CN101387613B - 基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法。包括信号发生器、电感模块、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、整流滤波电路、数据采集模块以及计算机。信号发生器的输出通过电感模块对激励电极进行激励，检测电极获得绝缘测量管道内溶液电导测量信息，并经整流滤波电路和数据采集模块转换为电压信号传送至计算机，最后利用电压与电导的一一对应关系获得被测液体的电导测量值。本发明利用串联谐振方法有效地消除了耦合电容和寄生电容对电导测量的影响并扩大了电导测量范围，相应的装置具有量程宽、灵敏度高、结构简单、非接触式和成本低等优点，为解决管道内液体电导的测量问题提供了一条有效的途径。

Description

基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法。

背景技术

管道中的液相物系广泛存在于冶金、化工、医药、生物和污水处理等部门的科研和生产的过程中，液体相关物理参数的检测对各部门的科研和生产有着重要的意义，其中，电导率是液体的基本物理参数之一，电导率的检测对分析管道中液体的其他特性参数有着重要的作用，如浓度、液体组分、化学反应速率等。正是因为液体的很多物理、化学特性差异都会反映为其电导率的变化，管道中液体电导率的测量在生产和科研中的应用范围非常广泛。

对电导率的测量方法有电极电导率测量法、电磁电导率测量法和超声波电导率测量法。前两种较为普遍。但是，电磁电导率测量法仅能测量高电导率的溶液，测量范围较窄，并且造价较高。电极电导率测量法电极结构相对简单，造价较低，测量范围广泛。

电极电导率测量法分为接触式检测和非接触式检测两种。接触式电导检测由于电极直接与溶液接触，电极容易被极化，且易被溶液污染，从而影响测量的准确度，缩短电极的使用寿命，并且要在管道上凿孔安装电极，使得电极的使用很不方便。1998年，Zemann等和Fracassi da Silva等分别提出了用于毛细管道上的电容耦合式非接触电导测量方法，这种非接触式电导测量方法使用的电极仅简单地套在管道外壁，电极与管道中的溶液形成耦合电容，管道中的导电液体等效为电阻，它们共同构成了一个电容—电阻—电容串联的等效电路，当施加交流电压时，就会产生交流电流，这个电流即可反应管道中溶液电阻的大小。这种非接触式电导由于极片不与管道中的溶液接触，保持了电极的洁净性，延长了电极的使用寿命，并且毛细管只需穿过环状电极即可完成安装，电极结构简单，从而使得这种方法受到越来越多的关注。

现有的电容耦合式非接触电导装置由于耦合电容和寄生电容的影响，所能测量的电导率范围较小，分辨率不高，不适宜用于浓度较高溶液电导率的测量。本发明针对这一现状，加入了电感模块，利用串联谐振的方法，抵消了耦合电容和寄生电容的影响，扩大了测量范围，提高了分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定、可靠的基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法。

基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置包括电导传感器、信号发生器、电感模块、整流滤波电路、数据采集模块、计算机，电导传感器包括绝缘测量管道、激励电极、检测电极、金属屏蔽层，在绝缘测量管道的外壁安装有激励电极和检测电极，检测电极的外围设有金属屏蔽层，激励电极经电感模块与信号发生器相连接，检测电极依次与整流滤波电路、数据采集模块、计算机相连接。激励电极与电感模块之间的导线、电感模块与信号发生器之间的导线采用屏蔽导线。

所述的基于串联谐振的电导检测等效电路为：信号发生器的一端与电感的一端、导线与其屏蔽层之间形成的第一寄生电容的一端相连接，电感的另一端与激励电极和绝缘测量管道内的被测导电溶液所形成的第一耦合电容连接，检测电极和绝缘测量管道内的被测导电溶液所形成的第二耦合电容与第一电阻的一端、金属屏蔽层与检测电极之间形成的第二寄生电容的一端相连接，第一寄生电容的另一端与第二寄生电容的另一端接地。

所述的整流滤波电路为：第一电阻的一端、第二电阻的一端、第一电容的一端与第一运算放大器的反相输入端相连接，第一运算放大器的正相输入端通过第三电阻接地，第一运算放大器的输出端、第二电阻的另一端、第一电容的另一端、第七电阻的一端与第四电阻的一端相连接，第四电阻的另一端、第六电阻的一端、第一二极管的负极与第二运算放大器的反相输入端相连接，第二运算放大器的正相输入端通过第五电阻接地，第二运算放大器的输出端、第一二极管的正极与第二二极管的负极相连接，第二二极管的正极、第六电阻的另一端通过第八电阻与第七电阻的另一端、第十电阻的一端、第三运算放大器的反相输入端相连接，第三运算放大器的正相输入端通过第九电阻接地，第三运算放大器的输出端、第十电阻的另一端与第十一电阻的一端连接，第十一电阻的另一端通过第二电容接地。

基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量方法包括电路在谐振情况下，感抗和容抗相消，信号发生器输出的交流信号通过电感模块对激励电极进行激励，电路在谐振频率的电压信号的激励下发生谐振，电感模块的感抗抵消了耦合电容和寄生电容产生的容抗的影响，让输出电流只反应被测溶液电导率的变化。

基于串联谐振的电导检测等效电路总阻抗Z为：

$Z=R_x+\frac{R_1}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^2{R}_1^2{C_{p2}}^2+1}+j(2\mathrm{\πfL}-\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2\mathrm{\πf}{C}_{x1}{C}_{x2}}-\frac{2\mathrm{\πf}{R}_1^2{C}_{p2}}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^2{R}_1^2{C_{p2}}^2+1})$

f—输入电压的频率

由于4π²f²R₁ ²C_p2 ²<<1，电路总阻抗Z可近似为：

$Z\&ap;R_x+\frac{R_1}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R_1^2{C}_{p2}}^2+1}+j(2\mathrm{\&pi;fL}-\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2\mathrm{\&pi;f}{C}_{x1}{C}_{x2}}-2\mathrm{\&pi;f}{R_1^{2}C}_{p2})$

当电路发生谐振时，电路总阻抗的虚部为0。可求得谐振频率f_o为：

$f_o=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{L{C}_{x1}{C}_{x2}-R_1^2{C}_{p2}{C}_{x1}{C}_{x2}}}$

谐振时的整流滤波电路的输入电压V_i的值为：

$V_i=\frac{u{R}_1(4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_0^2{C_{p2}}^2{R}_1^2+1)}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_0^2{C_{p2}}^2{R_1^{2}R}_x+R_x+R_1}$

u—激励输入的电压值

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)串联谐振方法的应用，扩大了测量范围，提高了测量的分辨率；

2)测量方式为非接触式，避免了电极与管道中溶液接触，保持了电极的洁净性，延长了电极的使用寿命，同时也提高了测量的准确度，防止污染被测溶液；

3)电极为环状结构，管道仅需穿过电极或者仅需在管道外壁涂一层导电物质即可，电极结构极为简单，由于不需要在管道上凿孔安装电极，适合应用于微型管道和毛细管道上。

4)所用检测极片为导电性良好的金属物质即可，造价低廉，适合于工业场合的大规模应用。

附图说明

图1是基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置的结构示意图；

图2是本发明的电导传感器沿管线方向的剖面图；

图3是本发明的电导传感器沿管截面方向的剖面图；

图4是本发明的基于串联谐振的电导检测等效电路图；

图5是本发明的整流滤波电路图。

图中：绝缘测量管道1、激励电极2、检测电极3、金属屏蔽层4、信号发生器5、电感模块6、整流滤波电路7、数据采集模块8、计算机9。

具体实施方式

如图1所示，基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置包括电导传感器、信号发生器、电感模块、整流滤波电路、数据采集模块、计算机，电导传感器包括绝缘测量管道、激励电极、检测电极、金属屏蔽层，在绝缘测量管道的外壁安装有激励电极和检测电极，检测电极的外围设有金属屏蔽层，激励电极经电感模块与信号发生器相连接，检测电极依次与整流滤波电路、数据采集模块、计算机相连接。激励电极与电感模块之间的导线、电感模块与信号发生器之间的导线采用屏蔽导线。

利用该装置和方法测量溶液电导的流程为：信号发生器输出交流电压的频率为谐振频率，交流电压通过电感后加在激励电极上，利用电感的感抗抵消耦合电容和寄生电容的容抗的影响，在检测电极上得到能够直接反映溶液电导值的电压信号，经采样、放大、整流及滤波后，通过数据采集模块将输出电压信号传输到计算机上并显示。

如图2所示，电导传感器的结构为：在绝缘测量管道的外壁上依次安装有两个环状金属极片，间隔距离为l，宽度为w。两个金属极片分别为激励电极和检测电极，其中，装有检测电极部分的测量管道外壁被金属屏蔽层包围。

如图3所示，在电导传感器中，检测电极紧贴管道外壁安装，其中，从检测电极引出的导线穿过屏蔽层，与整流滤波电路相连接。

如图4所示，基于串联谐振的电导检测等效电路图为：信号发生器的一端与电感的一端、导线与其屏蔽层之间形成的第一寄生电容的一端相连接，电感的另一端与激励电极和绝缘测量管道内的被测导电溶液所形成的第一耦合电容连接，检测电极和绝缘测量管道内的被测导电溶液所形成的第二耦合电容与第一电阻的一端、金属屏蔽层与检测电极之间形成的第二寄生电容的一端相连接，第一寄生电容的另一端与第二寄生电容的另一端接地。

信号发生器输出电压的频率为谐振频率，通过电感后加在激励电极上，电感、极片与管道中溶液所形成的耦合电容、极片间的溶液电阻形成一个LCR串联回路。电路的总容抗和感抗相等，电压u与电流i的相位相同，电路呈现纯电阻性。

如图5所示，整流滤波电路为：第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端与第一运算放大器A1的反相输入端相连接，第一运算放大器A1的正相输入端通过第三电阻R3接地，第一运算放大器A1的输出端、第二电阻R2的另一端、第一电容C1的另一端、第七电阻R7的一端与第四电阻R4的一端相连接，第四电阻R4的另一端、第六电阻R6的一端、第一二极管D1的负极与第二运算放大器A2的反相输入端相连接，第二运算放大器A2的正相输入端通过第五电阻R5接地，第二运算放大器A2的输出端、第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连接，第二二极管D2的正极、第六电阻R6的另一端通过第八电阻R8与第七电阻R7的另一端、第十电阻R10的一端、第三运算放大器A3的反相输入端相连接，第三运算放大器A3的正相输入端通过第九电阻R9接地，第三运算放大器A3的输出端、第十电阻R10的另一端与第十一电阻R11的一端连接，第十一电阻R11的另一端通过第二电容C2接地。

第一电阻作为信号取样电阻，产生的交流信号经过第一运算放大器放大后，由第二运算放大器、第三运算放大器对其进行全波整流、滤波电路进行低通滤波后输出可以采集到的直流电压信号，能反应被测溶液的电导率信息。

基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量方法包括：由于耦合电容和寄生电容的存在，使得测量结果不能直接反应管道溶液的电导值，使得测量范围较小。利用电路在谐振情况下，感抗和容抗相消的原理，信号发生器输出的交流信号通过电感模块对激励电极进行激励，电路在谐振频率的电压信号的激励下发生谐振，电感模块的感抗抵消了耦合电容和寄生电容产生的容抗的影响，让输出电流只反应被测溶液电导率的变化，从而扩大测量范围，提高了分辨率。

基于串联谐振的电导检测等效电路总阻抗Z为：

$Z=R_x+\frac{R_1}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R}_1^2{C_{p2}}^2+1}+j(2\mathrm{\&pi;fL}-\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2\mathrm{\&pi;f}{C}_{x1}{C}_{x2}}-\frac{2\mathrm{\&pi;f}{R}_1^2{C}_{p2}}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R}_1^2{C_{p2}}^2+1})$

f—输入电压的频率

由于4π²f²R₁ ²C_p2 ²<<1，电路总阻抗Z可近似为：

$Z\&ap;R_x+\frac{R_1}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R}_1^2{C_{p2}}^2+1}+j(2\mathrm{\&pi;fL}-\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2\mathrm{\&pi;f}{C}_{x1}{C}_{x2}}-2\mathrm{\&pi;f}{R}_1^2{C}_{p2})$

当电路发生谐振时，电路总阻抗的虚部为0。可求得谐振频率f_o为：

$f_o=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{L{C}_{x1}{C}_{x2}-R_1^2{C}_{p2}{C}_{x1}{C}_{x2}}}$

谐振时的整流滤波电路的输入电压V_i的值为：

$V_i=\frac{u{R}_1(4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_o^2{C_{p2}}^2{R}_1^2+1)}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}_o^2{C_{p2}}^2{R}_1^2{R}_x+R_x+R_1}$

u—激励输入的电压值

已利用0～4mol/L浓度的Nacl溶液在内径为0.9mm，1.8mm，3.04mm的水平玻璃管道上对本发明所提及的装置与方法进行了验证。验证表明，可以成功抵消耦合电容和寄生电容等的影响，测量范围和分辨率得到很大地提高。就验证实验所用的Nacl溶液，现有的非接触电导的测量方法一般仅能测量0.01mol/L以下浓度的Nacl溶液的电导率，而采用本发明所提及的装置与方法，可以对0～4mol/L浓度的Nacl溶液进行测量，测量范围和分辨率都得到了很大地提高，取得了很好的效果。

Claims (4)

1.一种基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置，其特征在于包括电导传感器、信号发生器(5)、电感模块(6)、整流滤波电路(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)，电导传感器包括绝缘测量管道(1)、激励电极(2)、检测电极(3)、金属屏蔽层(4)，在绝缘测量管道(1)的外壁安装有激励电极(2)和检测电极(3)，检测电极(3)的外围设有金属屏蔽层(4)，激励电极(2)经电感模块(6)与信号发生器(5)相连接，检测电极(3)依次与整流滤波电路(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)相连接；所述的基于串联谐振的电导检测等效电路为：信号发生器(5)的一端与电感(L)的一端、导线与其屏蔽层之间形成的第一寄生电容(Cp1)的一端相连接，电感(L)的另一端与激励电极(2)和绝缘测量管道(1)内的导电溶液所形成的第一耦合电容(Cx1)连接，检测电极(3)和绝缘测量管道(1)内的导电溶液所形成的第二耦合电容(Cx2)与第一电阻(R1)的一端、金属屏蔽层(4)与检测电极(3)之间形成的第二寄生电容(Cp2)的一端相连接，第一寄生电容(Cp1)的另一端与第二寄生电容(Cp2)的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置，其特征在于：所述的激励电极(2)与电感模块(6)之间的导线、电感模块(6)与信号发生器(5)之间的导线采用屏蔽导线。

3.根据权利要求1所述的一种基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置，其特征在于所述的整流滤波电路为：第一电阻(R1)的一端、第二电阻(R2)的一端、第一电容(C1)的一端与第一运算放大器(A1)的反相输入端相连接，第一运算放大器(A1)的正相输入端通过第三电阻(R3)接地，第一运算放大器(A1)的输出端、第二电阻(R2)的另一端、第一电容(C1)的另一端、第七电阻(R7)的一端与第四电阻(R4)的一端相连接，第四电阻(R4)的另一端、第六电阻(R6)的一端、第一二极管(D1)的负极与第二运算放大器(A2)的反相输入端相连接，第二运算放大器(A2)的正相输入端通过第五电阻(R5)接地，第二运算放大器(A2)的输出端、第一二极管(D1)的正极与第二二极管(D2)的负极相连接，第二二极管(D2)的正极、第六电阻(R6)的另一端通过第八电阻(R8)与第七电阻(R7)的另一端、第十电阻(R10)的一端、第三运算放大器(A3)的反相输入端相连接，第三运算放大器(A3)的正相输入端通过第九电阻(R9)接地，第三运算放大器(A3)的输出端、第十电阻(R10)的另一端与第十一电阻(R11)的一端连接，第十一电阻(R11)的另一端通过第二电容(C2)接地。

4.一种使用如权利要求1所述装置的基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量方法，其特征在于：电路在谐振情况下，感抗和容抗相消，信号发生器(5)输出的交流信号通过电感模块(6)对激励电极(2)进行激励，电路在谐振频率的电压信号的激励下发生谐振，电感模块(6)的感抗抵消了耦合电容和寄生电容产生的容抗的影响，让输出电流只反应被测溶液电导率的变化，

基于串联谐振的电导检测等效电路总阻抗Z为：

$Z=R_x+\frac{R_1}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R_1}^2{C_{p2}}^2+1}j(2\mathrm{\&pi;fL}-\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2\mathrm{\&pi;f}{C}_{x1}{C}_{x2}}-\frac{2\mathrm{\&pi;f}{R}_1^2{C}_{p2}}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R_1}^2{C_{p2}}^2+1})$

f-输入电压的频率

由于4πf²R₁ ²C_p2 ²＜＜1，电路总阻抗Z可近似为：

$Z\&ap;R_x+\frac{R_1}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f}^2{R_1}^2{C_{p2}}^2+1}+j(2\mathrm{\&pi;fL}-\frac{C_{x1}+C_{x2}}{2\mathrm{\&pi;f}{C}_{x1}{C}_{x2}}-2\mathrm{\&pi;f}{R_1}^2{C}_{p2})$

当电路发生谐振时，电路总阻抗的虚部为0，可求得谐振频率f_o为：

$f_o=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{L{C}_{x1}{C}_{x2}-{R_1}^2{C}_{p2}{C}_{x1}{C}_{x2}}}$

谐振时的整流滤波电路的输入电压V_i的值为：

$V_i=\frac{u{R}_1(4{\mathrm{\&pi;}}^2{f_o}^2{C}_{p2}{R_1}^2+1)}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{f_o}^2{C_{p2}}^2{R_1}^2{R}_x+R_x+R_1}$

u-激励输入的电压值。

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