應，隨後可以作為數字或模擬輸出來提供。
已知上述電阻和電容本身是測定下的流體、流體流動、溫度、電勢和其它影響的函數。本發明所測量的這些影響的特定結合可以減少對流動和電勢的依賴，同時還減少由於流體組成所導致的溫度依賴性的變化。
因此，本發明的一個目的是提供一種流體傳感器，以克服現有技術中的多個缺陷。
本發明的另一個目的是提供一種傳感器，檢測多種流體和含流體材料的存在。
本發明進一步的目的是提供一種傳感器，能夠定性測量各種溶劑和流體組成之間的區別。
通過以下附圖及其詳細說明，本領域技術人員將理解本發明的其它特徵、目的和優勢。
附圖的簡要說明通過以下對附圖的詳細描述，上文所述的本發明的特點和優勢將變得顯而易見。在不同的附圖中，相同的附圖標記指示相同的結構元件，其中附
圖1是兩電極電化學電池通常所接受的電子類似物的示意圖。
附圖2A是電壓變化特徵的圖形。
附圖2B是電容的示意圖。
附圖2C是描述附圖2B中電容和附圖2A中電壓變化之間反應的圖形，以及由該變化誘導的間接電流(indirect curren)。
附圖3A是與附圖2A中相同的電壓變化特徵的圖形。
附圖3B是顯示並聯連接的電容和電阻的示意圖。
附圖3C是描述附圖3B中並聯電阻和電容(導納)對附圖3A中電壓變化的反應的圖形。
附圖4A是與附圖2A和3A中相同的電壓變化特徵的圖形。
附圖4B是顯示導納以及連接在導納輸出和接地之間的電容的示意圖。
附圖4C是顯示當電容放置在檢測端和電接地之間時導納對附圖4A中電壓變化的反應的圖形。
附圖5是顯示某些飛機液壓油在溫度範圍內其電阻研究的結果圖形。
附圖6是顯示根據本發明的優選實施方案對某些飛機液壓油在溫度範圍內進行測量的結果的圖形。
附圖7是採用本發明的優選實施方案在濃度範圍內對多個水溶液測量的結果的圖形。
附圖8A-D是顯示用不同的已知方法和本發明對蒸餾水溫度特徵的比較研究結果的圖形。
附圖9A-D是顯示用不同的已知方法和本發明對自來水溫度特徵的比較研究結果的圖形。
附圖10A-D是以代表附圖8A-D和附圖9A-D方法中相對於組成變化的溫度特徵的方式，分別顯示附圖8A-D和附圖9A-D的結果的圖形。
附圖11A是根據本發明一個實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖11B是用附圖11A的裝置進行測量的代表性波形。
附圖12A是根據本發明一個可選實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖12B是用附圖12A的裝置進行測量的代表性波形。
附圖13A是根據本發明另一可選實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖13B是用附圖13A的裝置進行測量的代表性波形。
附圖14是用附圖13A所示實施方案確定電池電容量的結果圖形。
附圖15是根據本發明另一可選實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖16A是根據本發明另一可選實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖16B是用附圖16A的裝置進行測量的代表性波形。
附圖17A是根據本發明另一可選實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖17B是用附圖17A的裝置進行測量的代表性波形。
附圖18A是根據本發明另一可選實施方案的測量裝置的示意圖。
附圖18B是用附圖18A的裝置進行測量的代表性波形。
發明詳述附圖1是一種公知的電化學電池參數及其與本發明相關的電子模擬物的比較示意圖。兩電極電化學電池概念上可分為第一或激勵電極界面A，流體區域B，以及第二或傳感電極界面C。附圖1顯示了用垂直點劃線分界的所述三個部分。這三個部分限定了電流在激勵電極1和傳感電極2之間的流動路徑。流體區域B具有已知的來自原子和分子極化以及流體中任一離子物質分離所產生的電容Cf。所述流體同時還具有已知的導電率或電阻Rf。這兩個影響可以構成並聯電阻和電容即公知的導納模型。
參見附圖1，兩電極界面A和C也可以構成導納模型。已知由於在電極和流體的擴散體積之間形成有層狀分子層，因此電極-流體界面具有一電容。所述分子層稱為Helmholtz層，其電荷分離，從而形成電容，Cee和Cse，類似於電容器的兩個靠得非常近的分隔放置的板。同樣公知的是，這些層的排列和電容依賴於存在的電勢，而通常的電容器不存在上述情況。每個電極界面A和C同樣對電流具有已知的電阻Ree和Rse。
附圖2A，2B和2C表示了公知的電容器C對快速電壓變化的反應。附圖2A顯示了在附圖2B中電容C其中一側的電波形。只要在短時間內有足夠的電流對電容器C進行充電，電容C激勵側的電壓將迅速跟隨激勵電壓。在該例以及以下例子中，假設在激勵側具有理論電壓源，其輸出阻抗為0，在檢測側具有輸入放大器，具有高電阻(＞1012歐姆)以及接地的零電容。激勵電壓開始為低電壓，然後迅速變成高的正電壓。
在附圖2A-C中，穩態或直流電壓被電容器C阻斷。但是，激勵電壓的迅速改變產生了間接電。這是電容器C中的靜電場導致的——當電荷位於一側，另一側上的電荷重新排列產生等於激勵電荷的電荷，但是極性相反。由於具有與激勵電壓相同極性的電荷衝出，並被具有相反極性的電荷代替，因此這就導致了在檢測側產生了短暫、瞬時的電流。附圖2C顯示了可能在電容器C的檢測側產生的波形4。所測量的電壓與以下成比例Vout=C*dVindt]]>其中C＝電容，t＝時間，Vin＝激勵電壓的改變。
如上述方程所示，脈衝幅度依賴於激勵電壓(Vin)改變的迅速程度。電壓非常快速地升高將產生等於激勵電壓變化的脈衝幅度，但是不會比它大。電容器含有的電荷量與存在的電容器兩端的電壓及其電容有關，如下所示q＝CV其中，q＝電荷，C＝電容，V＝電容器兩端的電壓。
在電容器C檢測側的結果脈衝的電流量等於由於激勵電壓的改變而導致的電容器C電荷的改變。由於本發明採用的輸入放大器具有大而有限的輸入電阻，經過所述電阻時電荷將被耗盡。如果沒有通路使檢測側的電流流過，當電容器C達到靜電平衡時，電壓將等於激勵電壓。如果在檢測側放置接地的較低電阻，由於具有接地的較低電阻通路，電荷很快被耗盡，因此脈衝的寬度將縮小。對於快速升高的激勵電壓(激勵電壓改變的時間＜Δt)，所述脈衝形狀等於Vout=Vin*e-tRC]]>其中，R＝檢測側接地的電阻，C＝電容，e＝歐拉(Euler’s)數(自然對數的底數)，t＝時間增量。
該方程與電容放電的方程相同，其具有充分的理由。電容器「儲存」的電荷量與其從激勵電源吸收的相同，也與以該間接電所釋放的相同。電容器實質上並不存儲任何淨電荷——其維持電荷的分離。所需要的對電容器進行「充電」的電流實質上轉移至另一側。在該過程中，形成電荷分離而且將其保持在電容器上，直至電容器放電時電荷被重新結合。
附圖3A，3B和3C表示了導納及其對快速變化的電壓的反應。附圖3A顯示了激勵波形3，其由快速轉換成正電壓的負電壓所組成。附圖3B的電路與附圖2B中的電路的主要區別在於其包括了並聯電阻Rp。
經過並聯電容器Cp的間接電流再次使電壓迅速升高至全激勵電壓。經過並聯電阻Rp的電流將保持該電壓，同時對電容器Cp進行放電，所檢測的波形5參見附圖3C。如果在檢測側加上接地的較低電阻，經過電容器Cp的間接電流仍然引起電壓瞬間升高至全激勵電壓。然後電壓以一定速率下降至某一電壓水平，所述速率由接地電阻確定，所述電壓水平由並聯電阻Rp和接地電阻的分壓決定。
通過比較，附圖4B採用了附圖3B的導納，並在檢測側增加了接地電容Cout。如前所述，如果在導納的輸出端增加電阻，由於間接電流流經電容Cp，電壓仍然會瞬間升高。相反，在輸出端採用電容Cout將由於間接電流流經導納電容Cp而導致的電壓升高降至最小。所述電荷立即被兩個電容Cp和Cout「分配」，減小了檢測的瞬時電壓升高。可看出的瞬時電壓升高是兩個電容Cp和Cout分配電流的結果，與電容比率成比例，如Vout=Vin*(CoutCp+Cout)]]>當輸出電壓小於輸入電壓，兩個電容器Cp和Cout將繼續從導納電阻Rp吸取電流，從而為接地電容Cout充電，並將導納電容Cp放電至輸入電壓水平。上述為互補的過程，表示為Vout=Vin*(1-e-tRpCout)]]>Vout=Vin*e-tRpCp]]>接地電容充電導納電容放電實際上，在考慮了初始、即時的間接電流流經導納電容Cp之後，可以將兩個電容Cp和Cout看作是兩個並聯充電電容。可以對並聯電容進行求和，得到它們的聯合影響，因此Vout=Vin*(1-e-tRp(Cp+Cout))]]>將上述方程與經過導納電容器Cp的間接電流的分配電流方程結合起來，作為接地電容器Cout，得到Vout=Vin*[1-(CoutCp+Cout)*e(-tRp(Cp+Cout))]]]>在特殊情況下，Vin迅速而且不連續地從0伏改變至Vin，該方程給出了附圖4A-4C中電路輸出電壓的準確描述。附圖4C所示的輸出波形顯示了瞬時電壓升高6和由上述方程表述的充電/放電波形7，但是經雙極激勵電源電壓調整。
所述電路的一個顯著特徵是，就間接電流而言，Cp電容的影響比充電電流大。換言之，通過流過的間接電流，Cp縮短了輸出電壓升高時間，其對輸出電壓升高時間的影響大於通過並聯電阻Rp的放電而延長升高時間。其原因是，非直接電流瞬時流過，而充電/放電電流與時間相關。其與導納電容Cp的預期效果相反——實際上較大的值縮短了電路的總體升高時間，由以下決定Vin-Vin*CoutCp+Cout]]>附圖3B和4B中所示的導納電路也可以用於簡化附圖1中所示的常見電化學示意圖。在此情況下，附圖1的電路被認為是電阻Ree，Rf和Rse的串聯組合與電容Cee，Cf和Cse的串聯組合相併聯。換言之，附圖3B和4B的導納值可以用以下代替Rp＝Ree+Rf+Rse以及
Cp=11Cee+1Cf+1Cse]]>在上述方程中，其對電路行為進行了良好的初步近似和簡化描述。從上述方程可以發現另一個有趣點——即三個導納電容器的電容越小，其對電路具有最大的影響。這是非常重要的，這是因為是流體電容Cf幾乎總是比電極界面Cee和Cse的電容小的多。其原因非常簡單，源自所使用的探針的幾何形狀，其中可以從簡單平板電容的通用方程計算出電容C=AD]]>其中，ε＝總的電容率，A＝每塊板的面積，D＝板間距離。
由上述可知，板間距離越大，電容越小。在附圖1的電極界面A和C中，電容Cee和Cse板間的距離為分子水平，電極表面至「擴散」層和/或Helmholtz層表面之間的距離以埃或納米計。電極本身通常用毫米至分米的範圍分隔開，即流體電容Cf的距離。在該方法中，流體電容Cf起主要作用，有助於消除某些影響電極界面A和B的電容Cee和Cse的電化學效應，例如公知的由於施加電壓而發生的改變。
如果檢測側很少或沒有通路接地，也就是說，當傳感放大器阻抗非常高，通過導納的唯一電流是需要對導納電容Cp進行放電以及對輸出電容Cout進行充電的電流。其限制了經過流體的電流量，從而也減少了電極表面和流體中可能發生的化學變化。通過採用雙極激勵電壓和/或當進行測量時僅僅與激勵電壓連接，可以進一步減少上述效應。
同樣，當採用高輸入電阻輸入放大器，當電池達到平衡，傳感電壓將接近或等於輸入電壓，因此傳感電壓將與輸入電壓一樣大。這就意味著很少需要或不需要信號調節或放大。在輸入放大器上加上較小的接地電阻將減少傳感電壓，導致額外電流恆定通過電池。
本發明測量了傳感電壓達到特定電壓所需的時間，或在特定時間內達到的電壓。前者可以使用任一電壓水平，但是對於雙極激勵電壓採用電壓水平為0伏，或者是流向和來自接地端的激勵電壓的一半可以使設計更加簡單，並有助於減少電噪聲的影響。所述時間間隔或電壓給出了對本文所述複雜效應的單個測量。上述測量是公知的，非常適合於數字電路或轉換成模擬信號。
大多數流體對於溫度升高具有可預測的反應，包括流體電阻和電容以不同的通常為非線性的速率下降。其它方法需要複雜的補償以說明這些變化，特別是當流體組成發生變化。在本發明中，可以調整不同的設計元件、探針結構和輸入電容，從而使系統對多個溫度變化進行「自補償」。如果流體電容隨著溫度的升高而下降，瞬時導抗響應將升高，然而流體電阻的下降將降低瞬時導抗響應。
附圖5和6表示對飛機液壓油進行研究的數據。出於成本的原因，在飛機系統中從不完全替換這些油。相反，給空運維修人員的指導方針是加滿所缺少的油。所述油的特殊分解模式產生了酸性成分，其可以導致液壓系統部分的破壞性腐蝕。附圖5和6中的兩個圖表示了流體電阻的讀數和本發明分別對新油、用過的油以及兩者的混合樣品進行的測量，所述混合物中兩者的混合比例為50∶50。
特別地，附圖5是一組在不同溫度下對上述樣品的電阻讀數，並顯示了在溫度範圍內使用電阻(或導電率)測量可能遇到的問題。在兩個例子中，採用相同的兩個簡單銅絲探針。對於電阻，採用具有HP5306A多用途儀表的Hewlett Packard(HP)5300測量系統。在使用中，不能對該方法進行溫度補償，其原因是新油的讀數與其它樣品的讀數相交叉。即使知道讀數是在某一特定溫度下讀取的，也無法知道如何進行補償，這是因為不可能將組成效應與溫度效應區分開來。
附圖6顯示了採用本發明的結果。對於用本發明進行的測量，採用GW GFG8016G信號發生器作為激勵電源，採用Tektronix TDS 210示波器進行測量，具有10Mohm×10的探針。所述探針的電容和示波器的輸入電路系統本身用作輸入電容器，Cout。附圖6顯示了用該方法可以清楚區分組成效應和溫度效應。在此情況中，需要進行簡單的溫度補償從而在寬的溫度範圍內對油進行準確的定性測量。
附圖7顯示了採用本發明對四個不同水溶液進行濃度測量的結果。所述結果顯示該方法的離子靈敏度類似於常規導電率的測量。在此情況下，所述組成對水的介電常數改變極小，但是改變了影響Cout和Cp充電/放電的流體電阻。顯然，可以在PPB或更小範圍內進行測量，濃度越小，靈敏度最大。
更重要地是，附圖6和7顯示可以用本發明進行檢測的範圍廣泛的流體。通過調整探針設計和傳感放大器輸入電容，實際上可以用該方法定性檢測任意流體或含有流體的材料。
附圖8A-D，9A-D和10A-D顯示了對如圖6所示的本發明和三個常用方法的比較導電率、電容和固有時間常數。附圖8A-D顯示了附圖8A的本發明和其它三個方法的結果，附圖8B顯示了電阻或導電率的倒數，附圖8C顯示了電容，附圖8D顯示了固有時間常數，所有均是在80-200°F範圍內對蒸餾水進行測量。附圖9A-D顯示了分別用所述四個方法在同樣溫度範圍內對自來水進行測量的結果。附圖10A-D分別比較了每個方法的結果，採用蒸餾水的結果對自來水的結果作圖。
選擇自來水作為常用的複合電解液。比較附圖8A-D和附圖9A-D的結果，其清楚地顯示，除了本發明的方法，其它每個方法均對溫度變化具有響應，並依賴於流體組成的變化程度，從而每個方法都具有不同的特徵曲線。在附圖8A-D和9A-D中，本發明具有非常類似的特徵溫度響應。
在附圖10A-D中，對每個方法用蒸餾水的響應和自來水的響應作圖，進一步顯示這些區別。附圖10A代表本發明，顯示對蒸餾水和自來水的溫度響應之間具有非常好的線性關係。這意味著，雖然所述測量對所述流體的組成均有明顯的敏感性，但是本發明對於由於組成改變所導致的與溫度相關的效應不敏感。附圖10B，10C和10D顯示了所述三種已知方法具有溫度響應，所述溫度響應根據流體組成變化非常大。
對於準確使用任一定性流體檢測系統，需要進行溫度補償。這些圖形顯示，三種已知方法(導電率、電容和固有時間常數)還要求對流體組成有一定的了解，從而進行準確的溫度補償。然而，對於本發明來說，在廣泛的溫度和流體組成範圍內，單個補償就可以了，因此只需要了解溫度。
附圖11A顯示了根據本發明的基本測量裝置。激勵信號源8與激勵電極9直接相連。電極9和10浸在流體樣品12中。傳感電極10連接輸入電容為Cout的輸入放大器11。採用本發明進行的任一特定的單個測量提供了代表電池中不同電化學效應的值，主要是流體和電極界面的電阻和電容。附圖11B顯示用該電路進行測量得到的代表性波形。
附圖12A顯示了本發明的另一實施方案。在該實施方案中，採用差動放大器11對激勵電極9和傳感電極10之間的電壓差進行測量。激勵電極9的電壓減去傳感電極10的電壓給出了電池平衡狀態的量度。當處於平衡時，電壓接近於0，這是由於兩個電極的電壓實際上是相同的。當激勵電壓轉換至新的電壓水平，所述輸出電壓立即升高至電壓狀態之差，在新的激勵電壓下電池達到平衡，輸出電壓又減少至接近0伏，其如圖12B所示。對於達到特定電壓水平的時間間隔和在特定時間間隔達到的電壓，也可以測量所述脈衝輸出，其中的任一個都是瞬時導抗響應的量度。
附圖13A顯示了本發明的另一個實施方案，包括加入串聯電阻Rs。在該實施方案中，激勵信號源8通過串聯電阻Rs與激勵電極9相連。電極9和10浸在流體樣品12中。傳感電極10與輸入電容為Cout的輸入放大器11相連。通過進行兩次或多次測量，每次串聯電阻Rs(可以是零電阻)具有不同的值，兩次測量之間的區別主要是串聯電阻Rs和系統電容之間所形成的時間常數的結果。附圖13B顯示了該實施方案的兩個代表性波形，一個為低Rs，另一個為高Rs。
附圖14顯示了如何利用上段所描述的以及附圖13B中顯示的測量區分由於溶劑改變而導致的性質改變。附圖14中，對蒸餾水、乙醇和兩者各50％的混合物樣品，用它們的升高時間對串聯電阻Rs進行作圖。每個均具有清楚顯著的斜率。所述斜率基本上與電容以及由此的流體介電常數成比例。
附圖15顯示了類似於附圖13的本發明的另一個實施方案，其包括一加入的串聯電阻。在附圖15中，採用電阻隨溫度改變的電子組件可以作為簡單的溫度補償方法。通過用元件RPTC代替串聯電阻Rs，所述元件RPTC例如熱敏電阻、包括一個或多個熱敏電阻的電阻網絡、或能夠響應溫度變化改變電阻Rs的電路，然後將元件RPTC與流體熱接觸，從而可以構建自我補償探針。通過適當地與探針和流體相匹配，當溫度變化時，元件RPTC可以改變瞬時導抗響應，從而補償溫度的改變。如前所示，製作上述的在廣泛溫度和流體組成範圍內適用的自我補償探針，本發明可以對組成溫度依賴性不敏感。
附圖16A顯示了本發明的另一實施方案，在激勵電源上增加串聯電阻。與流經電池進入輸入電容的電流相反，所述實施方案可以對進入電池的電流進行測量。在該實施方案中，電壓傳感裝置跨接在串聯電阻Rs上。所測得的電壓等於由電池帶動的電流乘以Rs的電阻，附圖16B為輸出波形。在此情況下，由於電池電流的最大量主要由串聯電阻Rs和激勵電極界面電容Cee決定，電壓波形的最高值可以隨著瞬時導抗響應而改變。所述峰值電壓改變在某些情況下可用於增加測量的靈敏度，以及主要用於測量激勵電極電容Cee。
附圖17A顯示了本發明的另一實施方案，其有些類似於附圖16所示的方案。在該實施方案中，電壓傳感裝置與激勵電極和電路接地相連。所測得的電壓等於激勵電壓減去電流通過Rs所產生的Rs的兩端電壓，如下Vout=Vin-(IRs*Rs]]>附圖17B顯示了附圖17A電路的波形。在該例中，所達到的最高電壓基本上為Vin，而不是由附圖16A所示電路中流經Rs的電流所決定的電壓。
附圖18A顯示了本發明的另一個實施方案，其中電壓傳感裝置與激勵電極9和傳感電極10相連，如附圖12A所示。在該實施方案中，儘管類似於附圖13至17所示，在激勵電源8和激勵電極9之間加入串聯電阻Rs。附圖18B顯示了該實施方案的代表性波形。如附圖12A-B所示，所述實施方案產生代表電池平衡狀態的電壓脈衝，但是所述脈衝的最高電壓峰值限於激勵電壓輸入減去串聯電阻Rs兩端的電壓降，所述電壓降的原因是電流流過串聯電阻Rs。
儘管參照優選實施方案對本發明進行了描述，但是本領域技術人員應這樣理解，在不偏離本發明精神的情況下，可以對其進行某些替換、更改或省略。因此，上述描述僅僅作為示例，而不是對下述權利要求所要求的本發明範圍的限制。
權利要求
1.一種獲得流體瞬時導抗響應的裝置，包括第一電極和第二電極，所述第一和第二電極相互分隔放置，並均與流體接觸；為第一電極提供隨時間變化的激勵電壓的激勵電源，所述激勵電源能夠在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換；位於第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地具有確定的接地電壓；用於檢測位於所述裝置預定位置的傳感電壓的電壓檢測器；用於確定在第一和第二確定電壓水平之間轉換的一個或多個時間間隔的計時裝置，其中所述一個或多個時間間隔可與每個間隔的傳感電壓相關，並且每時間間隔的傳感電壓測量代表瞬時導抗響應的速率。
2.如權利要求1所述的裝置，其中在第一電極上交替施加第一和第二電壓水平並持續特定時間階段。
3.如權利要求1所述的裝置，其中所述傳感電壓與由於在第一電極上施加激勵電壓而從第一電極經流體流向第二電極傳感電壓的電荷成比例。
4.如權利要求1所述的裝置，其中電壓檢測器具有高輸入電阻，以使外部電流最小。
5.如權利要求1所述的裝置，其中計時裝置能夠確定傳感電壓何時達到一個或多個經選擇的電壓水平。
6.如權利要求1所述的裝置，其中電壓檢測器能夠確定在一個或多個時間間隔的傳感電壓。
7.如權利要求1所述的裝置，其中每時間間隔的傳感電壓的變化速率作為數字或模擬輸出而被提供，所述速率代表流體瞬時導抗響應。
8.如權利要求1所述的裝置，其中激勵電源具有最小的輸出電阻，從而使第一電極的電容在接收激勵電壓時立即充電。
9.如權利要求1所述的裝置，其中連接電壓檢測器以檢測電容兩端的電壓。
10.如權利要求1所述的裝置，其中連接電壓檢測器以檢測第一電極和第二電極之間的電壓。
11.如權利要求1所述的裝置，其中將串聯電阻電連接於激勵電源和第一電極之間。
12.如權利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測器以檢測電容兩端的電壓。
13.如權利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測器以檢測串聯電阻兩端的電壓。
14.如權利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測器以檢測接地端和第一電極之間的電壓。
15.如權利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測器以檢測第一電極和第二電極之間的電壓。
16.如權利要求1所述的裝置，其中在激勵電源和第一電極之間連接響應流體溫度變化的可變電阻。
17.一種獲得流體瞬時導抗響應的裝置，包括第一電極和第二電極，所述第一和第二電極相互分隔放置，均與流體接觸；為第一電極提供隨時間變化的激勵電壓的激勵電源，所述激勵電源能夠在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間相互轉換，在所述第一電極上交替施加第一和第二電壓水平並持續特定時間階段；位於第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地具有確定的接地電壓；能夠檢測由於在第一電極上施加激勵電壓從而流經流體的電荷的檢測裝置，其中所述檢測裝置具有高輸入電阻，以使外部電流最小；以及能夠確定每時間間隔一個或多個電荷變化速率的測定裝置，上述一個或多個速率代表流體的瞬時導抗響應，所述測定裝置能夠提供作為數字或模擬輸出的瞬時導抗響應。
18.一種獲得流體瞬時導抗響應的方法，包括以下步驟；a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極分隔放置；b)在第一電極上施加激勵電壓，所述激勵電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換；c)在第二電極和電接地或電路接地之間提供電容，所述接地端具有確定的接地電壓；d)檢測通過串聯電阻在第一電極上所施加的激勵電壓而導致的傳感電壓；以及e)確定每時間間隔所述傳感電壓的一個或多個改變速率，上述速率代表了流體的瞬時導抗響應；以及f)提供作為數字或模擬輸出的代表瞬時導抗響應的測量速率。
19.如權利要求18所述的方法，其中在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓水平並持續特定時間階段。
20.如權利要求18所述的方法，其中所述串聯電阻為0。
21.如權利要求18所述的方法，其中所述傳感電壓與由於在第一電極上施加激勵電壓而從第一電極經流體流向第二電極傳感電壓的電荷成比例。
22.如權利要求18所述的方法，其中通過高輸入電阻進行所述檢測步驟，從而將外部電流降至最小。
23.一種獲得流體瞬時導抗響應的方法，包括以下步驟；a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極相互分隔放置；b)在第一電極上施加隨時間變化的激勵電壓，所述激勵電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換，在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓並持續特定時間階段；c)提供接觸於在第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地端具有確定的接地電壓；d)檢測由於在第一電極上施加激勵電壓而得到的傳感電壓，其中通過高輸入電阻進行所述檢測步驟，從而將外部電流降至最小；以及e)確定每時間間隔所述傳感電壓的一個或多個改變速率，上述速率代表了流體的瞬時導抗響應；以及f)提供作為數字或模擬輸出的代表瞬時導抗響應的測量速率。
24.一種區分具有不同介電常數的流體的方法，包括以下步驟a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極相互分隔放置；b)在第一電極上施加隨時間變化的激勵電壓，所述激勵電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換，在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓並持續特定時間階段；c)提供接觸於第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地端具有確定的接地電壓；d)由於在第一電極上施加激勵電壓，電荷從第一電極經流體流至第二電極，檢測與所述電荷成比例的傳感電壓，其中以高輸入電阻進行所述檢測步驟，從而將外部電流降至最小；以及e)重複步驟a-d)，從而實現兩個或多個瞬時導抗響應測量，其中用施加在激勵電壓上的串聯電阻的不同值確定每個測量結果；以及f)提供作為數字或模擬輸出的代表瞬時導抗響應的測量速率。
25.如權利要求24所述的方法，其中的一個測量是以電阻值為零的串聯電阻進行的。
26.一種測量流體瞬時導抗響應的方法，包括以下步驟；a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極相互分隔放置；b)在第一電極上施加隨時間變化的激勵電壓，所述激勵電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉換，在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓並持續特定時間階段；c)在激勵電壓和第一電極之間提供可變電阻，其電阻響應於流體的溫度變化；d)提供接觸於第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地端具有確定的接地電壓；e)檢測與由於在第一電極上施加激勵電壓而從第一電極經流體流至第二電極的電荷成比例的傳感電壓，其中以高輸入電阻進行所述檢測步驟，從而將外部電流降至最小；以及f)確定每時間間隔所述傳感電壓的至少一個改變速率，上述速率代表了流體的瞬時導抗響應；以及g)提供作為數字或模擬輸出的代表瞬時導抗響應的測量速率。
全文摘要
一種獲得電化學電池(12)不同性質量度的裝置和方法。所述裝置包括第一(9)和第二(10)電極，以及為第一電極(9)提供隨時間變化的激勵電壓的激勵電源(8)。所述激勵電壓(8)在交替施加於第一電極上的第一和第二電壓水平之間轉換，所述第一和第二電壓水平在第一電極上持續預定時間。外部電容(C
文檔編號G01N27/416GK1623087SQ02828439
公開日2005年6月1日 申請日期2002年11月18日 優先權日2002年3月1日
發明者艾倫·R·桑普森, 羅伯特·E·戴維斯 申請人:艾倫·R·桑普森, 羅伯特·E·戴維斯