CN100472218C - 用于测量电导率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于在材料中测量电导率的设备(12)，包括一对导电元件(6)，耦合至导电元件的第一电导体(9)，第一电导体耦合第一变压器铁芯(10)和第二变压器铁芯(12)以形成第一电流回路(8)，和具有已知电阻的第二电导体(17)耦合第二变压器铁芯和第三变压器铁芯(14)以形成第二电流回路(16)。

Description

用于测量电导率的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量电导率的方法和设备，尤其是在具有低电导率的材料中的测量。特别地，虽然不是唯一的，本发明涉及用于在低电导率散装材料(bulk material)中测量电导率的方法和设备。但是，本发明的方法和设备也可以用于具有高电导率的材料。

背景技术

在很多不同的领域中均需要在散装材料中精确测量电导率的能力，特别地该能力对于在具有低电导率的材料中测量电导率是必需的。一个例子是食品工业，其中测量电导率以确定和/或检查食物的特性。例如，已经采用测量牛奶电导率的技术以检查牛奶的物理化学和牛奶中细菌的增长。McPhillips，J.&Snow，N.(1958)，”Studies on Milk with a New Type ofConductivity Cell”，The Australian Journal of Dairy Technology第192-196页，公开了一种电子装置，用于进行有关牛奶的测量，而Gupta，S.&G.(1956)，”A Preci Conductance Cell for use at AudioFrequencies”公开了一种类似的电子装置。两种布置均包括通过环状铁芯变压器耦合在激励电路和感应电路之间的电流回路。

但是，这些布置均不适于用在多种应用场合中，例如大桶中的应用场合，因为所测量的材料会污染和堵塞电流回路，当大桶必须清理时，其进一步导致问题。

这些布置所具有的另一个问题是它们会承受电源激励波动，这导致测量噪声，并需要稳定电源和监测电源电压。

因此，需要用于精确测量电导率的系统和/或方法和/或设备，其能够解决或者至少改善上述问题。特别地，需要这种系统，方法和/或设备用于测量低电导率材料的电导率。

在本说明书中，术语“包括”，“包含”或类似术语用于表示非限制性的包含，例如包括一系列元件的方法，系统或设备不单独地包括那些元件，还包括其它没有列出的元件。

发明内容

一方面，虽然其不需要是唯一或实际上最宽泛的形式，但本发明在于一种用于在材料中测量电导率的设备，所述设备包括：

一对用于接触材料的导电元件；

耦合至所述导电元件的第一电导体，所述第一电导体耦合第一变压器铁芯和第二变压器铁芯以形成第一电流回路；和

具有已知电阻的第二电导体耦合所述第二变压器铁芯和第三变压器铁芯以形成第二电流回路。

合适地，所述导电元件为螺栓或塞子形式。作为选择，所述导电元件为板或环形式。

合适地，所述第一、第二和第三变压器铁芯为环状“C”，“O”或“E”形变压器铁芯或其结合。

合适地，所述第一、第二和第三变压器铁芯为铁氧体磁芯，叠片铁芯或压粉铁芯或其结合。

优选地，该设备还包括至少一个安装板，所述导电元件附在安装板上，所述至少一个安装板附在所述材料的容器上。

合适地，所述第二电流回路部分地由附在所述至少一个安装板上，并与所述导电元件电耦合的金属环形成，所述金属环支撑所述第一和第二变压器铁芯。

根据一个实施例，所述第一、第二和第三变压器铁芯为与所述金属环相连的环状“O”形变压器铁芯，使得变压器铁芯的轴线互相垂直。

另一方面，本发明在于在材料中测量电导率的方法，所述方法包括下列步骤：

安装一对导电元件以与所述材料接触；

耦合所述一对导电元件和第一电导体，所述第一电导体耦合第一变压器铁芯和第二变压器铁芯以形成第一电流回路；

将所述第二变压器铁芯和第三变压器铁芯与具有已知电阻的第二电导体耦合以形成第二电流回路；

测量跨越所述材料和所述第一变压器铁芯的电压；

通过测量跨越所述第三变压器铁芯的参考电压，监测跨越所述第二变压器铁芯的激励电压；和

从跨越所述材料的所述电压，所述参考电压和所述已知电阻确定所述材料的所述电导率。

作为选择，所述材料的所述电导率从与所述电压测量相应的电流测量决定。

根据下面的详细说明，本发明的其它特征将变得显而易见。

附图说明

为了有助于理解本发明和本领域技术人员实现本发明，本发明的优选实施例将参考附图以举例的方式说明，其中：

图1是根据本发明一个实施例，用于在材料中测量电导率的设备示意图；

图2是图1中所示设备的替代视图，表示该设备部件的实际布置；

图3是图1和2中设备第二实施例的示意图；

图4是安装板，固定装置和半电流回路的平面图；

图5是图4的局部放大图；

图6表示第一、第二和第三变压器铁芯，第一电流回路和半电流回路；

图7表示电压比与氯化钾溶液摩尔浓度未修正的曲线；

图8表示电压比与氯化钾溶液摩尔浓度修正的曲线；

图9表示电压比与氯化钾溶液理论电导率未修正的曲线；

图10表示电压比与氯化钾溶液理论电导率修正的曲线；

图11表示根据本发明优选实施例的导电元件间距的详细情况；

图12表示安装板优选尺寸与导电元件之间的关系；

图13表示导电元件实施例的截面前视图；

图13A表示图13导电元件的平面图；

图14表示图13导电元件的其它详细情况；

图15是安装板和图14导电元件及回路替代实施例的平面图；

图16是图15中所示实施例的前视图；

图17表示图1中所示的替代实施例；

图18表示图2中所示的替代实施例；

图19表示图3中所示的替代实施例；

图20是本发明一个实施例应用于在管道中测量材料电导率的透视图；

图21是图20中所示的替代实施例；

图22是图20中所示实施例的平面图；而

图23是图20中所示的另一个替代实施例。

具体实施方式

参考图1和2，提供了一种用于在材料中精确测量电导率，尤其是用于在具有低电导率的散装材料中测量电导率的设备2。设备2包括一个容器，该容器采用容纳材料的液体单元4的形式，在该实施例中材料为液体5的形式。液体单元4以与标准电导率测量单元相同的方式构造，并包括一对导电元件，该对导电元件采用一对板6的形式，布置成与液体5接触。该实施例中液体单元4的结构对于本领域技术人员是常见的。

设备2还包括由第一电导体形成的第一电流回路8，第一电导体采用穿过第一变压器铁芯10和第二变压器铁芯12的第一导线9的形式。提供第三变压器铁芯14用于参考监测，且第二电流回路16由第二电导体形成，第二电导体采用穿过第二变压器铁芯12和第三变压器铁芯14的第二导线17的形式。在一个实施例中，变压器铁芯10，12，14采用环状铁氧体“C”形变压器铁芯，但替代变压器铁芯可以采用诸如环状铁氧体“O”或“E”形的变压器铁芯。也可以采用环状铁氧体“C”形，“O”和/或“E”形变压器铁芯的组合。在替代实施例中，可以采用叠片变压器铁芯或压粉变压器铁芯。但是，由于环状铁氧体“O”形变压器铁芯改善了电磁稳定性和自屏蔽特性，申请人已经确定环状铁氧体“O”形变压器铁芯为首选，这促进了改善该方法和设备的动态使用范围。

第一变压器铁芯10测量跨越液体单元4中液体5的电压V_fluid，而第二变压器铁芯12为具有典型激励电压10V RMS的激励铁芯。形成第二电流回路16的第二导线17具有已知电阻R_standard，且第二电流回路16耦合第二变压器铁芯12和第三变压器铁芯14，但不耦合第一变压器铁芯10，第一变压器铁芯10用于测量跨越液体单元4中液体5的电压V_fluid。感应电压取决于跨越第二变压器铁芯12的激励电压和第三变压器铁芯14考虑到激励电压固有监测的叠加，这使得上述现有技术中的噪声和稳定性问题最小。

液体5在液体单元4中板6之间的电阻R_fluid用公式1表示：

R_fluid＝(R_standard×V_fluid)/V_standard   公式(1)

液体电阻R_fluid与其电阻率ρ_fluid成正比，且液体的电导率σ_fluid是电阻率的倒数。因而，液体的电导率σ_fluid与液体电阻R_fluid的倒数成正比。

申请人已经当在大桶状结构中测量时，确定图1和2中所示设备的布置具有一些难度。因此，申请人设计了用于实际应用的替代设备，如图3中本发明的另一个实施例所示。相同的附图标记用于表示实施例之间相同的特征。

在该实施例中，代替前一实施例中液体单元4的，用于被测量材料的容器采用具有桶壁19的桶18。与用于桶18的材料相同，板6由合适的食品级不锈钢制成，以避免产生热电偶效应。在图3中所示的实施例中，板6装在安装板20上，其在该实施例中，由PTFE制成。但是，可以采用任何其它合适的食品级塑料。应该注意到这种布置使得设备2能安装在桶壁和其它容纳所测量材料的容器上。这种布置在板6之间形成了“半电流回路”22，从而允许非激励电导率测量。安装板20使板6彼此绝缘并使板6与桶壁19绝缘。

下面将参考图4-6说明该设备在机械上的实现。

参考图4，金属环28通过固定装置连接到安装板20上，以形成上述半电流回路22。在该实施例中，固定装置采用一对螺栓24和一对螺母26的形式。替代地，可以采用特制的塞子或其它合适的公知固定装置。图5中的放大图表示了每一螺母26包括布置在第一方向上的第一螺纹27，例如，顺时针，和布置在相反方向上的第二螺纹29，例如，在该实施例中为逆时针方向。螺栓24的螺纹31方向和金属环28端部上的螺纹33方向以这种方式布置，使螺母26牢固地连接在螺栓24上，金属环28端部连接在螺母26上，从而产生牢固的电连接。螺栓24和环28的端部设计成使得它们彼此咬入，以使通过螺栓24和金属环28之间接头的电损失最小。

螺栓24和环28之间低电阻，优选地为零电阻的可靠连接可以以多种方式实现。例如，螺纹31，33可以铣成具有凸起齿花纹或其它很小的，尖锐的凸起部分，这些凸起部分在拧紧螺母26时变形。作为替代地，螺栓24和环28的端部可以是互补的形状，例如锥形和倒锥形，使得它们彼此配合，以产生良好的传导连接。另一种替代方案可以采用一层诸如铍的材料，具有相对于两个表面，很小的，尖锐凸起部分。然后将该层塞入螺纹31和33的端部之间，以提供期望的咬合效果。铍具有良好的咬合性能，且通常用于这种目的，但可能会有产生不期望的热电偶效应的缺点。

优选地，螺栓24、螺母26和金属环28由相同级别的不锈钢制成，以避免产生任何热e.m.f.。采用合适的食品级不锈钢，其对于食品加工工业的应用是安全和合适的。这种不锈钢的使用还防止食品的污染和当采用诸如铜等材料时会产生的类似污染，这会导致诸如铜蠕变和晶界扩散的问题。

可选地，可以提供用于环28的附加支撑以使作用在螺栓24和安装板20上的机械负载最小。这种附加支撑可以采用支柱、剪刀撑、焊接或其它本领域公知的支撑形式，提供完全的绝缘，以避免干扰电流回路28。为了该目的，可以采用合适的塑料材料，PTFE或在与环28的接触点处绝缘的不锈钢。

参考图6，第一和第二变压器铁芯10、12安装在环28上，其形成第一电流回路8的一部分。第三变压器铁芯14不由环28支撑，但通过任何合适形式的绝缘支撑保持在合适位置上，例如塑料，PTFE或在接触点处绝缘的不锈钢。如图所示，电阻已知的导线17耦合形成第二电流回路16的第二变压器铁芯12和第三变压器铁芯14。

第一、第二和第三变压器铁芯分别具有x、y和z线圈，其中x、y和z的大致数值及范围如下：x＝100-200，y＝20，z＝100-200。所采用的线圈匝数取决于铁芯10、12、14的尺寸和磁特性，要测量的电极间电阻的所选范围，和期望的电压输出水平。随着铁芯上线圈匝数的增大，设备2的灵敏度提高。但是，线圈匝数的增加也增大了电容，电阻和电感，从而影响低通滤波和线圈谐波参数。

下面将参考图3，6-8和表1说明本发明的设备和方法的检测。

参考图3和6，由精确频率信号发生器30产生的30kHz正弦信号被高功率放大器32放大，且放大的信号输入给第二变压器铁芯12。液体电压V_fluid与跨越第三变压器铁芯14电压V_standard电压比V_ratio用公式2表示：

V_ratio＝V_fluid/V_standard       公式(2)

在该实施例中，液体单元4具有10L的容量，并充满了氯化钾(LCl)溶液。通过添加预定量的KCl盐，氯化钾(LCl)溶液的摩尔浓度以预定和可重复的方式变化。对于每一摩尔浓度的溶液，测量V_fluid和V_standard，结果如表1所示：

表1

 

KCl摩尔浓度[M]	测量的Vref[V]	测量的Vfluid[V]	理论电导率[mS/cm]	测量的比Vfluid/Vref	理论修正比(1+1.75＊Molarity)＊Ratio
						0	1.760	0.025	0.119	0.014	0.014
0.01	1.755	0.692	1.408	0.395	0.401
						0.02	1.757	1318	2.694	0.750	0.776
0.03	1.787	1.929	3.976	1.079	1.136
						0.04	1.795	2.495	5.254	1390	1.487
0.05	1.798	3.049	6.529	1.696	1.844
						0.06	1.798	3.577	7.800	1.989	2.198
0.07	1.802	4.080	9.068	2.264	2.542
						0.08	1.802	4.558	10332	2.529	2.884
0.09	1.802	5.030	11.593	2.791	3.231
						0.1	1.803	5.544	12.850	3.075	3.613
0.2	1.812	9.388	25.223	5.181	6.994
						03	1.819	12.389	37.237	6.811	10.387
0.4	1.825	14.797	48.893	8.108	13.784
						0.5	1.829	16.798	60.190	9.184	17.220
0.6	1.833	18.472	71.129	10.077	20.659
						0.7	1.833	20.090	81.710	10.960	24.386
0.8	1.990	23.330	91.931	11.724	28.137
						0.9	1.992	24.467	101.795	12.283	31.628
1	1.993	25.514	111.300	12.802	35.205

表1还表示KCl溶液的估计电导率，其包括±5mS/cm的误差。电压比V_ratio与摩尔浓度的曲线图如图7所示。电压比和溶液摩尔浓度之间的非线性关系是由于第二电流回路16中2ohms的附加电阻。其被作用于电压比的修正系数修正，且修正电压比如表1中右侧栏所示。修正电压比V_ratio与摩尔浓度的曲线图如图8所示。电压比V_ratio与电导率的曲线图如图9所示。修正电压比V_ratio与电导率的曲线图如图10所示。

图7和8清楚地表示了修正电压比和液体单元4中KCl溶液摩尔浓度之间单调的，且在图8的情况中，大致是线性的关系。同样，图9和10清楚地表示了修正电压比和液体单元4中KCl溶液电导率之间单调的，且在图10的情况中，大致是线性的关系。

图7、8、9和10还证明本发明的设备适于在材料中测量低电导率，且其还可以用于区分电导率之间非常小的差别。这种能力使得能够检测材料中非常细微的变化。检测这种非常小的变化表示材料性质的变化，不仅可以用在有关食品的应用，而且还可以用在其它领域。

在本发明的设备中提供附加变压器铁芯14不仅能在低电导率材料中测量电导率，而且使该设备能处理跨越第二变压器铁芯12激励电压的波动，其有利于稳定性从而有利于该测量设备的精确性。

下面将参考11和12说明板6和安装板20的其它细节。通过电磁模型，申请人确定对于牛奶液体电导率的测量，圆形板6中心-中心的间距通常应该大约处于板6直径的一倍至十倍之间，但优选地处于板6直径的三倍至四倍之间。可以想象板6的其它中心-中心间距对于其它材料电导率的测量将特别适用。申请人还确定绝缘安装板20应该具有这样的尺寸，即其边界至少是板6直径的三倍。因此，如图11和12中所示，对于具有40mm直径的板，其中心之间的间距大约应该为4×40mm-20mm＝140mm。安装板20具有满足上述第二标准的尺寸300×600mm。

参考图13，13A和14，板6的优选实施例包括螺纹杆40和焊接到杆40端部的不锈钢板6。尺寸合适的板6具有大约40mm的直径和大约2-3mm的厚度。板6凹陷在塑料安装板2中，塑料安装板20具有弹性体密封，该密封采取布置在板6下侧和安装板20之间的橡胶垫圈42。第二垫圈44布置在安装板20另一侧并用螺母46固定在合适位置上，如图14中所示。

参考图15和16，环状变压器铁芯10、12、14的优选安装布置使其轴线互相垂直。这使铁芯之间的交叉磁偶最小，否则会降低电导率测量的灵敏度。根据一个实施例，环状变压器铁芯互相垂直的安装布置通过环28实现，环28包括两个处于45度的弯曲48。第一激励变压器铁芯10和第二电流感应变压器铁芯12穿到环28上，使得它们具有垂直的朝向。第三参考电流感应变压器铁芯14通过任何合适的装置机械连接到环28的中间部分，使其轴线垂直于两个变压器铁芯10，12。在图15和16中所示的实施例中，变压器铁芯14通过绝缘安装块49连接到环28上，安装块49模制或加工成稳固地使铁芯14与环28成直角。简单的绝缘夹子或环，例如塑料棘条，用于将该组件稳固地对着环28固定。

第二电流回路16由如前一实施例中说明的穿过变压器芯体12和14的第二导线17形成。虽然可以采用替代直径的铁芯，但变压器铁芯的典型内径和外径分别为18mm和45mm。在这种情况下，环28具有大约15mm的厚度，以允许芯体10和12穿过，并允许覆盖物围绕环缠绕以保护环状铁芯的内表面免受刮擦。环28中用于容纳螺纹杆40的孔52可以偏离环中心线以维持结构强度。

申请人已经确定可以采用电流测量作为电压测量的替代方案，且已经发现电流测量是测量电导率较好的方法。参考图17-19，在第一电流回路8和第二电流回路16中，电流测量都通过具有单一次级线圈的第一和第三变压器铁芯10，14实现。这种布置提供几乎1：1的电流，与通过初级线圈的电流一致，同时提供与用于测量电流I的电流表(图中未表示)的激励绝缘。在图示实施例中，第二变压器铁芯具有100匝，虽然线圈匝数不是临界的。第一和第三变压器铁芯中的单一线圈使由电流表测量的电流i最大。

参考图20-23，本发明的另一种应用是在管道中测量材料的电导率。板6安装在绝缘安装板20上，其占据管道18壁19的一部分。第一电流回路8由采用第一导线9形式的第一电导体耦合板6而形成。该布置在板6之间产生允许非激励电导率测量的“半电流回路”，如上文实施例中所说明的。安装板20使板6彼此绝缘并与管壁19绝缘。虽然在图20-23中未表示，但测量电路和变压器铁芯的布置将与上文所述相同，且如图19中所示。取决于管18的直径，绝缘安装板20可以占据管壁19圆周的任何部分。如图20和21中所示，取决于管18的直径和/或几何形状，板6可以是周向或纵向布置。

在一个替代实施例中，如图23所示，安装板20被具有相邻导电元件64，65的多个绝缘板元件60、61和62代替。在该实施例中，导电元件64，65采用一对电绝缘环64，65的形式。与环64，65一样，板60，61，和62在管壁19的整个圆周上延伸。“半电流回路”22的布置如上文所述，具有采用第一导线9的第一电导体耦合环64，65。

虽然已经关于在含有KCl溶液的液体单元中测量电导率对本发明进行了说明，但可以理解本发明还适于在处于其它状态下的材料中测量电导率。而且，虽然已经关于在具有低电导率的材料中测量电导率对本发明的设备和方法进行了说明，但这里说明的设备和方法还可以用于在具有高电导率的材料中精确测量电导率。

已经贯穿整个说明书说明了本发明的目标，而没有将本发明限制到任一实施例或特定特征的集合中。相关领域的技术人员可以根据特定实施例实现落入本发明范围内的变化。例如，一对导电元件6的大小，形状，面积和绝缘，以及安装板20的大小，形状，和面积可以变化以实现最优的结果。也可以改变特定的线圈绕组结构，线圈匝数和采用的材料，以及标准参考电阻值。

Claims (16)

1、一种用于在材料中测量电导率的设备，所述设备包括：

一对用于接触材料的导电元件；

耦合至所述导电元件的第一电导体，所述第一电导体耦合第一变压器铁芯和第二变压器铁芯以形成第一电流回路；以及

具有已知电阻的第二电导体耦合所述第二变压器铁芯和第三变压器铁芯以形成第二电流回路。

2、根据权利要求1所述的设备，其中所述导电元件为螺栓或塞子或板。

3、根据权利要求1所述的设备，其中所述第一、第二和第三变压器铁芯为环状“C”，“O”或“E”形变压器铁芯或其结合。

4、根据权利要求1所述的设备，其中所述第一、第二和第三变压器铁芯为铁氧体磁芯，叠片铁芯或压粉铁芯或其结合。

5、根据权利要求1所述的设备，还包括至少一个用于安装所述导电元件的安装板，所述至少一个安装板附在所述材料的容器上。

6、根据权利要求1所述的设备，其中所述第二电流回路部分地由附在所述安装板上，并与所述导电元件电耦合的金属环形成，所述金属环支撑所述第一和第二变压器铁芯。

7、根据权利要求6所述的设备，其中所述第一、第二和第三变压器铁芯耦合到所述金属环上，使得变压器铁芯的轴线互相垂直。

8、根据权利要求1所述的设备，其中所述导电元件中心-中心的间距处于所述导电元件直径的一倍至十倍之间。

9、根据权利要求1所述的设备，其中，为了在奶制液体中测量电导率，所述导电元件中心-中心的间距处于所述导电元件直径的三倍至四倍之间。

10、根据权利要求5所述的设备，其中至少一个安装板的边界是所述导电元件直径的至少三倍。

11、根据权利要求1所述的设备，其中所述第一变压器铁芯和所述第三变压器铁芯各自均包括单独的二级线圈。

12、根据权利要求5所述的设备，其中所述容器是管，而所述至少一个安装板至少部分地沿着所述管纵向延伸，或至少部分地围绕所述管周向延伸。

13、根据权利要求12所述的设备，其中所述导电元件在所述管圆周上延伸。

14、根据权利要求13所述的设备，还包括位于所述导电元件附近并在所述管圆周上延伸的绝缘板元件。

15、一种在材料中测量电导率的方法，所述方法包括下列步骤：

安装一对导电元件以与所述材料接触；

将所述一对导电元件与第一电导体耦合，所述第一电导体耦合第一变压器铁芯和第二变压器铁芯以形成第一电流回路；

将所述第二变压器铁芯和第三变压器铁芯与具有已知电阻的第二电导体耦合以形成第二电流回路；

测量跨越所述材料和所述第一变压器铁芯的电压；

通过测量跨越所述第三变压器铁芯的参考电压，监测跨越所述第二变压器铁芯的激励电压；和

从跨越所述材料的所述电压，所述参考电压和所述已知电阻确定所述材料的所述电导率。

16、一种在材料中测量电导率的方法，所述方法包括下列步骤：

安装一对导电元件以与所述材料接触；

将所述一对导电元件与第一电导体耦合，所述第一电导体耦合第一变压器铁芯和第二变压器铁芯以形成第一电流回路；

将所述第二变压器铁芯和第三变压器铁芯与具有已知电阻的第二电导体耦合以形成第二电流回路；

通过所述第一变压器铁芯的次级线圈测量通过所述材料的电流；

根据测量通过所述第三变压器铁芯次级线圈的参考电流，监测跨越所述第二变压器铁芯的激励电压；以及

从所述通过所述材料的电流，所述参考电流和所述已知电阻确定所述材料的所述电导率。

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