基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置及方法

2023-12-06 08:12:06 1

專利名稱：基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及電導檢測技術，尤其涉及一種基於串聯諧振的電容耦合式非接 觸電導的測量裝置及方法。
背景技術：
管道中的液相物系廣泛存在於冶金、化工、醫藥、生物和汙水處理等部門 的科研和生產的過程中，液體相關物理參數的檢測對各部門的科研和生產有著 重要的意義，其中，電導率是液體的基本物理參數之一，電導率的檢測對分析 管道中液體的其他特性參數有著重要的作用，如濃度、液體組分、化學反應速 率等。正是因為液體的很多物理、化學特性差異都會反映為其電導率的變化， 管道中液體電導率的測量在生產和科研中的應用範圍非常廣泛。
對電導率的測量方法有電極電導率測量法、電磁電導率測量法和超聲波電 導率測量法。前兩種較為普遍。但是，電磁電導率測量法僅能測量高電導率的 溶液，測量範圍較窄，並且造價較高。電極電導率測量法電極結構相對簡單， 造價較低，測量範圍廣泛。
電極電導率測量法分為接觸式檢測和非接觸式檢測兩種。接觸式電導檢測 由於電極直接與溶液接觸，電極容易被極化，且易被溶液汙染，從而影響測量 的準確度，縮短電極的使用壽命，並且要在管道上鑿孔安裝電極，使得電極的
使用很不方便。1998年，Zemann等和Fracassi da Silva等分別提出了用於毛細 管道上的電容耦合式非接觸電導測量方法，這種非接觸式電導測量方法使用的 電極僅簡單地套在管道外壁，電極與管道中的溶液形成耦合電容，管道中的導 電液體等效為電阻，它們共同構成了一個電容一電阻一電容串聯的等效電路， 當施加交流電壓時，就會產生交流電流，這個電流即可反應管道中溶液電阻的 大小。這種非接觸式電導由於極片不與管道中的溶液接觸，保持了電極的潔淨 性，延長了電極的使用壽命，並且毛細管只需穿過環狀電極即可完成安裝，電 極結構簡單，從而使得這種方法受到越來越多的關注。
現有的電容耦合式非接觸電導裝置由於耦合電容和寄生電容的影響，所能 測量的電導率範圍較小，解析度不高，不適宜用於濃度較高溶液電導率的測量。 本發明針對這一現狀，加入了電感模塊，利用串聯諧振的方法，抵消了耦合電 容和寄生電容的影響，擴大了測量範圍，提高了解析度。

發明內容
本發明的目的是提供一種穩定、可靠的基於串聯諧振的電容耦合式非接觸 電導的測量裝置及方法。
基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置包括電導傳感器、信號 發生器、電感模塊、整流濾波電路、數據採集模塊、計算機，電導傳感器包括 絕緣測量管道、激勵電極、檢測電極、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，檢測電極的外圍設有金屬屏蔽層，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^^集模塊、計 算機相連接。激勵電極與電感模塊之間的導線、電感模塊與信號發生器之間的 導線採用屏蔽導線。
所述的基於串聯諧振的電導檢測等效電路為信號發生器的一端與電感的 一端、導線與其屏蔽層之間形成的第一寄生電容的一端相連接，電感的另一端 與激勵電極和絕緣測量管道內的被測導電溶液所形成的第一耦合電容連接，檢 測電極和絕緣測量管道內的被測導電溶液所形成的第二耦合電容與第一電阻的 一端、金屬屏蔽層與檢測電極之間形成的第二寄生電容的一端相連接，第一寄 生電容的另一端與第二寄生電容的另一端接地。
所述的整流濾波電路為第一電阻的一端、第二電阻的一端、第一電容的 一端與第一運算放大器的反相輸入端相連接，第一運算放大器的正相輸入端通 過第三電阻接地，第一運算放大器的輸出端、第二電阻的另一端、第一電容的 另一端、第七電阻的一端與第四電阻的一端相連接，第四電阻的另一端、第六 電阻的一端、第一二極體的負極與第二運算放大器的反相輸入端相連接，第二 運算放大器的正相輸入端通過第五電阻接地，第二運算放大器的輸出端、第一 二極體的正極與第二二極體的負極相連接，第二二極體的正極、第六電阻的另 一端通過第八電阻與第七電阻的另一端、第十電阻的一端、第三運算放大器的 反相輸入端相連接，第三運算放大器的正相輸入端通過第九電阻接地，第三運 算放大器的輸出端、第十電阻的另一端與第十一電阻的一端連接，第十一電阻 的另一端通過第二電容接地。
基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量方法包括電路在諧振情況 下，感抗和容抗相消，信號發生器輸出的交流信號通過電感模塊對激勵電極進 行激勵，電路在諧振頻率的電壓信號的激勵下發生諧振，電感模塊的感抗抵消 了耦合電容和寄生電容產生的容抗的影響，讓輸出電流只反應被測溶液電導率 的變化。
基於串聯諧振的電導檢測等效電路總阻抗Z為
formula see original document page 6f一輸入電壓的頻率
由於formula see original document page 6 ，電路總阻抗Z可近似為
當電路發生諧振時，電路總阻抗的虛部為0。可求得諧振頻率/。為
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諧振時的整流濾波電路的輸入電壓K的值為: 「 =
w—激勵輸入的電壓值
本發明與現有技術相比具有有益效果
1) 串聯諧振方法的應用，擴大了測量範圍，提高了測量的解析度；
2) 測量方式為非接觸式，避免了電極與管道中溶液接觸，保持了電極的潔淨 性，延長了電極的使用壽命，同時也提高了測量的準確度，防止汙染被測溶液;
3) 電極為環狀結構，管道僅需穿過電極或者僅需在管道外壁塗一層導電物質 即可，電極結構極為簡單，由於不需要在管道上鑿孔安裝電極，適合應用於微 型管道和毛細管道上。
4) 所用檢測極片為導電性良好的金屬物質即可，造價低廉，適合於工業場合 的大規模應用。


圖1是基於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； 圖2是本發明的電導傳感器沿管線方向的剖面圖； 圖3是本發明的電導傳感器沿管截面方向的剖面圖； 圖4是本發明的基於串聯諧振的電導檢測等效電路圖5是本發明的整流濾波電路圖。
圖中絕緣測量管道l、激勵電極2、檢測電極3、金屬屏蔽層4、信號發 生器5、電感模塊6、整流濾波電路7、數據採集模塊8、計算機9。
具體實施例方式
如圖1所示，基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置包括電導 傳感器、信號發生器、電感模塊、整流濾波電路、數據採集模塊、計算機，電 導傳感器包括絕緣測量管道、激勵電極、檢測電極、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，檢測電極的外圍設有金屬屏蔽層，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。激勵電極與電感模塊之間的導線、電感模塊與信號 發生器之間的導線採用屏蔽導線。
利用該裝置和方法測量溶液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，利用電感的感抗抵消耦 合電容和寄生電容的容抗的影響，在檢測電極上得到能夠直接反映溶液電導值 的電壓信號，經採樣、放大、整流及濾波後，通過數據採集模塊將輸出電壓信 號傳輸到計算機上並顯示。
如圖2所示，電導傳感器的結構為在絕緣測量管道的外壁上依次安裝有 兩個環狀金屬極片，間隔距離為/,寬度為W。兩個金屬極片分別為激勵電極和 檢測電極，其中，裝有檢測電極部分的測量管道外壁被金屬屏蔽層包圍。
如圖3所示，在電導傳感器中，檢測電極緊貼管道外壁安裝，其中，從檢 測電極引出的導線穿過屏蔽層，與整流濾波電路相連接。
如圖4所示，基於串聯諧振的電導檢測等效電路圖為信號發生器的一端 與電感的一端、導線與其屏蔽層之間形成的第一寄生電容的一端相連接，電感 的另一端與激勵電極和絕緣測量管道內的被測導電溶液所形成的第一耦合電容 連接，檢測電極和絕緣測量管道內的被測導電溶液所形成的第二耦合電容與第 一電阻的一端、金屬屏蔽層與檢測電極之間形成的第二寄生電容的一端相連接， 第一寄生電容的另一端與第二寄生電容的另一端接地。
信號發生器輸出電壓的頻率為諧振頻率，通過電感後加在激勵電極上，電 感、極片與管道中溶液所形成的耦合電容、極片間的溶液電阻形成一個LCR串 聯迴路。電路的總容抗和感抗相等，電壓u與電流i的相位相同，電路呈現純電阻性。
如圖5所示，整流濾波電路為第一電阻R1的一端、第二電阻R2的一端、 第一電容C1的一端與第一運算放大器A1的反相輸入端相連接，第一運算放大
器A1的正相輸入端通過第三電阻R3接地，第一運算放大器A1的輸出端、第 二電阻R2的另一端、第一電容C1的另一端、第七電阻R7的一端與第四電阻 R4的一端相連接，第四電阻R4的另一端、第六電阻R6的一端、第一二極體 Dl的負極與第二運算放大器A2的反相輸入端相連接，第二運算放大器A2的正 相輸入端通過第五電阻R5接地，第二運算放大器A2的輸出端、第一二極體Dl 的正極與第二二極體D2的負極相連接，第二二極體D2的正極、第六電阻R6 的另一端通過第八電阻R8與第七電阻R7的另一端、第十電阻R10的一端、第 三運算放大器A3的反相輸入端相連接，第三運算放大器A3的正相輸入端通過 第九電阻R9接地，第三運算放大器A3的輸出端、第十電阻R10的另一端與第 十一電阻Rll的一端連接，第十一電阻Rll的另一端通過第二電容C2接地。
第一電阻作為信號取樣電阻，產生的交流信號經過第一運算放大器放大後， 由第二運算放大器、第三運算放大器對其進行全波整流、濾波電路進行低通濾 波後輸出可以採集到的直流電壓信號，能反應被測溶液的電導率信息。
基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量方法包括由於耦合電容和 寄生電容的存在，使得測量結果不能直接反應管道溶液的電導值，使得測量範 圍較小。利用電路在諧振情況下，感抗和容抗相消的原理，信號發生器輸出的 交流信號通過電感模塊對激勵電極進行激勵，電路在諧振頻率的電壓信號的激 勵下發生諧振，電感模塊的感抗抵消了耦合電容和寄生電容產生的容抗的影響， 讓輸出電流只反應被測溶液電導率的變化，從而擴大測量範圍，提高了解析度。
基於串聯諧振的電導檢測等效電路總阻抗Z為formula see original document page 8/一輸入電壓的頻率
由於4^/、2c^ 1 ，電路總阻抗Z可近似為formula see original document page 8當電路發生諧振時，電路總阻抗的虛部為0。可求得諧振頻率/。為
formula see original document page 8
formula see original document page 9
w—激勵輸入的電壓值
己利用0 4mol/L濃度的Nacl溶液在內徑為0.9mm, 1.8mm， 3.04mm的水
平玻璃管道上對本發明所提及的裝置與方法進行了驗證。驗證表明，可以成功 抵消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Nad溶液，現有的非接觸電導的測量方法一般僅能測量O.Olmol/L 以下濃度的Nacl溶液的電導率，而採用本發明所提及的裝置與方法，可以對0 4mol/L濃度的Nacl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. 一種基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置，其特徵在於包括電導傳感器、信號發生器(5)、電感模塊(6)、整流濾波電路(7)、數據採集模塊(8)、計算機(9)，電導傳感器包括絕緣測量管道(1)、激勵電極(2)、檢測電極(3)、金屬屏蔽層(4)，在絕緣測量管道(1)的外壁安裝有激勵電極(2)和檢測電極(3)，檢測電極(3)的外圍設有金屬屏蔽層(4)，激勵電極(2)經電感模塊(6)與信號發生器(5)相連接，檢測電極(3)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所述的一種基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測 量裝置，其特徵在於所述的激勵電極(2)與電感模塊(6)之間的導線、電 感模塊(6)與信號發生器(5)之間的導線採用屏蔽導線。
3. 根據權利要求1所述的一種基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測 量裝置，其特徵在於所述的基於串聯諧振的電導檢測等效電路為信號發生器(5)的一端與電感(L)的一端、導線與其屏蔽層之間形成的第一寄生電容(Cpl) 的一端相連接，電感(L)的另一端與激勵電極(2)和絕緣測量管道(1)內的導 電溶液所形成的第一耦合電容(Cxl)連接，檢測電極(3)和絕緣測量管道(1) 內的導電溶液所形成的第二耦合電容(Cx2)與第一電阻(Rl)的一端、金屬屏 蔽層(4)與檢測電極(3)之間形成的第二寄生電容(Cp2)的一端相連接，第 一寄生電容(Cpl)的另一端與第二寄生電容(Cp2)的另一端接地。
4. 根據權利要求1所述的一種基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測 量裝置，其特徵在於所述的整流濾波電路為第一電阻(Rl)的一端、第二電 阻(R2)的一端、第一電容(Cl)的一端與第一運算放大器(Al)的反相輸入 端相連接，第一運算放大器(Al)的正相輸入端通過第三電阻(R3)接地，第 一運算放大器(Al)的輸出端、第二電阻(R2)的另一端、第一電容(Cl)的 另一端、第七電阻(R7)的一端與第四電阻(R4)的一端相連接，第四電阻(R4) 的另一端、第六電阻(R6)的一端、第一二極體(Dl)的負極與第二運算放大 器(A2)的反相輸入端相連接，第二運算放大器(A2)的正相輸入端通過第五 電阻(R5)接地，第二運算放大器(A2)的輸出端、第一二極體(Dl)的正極 與第二二極體(D2)的負極相連接，第二二極體(D2)的正極、第六電阻(R6) 的另一端通過第八電阻(R8)與第七電阻(R7)的另一端、第十電阻(R10) 的一端、第三運算放大器(A3)的反相輸入端相連接，第三運算放大器(A3) 的正相輸入端通過第九電阻(R9)接地，第三運算放大器(A3)的輸出端、第十電阻(R10)的另一端與第十一電阻(R11)的一端連接，第十一電阻(Rll) 的另一端通過第二電容(C2)接地。
5. —種使用如權利要求1所述裝置的基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電 導的測量方法，其特徵在於電路在諧振情況下，感抗和容抗相消，信號發生 器(5)輸出的交流信號通過電感模塊(6)對激勵電極(2)進行激勵，電路在 諧振頻率的電壓信號的激勵下發生諧振，電感模塊(6)的感抗抵消了耦合電容 和寄生電容產生的容抗的影響，讓輸出電流只反應被測溶液電導率的變化，基於串聯諧振的電導檢測等效電路總阻抗Z為formula see original document page 3f-輸入電壓的頻率由於formula see original document page 3，電路總阻抗Z可近似為:formula see original document page 3當電路發生諧振時，電路總阻抗的虛部為0。可求得諧振頻率f。為: formula see original document page 3諧振時的整流濾波電路的輸入電壓Vi的值為:u-激勵輸入的電壓值.
全文摘要
本發明公開了一種基於串聯諧振的電容耦合式非接觸電導的測量裝置及方法。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、整流濾波電路、數據採集模塊以及計算機。信號發生器的輸出通過電感模塊對激勵電極進行激勵，檢測電極獲得絕緣測量管道內溶液電導測量信息，並經整流濾波電路和數據採集模塊轉換為電壓信號傳送至計算機，最後利用電壓與電導的一一對應關係獲得被測液體的電導測量值。本發明利用串聯諧振方法有效地消除了耦合電容和寄生電容對電導測量的影響並擴大了電導測量範圍，相應的裝置具有量程寬、靈敏度高、結構簡單、非接觸式和成本低等優點，為解決管道內液體電導的測量問題提供了一條有效的途徑。
文檔編號G01N27/08GK101387613SQ200810121759
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月17日 優先權日2008年10月17日
發明者何潮洪, 冀海峰, 周鑫淼, 姜娓娓, 李海青, 王保良, 黃志堯 申請人:浙江大學