專(zhuān)利名稱(chēng)：基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非 接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置和方法。
背景技術(shù)：
液相體系廣泛存在于化學(xué)化工、生物醫(yī)藥、環(huán)保和冶金等工業(yè)領(lǐng)域，電導(dǎo) 率是液體的基本物理參數(shù)之一，因此，液體電導(dǎo)率的在線(xiàn)測(cè)量對(duì)科研和生產(chǎn)具 有重要意義。
傳統(tǒng)的電導(dǎo)測(cè)量方法主要為接觸式測(cè)量，經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，接觸式 電導(dǎo)測(cè)量方法已發(fā)展得較為成熟，并得到了十分廣泛的應(yīng)用。然而，接觸式電 導(dǎo)測(cè)量方法由于電極與被測(cè)液體直接接觸，存在電極極化效應(yīng)和電化學(xué)腐蝕等 問(wèn)題。
1998年，在Gas, etal. 1980年首次提出了電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法 的基礎(chǔ)上(采用了一種較為復(fù)雜的四電極結(jié)構(gòu))，A. J. Zemann， et al.和J. A. F. da Silva,etal.提出了兩電極結(jié)構(gòu)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量新方法，該方法是在 絕緣管道的外壁安裝兩個(gè)環(huán)狀電極，即激勵(lì)電極和探測(cè)電極，兩個(gè)電極間隔一 定的距離，電極、絕緣管道和管道中的導(dǎo)電液體形成耦合電容，管道內(nèi)導(dǎo)電液 體等效為一個(gè)電阻。貝U，兩電極，絕緣管道和導(dǎo)電液體構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)交流通路， 在激勵(lì)電極上施加交流電壓，在探測(cè)電極上即可測(cè)得反映管道中液體電導(dǎo)率的 交流電流?；谠撔路椒?，電導(dǎo)率測(cè)量過(guò)程中，電極不與液體接觸，有效地避 免了傳統(tǒng)接觸式電導(dǎo)測(cè)量方法存在的電極極化和電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題，并且具有 電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，該方法一經(jīng)提出，便得到了科研工作 者的重視，在分析化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的研究，取得了很好的研究成果，并 展示出了該技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景和很好的發(fā)展?jié)摿Α?br> 然而，作為一個(gè)相對(duì)較新的電導(dǎo)測(cè)量方法，現(xiàn)有的各種電容耦合式非接觸 電導(dǎo)測(cè)量技術(shù)還存在一些不足，在測(cè)量范圍和分辨率等方面還未能完全滿(mǎn)足曰 益提高的測(cè)量要求?，F(xiàn)有的電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置中所用的屏蔽多為 普通的接地屏蔽，這種屏蔽無(wú)法徹底消除寄生電容的影響，從而影響測(cè)量范圍 和分辨率。并且電極一絕緣管壁—導(dǎo)電液體形成的耦合電容也是導(dǎo)致測(cè)量范圍 小、靈敏度低的原因之一。如前所述，采用電容耦合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法， 其測(cè)量回路相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)交流通路。在串聯(lián)交流通路中，導(dǎo)電液體等效為一個(gè)電阻，它產(chǎn)生的電阻抗是有用信號(hào)。而耦合電容產(chǎn)生的額外電阻抗是對(duì)電導(dǎo) 測(cè)量不利的背景信號(hào)，導(dǎo)致電導(dǎo)測(cè)量的分辨率和測(cè)量范圍受到一定限制。本發(fā) 明針對(duì)這一現(xiàn)狀，引入了一種新的雙屏蔽結(jié)構(gòu)，徹底消除了寄生電容的影響， 同時(shí)利用串聯(lián)諧振的思想消除了耦合電容的影響，提高了測(cè)量分辨率，擴(kuò)大了
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有枝術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定、可靠的基于雙屏蔽 結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置和方法。
基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置包括信號(hào)發(fā)生器、電感 模塊、絕緣測(cè)量管道、激勵(lì)電極、檢測(cè)電極、雙屏蔽結(jié)構(gòu)、整流濾波電路、數(shù) 據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)，雙屏蔽結(jié)構(gòu)包括激勵(lì)電極的金屬屏蔽層、電壓跟隨器和 檢測(cè)電極的金屬屏蔽層，在絕緣測(cè)量管道的外壁安裝有激勵(lì)電極和檢測(cè)電極， 激勵(lì)電極的外圍設(shè)有金屬屏蔽層，電壓跟隨器的兩個(gè)輸入端分別與激勵(lì)電極和 其金屬屏蔽層相連，檢測(cè)電極的外圍設(shè)有接地的金屬屏蔽層，激勵(lì)電極經(jīng)電感 模塊與信號(hào)發(fā)生器相連接，檢測(cè)電極依次與整流濾波電路、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì) 算機(jī)相連接。
所述的雙屏蔽結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器的正向輸入端與激勵(lì)電極相連，負(fù)向輸 入端與激勵(lì)電極的金屬屏蔽層相連，檢測(cè)電極的金屬屏蔽層接地。
基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法包括如下步驟
1) 采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)消除激勵(lì)電極和其金屬屏蔽層所形成的第一寄生電容 (Cdl)、檢測(cè)電極和其金屬屏蔽層所形成的第二寄生電容(Cd2)、激勵(lì)電極的金
屬屏蔽層和檢測(cè)電極的金屬屏蔽層所形成的第三寄生電容(Cd3)的影響；
2) 基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的電導(dǎo)檢測(cè)電路的總阻抗為
Z ^ + r + 乂^ /L-+」，其中，i 為被測(cè)溶液的阻值，丄為所加電感值，r為所加
電感的阻值，d為激勵(lì)電極與管道中液體所形成的耦合電容，C2為檢測(cè)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/。=—J7>，設(shè)置輸入電壓的頻率為諧振頻率/。，電路處于諧振狀態(tài);
4)在諧振頻率/。的條件下，27# = :^T，可獲得諧振狀態(tài)時(shí)的電導(dǎo)檢測(cè)電
測(cè)量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
4路的總阻抗為A。,。/ =^ + r ;
5)通過(guò)測(cè)量裝置測(cè)量電路中的電流/，經(jīng)關(guān)系式及,。,。,=^///即可得到諧振狀 態(tài)時(shí)電路的總阻抗尺。w ，從而可得到被測(cè)液體的阻抗w 。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有有益效果
(1) 雙屏蔽結(jié)構(gòu)方法的使用，徹底消除了寄生電容的影響。
(2) 線(xiàn)性度好，諧振狀態(tài)時(shí)電路的總阻抗與被測(cè)電阻R線(xiàn)性相關(guān)，且諧振 頻率與被測(cè)液體無(wú)關(guān)，可以預(yù)先設(shè)定，容易實(shí)施。
(3) 測(cè)量方式為非接觸式，有效地避免了接觸式電導(dǎo)測(cè)量方法存在的電極 極化和電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題，同時(shí)避免了對(duì)液體的污染。


圖1是基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置的 結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的雙屏蔽結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的雙屏蔽結(jié)構(gòu)沿管截面方向的剖面圖4是本發(fā)明的電導(dǎo)檢測(cè)的等效電路圖5是本發(fā)明的電導(dǎo)檢測(cè)的簡(jiǎn)化的等效電路圖中信號(hào)發(fā)生器l、電感模塊2、絕緣測(cè)量管道3、激勵(lì)電極4、檢測(cè)電 極5、雙屏蔽結(jié)構(gòu)6、整流濾波電路7、數(shù)據(jù)采集模塊8、計(jì)算機(jī)9、激勵(lì)電極的 金屬屏蔽層IO、電壓跟隨器ll、檢測(cè)電極的金屬屏蔽層12。
具體實(shí)施例方式
如圖1、 2、 3所示，基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置包 括信號(hào)發(fā)生器l、電感模塊2、絕緣測(cè)量管道3、激勵(lì)電極4、檢測(cè)電極5、雙屏 蔽結(jié)構(gòu)6、整流濾波電路7、數(shù)據(jù)采集模塊8、計(jì)算機(jī)9，雙屏蔽結(jié)構(gòu)包括激勵(lì) 電極的金屬屏蔽層10、電壓跟隨器11和檢測(cè)電極的金屬屏蔽層12，在絕緣測(cè) 量管道的外壁安裝有激勵(lì)電極4和檢測(cè)電極5，激勵(lì)電極4的外圍設(shè)有金屬屏蔽 層10，電壓跟隨器11的兩個(gè)輸入端分別與激勵(lì)電極4和其金屬屏蔽層10相連， 檢測(cè)電極5的外圍設(shè)有接地的金屬屏蔽層12，激勵(lì)電極4經(jīng)電感模塊2與信號(hào) 發(fā)生器1相連接，檢測(cè)電極5依次與整流濾波電路7、數(shù)據(jù)采集模塊8、計(jì)算機(jī) 9相連接。所述的雙屏蔽結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器11的正向輸入端與激勵(lì)電極4相 連，負(fù)向輸入端與激勵(lì)電極的金屬屏蔽層10相連，檢測(cè)電極的金屬屏蔽層12 接地。
利用該裝置測(cè)量液體電導(dǎo)的流程為信號(hào)發(fā)生器輸出交流電壓的頻率為諧振頻率，交流電壓通過(guò)電感后加在激勵(lì)電極上，在檢測(cè)電極上得到能夠反映液 體電導(dǎo)率的電流信號(hào)，經(jīng)采樣、放大、整流及濾波后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊送至 計(jì)算機(jī)處理并顯示。
如圖4所示，基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的測(cè)量裝置的等效電路為信號(hào)
發(fā)生器的一端與電感的一端相連(電感的內(nèi)阻r)，電感的另一端與激勵(lì)電極和
其金屬屏蔽層所形成的第一寄生電容的一端、激勵(lì)電極和絕緣測(cè)量管道內(nèi)的導(dǎo) 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(fù)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(cè)電極和絕緣 測(cè)量管道內(nèi)的導(dǎo)電液體所形成的第二耦合電容一端與導(dǎo)電液體形成的電阻的一 端相連、另一端與檢測(cè)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(jié)構(gòu)的工作原理是電壓跟隨器的兩端與激勵(lì)電極和其金屬屏蔽層 分別連接，激勵(lì)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(yùn)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(duì)測(cè)量也沒(méi)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(jīng)第三寄生電容的電流并不流經(jīng)測(cè)量通 路，第三寄生電容對(duì)測(cè)量也沒(méi)有影響。通過(guò)雙屏蔽結(jié)構(gòu)的使用，可以徹底消除 寄生電容的影響。
如圖5所示，基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的測(cè)量裝置的簡(jiǎn)化的等效電路為 信號(hào)發(fā)生器的一端與電感的一端相連，電感的另一端與激勵(lì)電極和絕緣測(cè)量管 道內(nèi)的導(dǎo)電液體所形成的第一耦合電容相連，檢測(cè)電極和絕緣測(cè)量管道內(nèi)的導(dǎo) 電液體所形成的第二耦合電容與導(dǎo)電液體形成的電阻相連。
信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的頻率為諧振頻率，電感的感抗與兩個(gè)耦合電容的容 抗抵消，電路呈現(xiàn)純阻性，總阻抗為被測(cè)液體電阻和所加電感內(nèi)阻之和，通過(guò) 測(cè)量電路的電流，可以得到被測(cè)液體的電阻。
基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法包括如下步驟-
1) 采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)消除激勵(lì)電極和其金屬屏蔽層所形成的第一寄生電容 (Cdl)、檢測(cè)電極和其金屬屏蔽層所形成的第二寄生電容(Cd2)、激勵(lì)電極的金
屬屏蔽層和檢測(cè)電極的金屬屏蔽層所形成的第三寄生電容(Cd3)的影響；
2) 基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的電導(dǎo)檢測(cè)電路的總阻抗為Z = / + r+^2;^-^)，其中，w為被測(cè)溶液的阻值，丄為所加電感值，r為所加
電感的阻值，C,為激勵(lì)電極與管道中液體所形成的耦合電容，G為檢測(cè)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/。=十」7>，設(shè)置輸入電壓的頻率為諧振頻率/。，電路處于諧振狀態(tài);
4) 在諧振頻率/。的條件下，2"# = ^,可獲得諧振狀態(tài)時(shí)的電導(dǎo)檢測(cè)電
路的總阻抗為及她,=^ + r ;
5) 通過(guò)測(cè)量裝置測(cè)量電路中的電流/，經(jīng)關(guān)系式/C。, =^/〃即可得到諧振狀 態(tài)時(shí)電路的總阻抗iC。,，從而可得到被測(cè)液體的阻抗/ 。
已利用0 2.0mol/L濃度的KC1溶液在內(nèi)徑為3.04mm的水平玻璃管道上對(duì) 本發(fā)明所提及的裝置與方法進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證表明，可以成功克服耦合電容和 寄生電容等的影響，測(cè)量范圍和分辨率得到很大地提高。就驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所用的KC1 溶液，現(xiàn)有的非接觸電導(dǎo)的測(cè)量方法一般僅能測(cè)量O.lmol/L以下濃度的KC1溶 液的電導(dǎo)率，而采用本發(fā)明所提及的裝置與方法，可以對(duì)0 2.0mol/L濃度的 KC1溶液進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍和分辨率都得到了很大地提高,取得了很好的效果。
權(quán)利要求
1.一種基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置，其特征在于包括信號(hào)發(fā)生器(1)、電感模塊(2)、絕緣測(cè)量管道(3)、激勵(lì)電極(4)、檢測(cè)電極(5)、雙屏蔽結(jié)構(gòu)(6)、整流濾波電路(7)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)、計(jì)算機(jī)(9)，雙屏蔽結(jié)構(gòu)包括激勵(lì)電極的金屬屏蔽層(10)、電壓跟隨器(11)和檢測(cè)電極的金屬屏蔽層(12)，在絕緣測(cè)量管道的外壁安裝有激勵(lì)電極(4)和檢測(cè)電極(5)，激勵(lì)電極(4)的外圍設(shè)有金屬屏蔽層(10)，電壓跟隨器(11)的兩個(gè)輸入端分別與激勵(lì)電極(4)和其金屬屏蔽層(10)相連，檢測(cè)電極(5)的外圍設(shè)有接地的金屬屏蔽層(12)，激勵(lì)電極(4)經(jīng)電感模塊(2)與信號(hào)發(fā)生器(1)相連接，檢測(cè)電極(5)依次與整流濾波電路(7)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)、計(jì)算機(jī)(9)相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè) 量裝置，其特征在于所述的雙屏蔽結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器(11)的正向輸入端與 激勵(lì)電極(4)相連，負(fù)向輸入端與激勵(lì)電極的金屬屏蔽層(10)相連，檢測(cè)電 極的金屬屏蔽層(12)接地。
3. —種使用如權(quán)利要求1所述裝置的基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸 電導(dǎo)測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟1) 采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)消除激勵(lì)電極和其金屬屏蔽層所形成的第一寄生電容 (Cdl)、檢測(cè)電極和其金屬屏蔽層所形成的第二寄生電容(Cd2)、激勵(lì)電極的金屬屏蔽層和檢測(cè)電極的金屬屏蔽層所形成的第三寄生電容(Cd3)的影響；2) 基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的電導(dǎo)檢測(cè)電路的總阻抗為Z = i +"^2;^-+」，其中，^為被測(cè)溶液的阻值，丄為所加電感值，r為所加電感的阻值，d為激勵(lì)電極與管道中液體所形成的耦合電容，C2為檢測(cè)電極與管道中液體所形成的耦合電容，G=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(shè)置輸入電壓的頻率為諧振頻率/。，電路處于諧振狀態(tài);4) 在諧振頻率/。的條件下，2*=^，可獲得諧振狀態(tài)時(shí)的電導(dǎo)檢測(cè)電路的總阻抗為及,。,。/ =^ + r ;5) 通過(guò)測(cè)量裝置測(cè)量電路中的電流/，經(jīng)關(guān)系式&。,。,=^///即可得到諧振狀 態(tài)時(shí)電路的總阻抗凡。,。,，從而可得到被測(cè)液體的阻抗及。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙屏蔽結(jié)構(gòu)和串聯(lián)諧振的非接觸電導(dǎo)測(cè)量裝置和方法。它包括信號(hào)發(fā)生器、電感模塊、絕緣測(cè)量管道、激勵(lì)電極、檢測(cè)電極、雙屏蔽結(jié)構(gòu)、整流濾波電路、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)，雙屏蔽結(jié)構(gòu)包括激勵(lì)電極的金屬屏蔽層、電壓跟隨器和檢測(cè)電極的金屬屏蔽層。通過(guò)雙屏蔽結(jié)構(gòu)的使用，徹底地消除了寄生電容的影響，同時(shí)，利用諧振狀態(tài)下，感抗和容抗相消的原理，克服了電極-管壁-導(dǎo)電液體所形成的耦合電容的影響。本發(fā)明有效地消除了寄生電容和耦合電容的影響，擴(kuò)大了電導(dǎo)測(cè)量范圍，提高了測(cè)量分辨率，相應(yīng)的裝置具有量程寬、靈敏度高、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，為解決管道中導(dǎo)電液體電導(dǎo)測(cè)量提供了有益的借鑒。
文檔編號(hào)G01R27/22GK101609113SQ20091009950
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者冀海峰, 周鑫淼, 姜娓娓, 李海青, 磊 王, 王保良, 黃志堯 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)