CN101609113B - 基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置和方法。它包括信号发生器、电感模块、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、双屏蔽结构、整流滤波电路、数据采集模块、计算机，双屏蔽结构包括激励电极的金属屏蔽层、电压跟随器和检测电极的金属屏蔽层。通过双屏蔽结构的使用，彻底地消除了寄生电容的影响，同时，利用谐振状态下，感抗和容抗相消的原理，克服了电极-管壁-导电液体所形成的耦合电容的影响。本发明有效地消除了寄生电容和耦合电容的影响，扩大了电导测量范围，提高了测量分辨率，相应的装置具有量程宽、灵敏度高、非接触式等优点，为解决管道中导电液体电导测量提供了有益的借鉴。

Description

基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置和方法

技术领域

本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置和方法。

背景技术

液相体系广泛存在于化学化工、生物医药、环保和冶金等工业领域，电导率是液体的基本物理参数之一，因此，液体电导率的在线测量对科研和生产具有重要意义。

传统的电导测量方法主要为接触式测量，经过多年的研究和发展，接触式电导测量方法已发展得较为成熟，并得到了十分广泛的应用。然而，接触式电导测量方法由于电极与被测液体直接接触，存在电极极化效应和电化学腐蚀等问题。

1998年，在Gas，et al.1980年首次提出了电容耦合式非接触电导测量方法的基础上(采用了一种较为复杂的四电极结构)，A.J.Zemann，et al.和J.A.F.daSilva，et al.提出了两电极结构的电容耦合式非接触电导测量新方法，该方法是在绝缘管道的外壁安装两个环状电极，即激励电极和探测电极，两个电极间隔一定的距离，电极、绝缘管道和管道中的导电液体形成耦合电容，管道内导电液体等效为一个电阻。则，两电极，绝缘管道和导电液体构成一个串联交流通路，在激励电极上施加交流电压，在探测电极上即可测得反映管道中液体电导率的交流电流。基于该新方法，电导率测量过程中，电极不与液体接触，有效地避免了传统接触式电导测量方法存在的电极极化和电化学腐蚀等问题，并且具有电极结构简单，鲁棒性好等优点，因此，该方法一经提出，便得到了科研工作者的重视，在分析化学等领域得到了广泛的研究，取得了很好的研究成果，并展示出了该技术广阔的应用前景和很好的发展潜力。

然而，作为一个相对较新的电导测量方法，现有的各种电容耦合式非接触电导测量技术还存在一些不足，在测量范围和分辨率等方面还未能完全满足日益提高的测量要求。现有的电容耦合式非接触电导测量装置中所用的屏蔽多为普通的接地屏蔽，这种屏蔽无法彻底消除寄生电容的影响，从而影响测量范围和分辨率。并且电极-绝缘管壁-导电液体形成的耦合电容也是导致测量范围小、灵敏度低的原因之一。如前所述，采用电容耦合式非接触电导测量方法，其测量回路相当于一个串联交流通路。在串联交流通路中，导电液体等效为一个电阻，它产生的电阻抗是有用信号。而耦合电容产生的额外电阻抗是对电导测量不利的背景信号，导致电导测量的分辨率和测量范围受到一定限制。本发明针对这一现状，引入了一种新的双屏蔽结构，彻底消除了寄生电容的影响，同时利用串联谐振的思想消除了耦合电容的影响，提高了测量分辨率，扩大了测量范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有枝术的不足，提供一种稳定、可靠的基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置和方法。

基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置包括信号发生器、电感模块、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、双屏蔽结构、整流滤波电路、数据采集模块、计算机，双屏蔽结构包括激励电极的金属屏蔽层、电压跟随器和检测电极的金属屏蔽层，在绝缘测量管道的外壁安装有激励电极和检测电极，激励电极的外围设有金属屏蔽层，电压跟随器的两个输入端分别与激励电极和其金属屏蔽层相连，检测电极的外围设有接地的金属屏蔽层，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。

所述的双屏蔽结构为：电压跟随器的正向输入端与激励电极相连，负向输入端与激励电极的金属屏蔽层相连，检测电极的金属屏蔽层接地。

基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量方法包括如下步骤：

1)采用双屏蔽结构消除激励电极和其金属屏蔽层所形成的第一寄生电容(C_d1)、检测电极和其金属屏蔽层所形成的第二寄生电容(C_d2)、激励电极的金属屏蔽层和检测电极的金属屏蔽层所形成的第三寄生电容(C_d3)的影响；

2)基于双屏蔽结构和串联谐振的电导检测电路的总阻抗为 $Z=R+r+j(2\mathrm{\πfL}-\frac{1}{\mathrm{\πf}{C}_1}),$ 其中，R为被测溶液的阻值，L为所加电感值，r为所加电感的阻值，C₁为激励电极与管道中液体所形成的耦合电容，C₂为检测电极与管道中液体所形成的耦合电容，C₁＝C₂；

3)确定电路的谐振频率f_o，令总阻抗z的虚部为零，可得到电路的谐振频率 $f_o=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{LC}}_1}},$ 设置输入电压的频率为谐振频率f_o，电路处于谐振状态；

4)在谐振频率f_o的条件下， $2\mathrm{\πfL}=\frac{1}{\mathrm{\πf}{C}_1},$ 可获得谐振状态时的电导检测电路的总阻抗为R_total＝R+r；

5)通过测量装置测量电路中的电流I，经关系式R_total＝U/I即可得到谐振状态时电路的总阻抗R_total，从而可得到被测液体的阻抗R。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

(1)双屏蔽结构方法的使用，彻底消除了寄生电容的影响。

(2)线性度好，谐振状态时电路的总阻抗与被测电阻R线性相关，且谐振频率与被测液体无关，可以预先设定，容易实施。

(3)测量方式为非接触式，有效地避免了接触式电导测量方法存在的电极极化和电化学腐蚀等问题，同时避免了对液体的污染。

附图说明

图1是基于双屏蔽结构和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是本发明的双屏蔽结构的结构示意图；

图3是本发明的双屏蔽结构沿管截面方向的剖面图；

图4是本发明的电导检测的等效电路图；

图5是本发明的电导检测的简化的等效电路图；

图中：信号发生器1、电感模块2、绝缘测量管道3、激励电极4、检测电极5、双屏蔽结构6、整流滤波电路7、数据采集模块8、计算机9、激励电极的金属屏蔽层10、电压跟随器11、检测电极的金属屏蔽层12。

具体实施方式

如图1、2、3所示，基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置包括信号发生器1、电感模块2、绝缘测量管道3、激励电极4、检测电极5、双屏蔽结构6、整流滤波电路7、数据采集模块8、计算机9，双屏蔽结构包括激励电极的金属屏蔽层10、电压跟随器11和检测电极的金属屏蔽层12，在绝缘测量管道的外壁安装有激励电极4和检测电极5，激励电极4的外围设有金属屏蔽层10，电压跟随器11的两个输入端分别与激励电极4和其金属屏蔽层10相连，检测电极5的外围设有接地的金属屏蔽层12，激励电极4经电感模块2与信号发生器1相连接，检测电极5依次与整流滤波电路7、数据采集模块8、计算机9相连接。所述的双屏蔽结构为：电压跟随器11的正向输入端与激励电极4相连，负向输入端与激励电极的金属屏蔽层10相连，检测电极的金属屏蔽层12接地。

利用该装置测量液体电导的流程为：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，在检测电极上得到能够反映液体电导率的电流信号，经采样、放大、整流及滤波后，通过数据采集模块送至计算机处理并显示。

如图4所示，基于双屏蔽结构和串联谐振的测量装置的等效电路为：信号发生器的一端与电感的一端相连(电感的内阻r)，电感的另一端与激励电极和其金属屏蔽层所形成的第一寄生电容的一端、激励电极和绝缘测量管道内的导电液体所形成的第一耦合电容、电压跟随器的正向输入端相连，第一寄生电容的另一端与电压跟随器的反向输入端相连，电压跟随器的输出端与其负向输入端、两电极的金属屏蔽层所形成的第三寄生电容的一端相连，检测电极和绝缘测量管道内的导电液体所形成的第二耦合电容一端与导电液体形成的电阻的一端相连、另一端与检测电极和其金属屏蔽层所形成的第二寄生电容的一端相连接，第二寄生电容的另一端和第三寄生电容的另一端接地。

双屏蔽结构的工作原理是：电压跟随器的两端与激励电极和其金属屏蔽层分别连接，激励电极和其金属屏蔽层是等电位的，消除了第一寄生电容的影响，第二寄生电容一端通常与运算放大器的反向输入端(整流滤波电路的入口)相连，另一端接地，第二寄生电容对测量也没有影响，第三寄生电容一端与电压跟随器的输出端相连，另一端接地，流经第三寄生电容的电流并不流经测量通路，第三寄生电容对测量也没有影响。通过双屏蔽结构的使用，可以彻底消除寄生电容的影响。

如图5所示，基于双屏蔽结构和串联谐振的测量装置的简化的等效电路为：信号发生器的一端与电感的一端相连，电感的另一端与激励电极和绝缘测量管道内的导电液体所形成的第一耦合电容相连，检测电极和绝缘测量管道内的导电液体所形成的第二耦合电容与导电液体形成的电阻相连。

信号发生器输出电压的频率为谐振频率，电感的感抗与两个耦合电容的容抗抵消，电路呈现纯阻性，总阻抗为被测液体电阻和所加电感内阻之和，通过测量电路的电流，可以得到被测液体的电阻。

基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量方法包括如下步骤：

1)采用双屏蔽结构消除激励电极和其金属屏蔽层所形成的第一寄生电容(C_d1)、检测电极和其金属屏蔽层所形成的第二寄生电容(C_d2)、激励电极的金属屏蔽层和检测电极的金属屏蔽层所形成的第三寄生电容(C_d3)的影响；

2)基于双屏蔽结构和串联谐振的电导检测电路的总阻抗为 $Z=R+r+j(2\mathrm{\πfL}-\frac{1}{\mathrm{\πf}{C}_1}),$ 其中，R为被测溶液的阻值，L为所加电感值，r为所加电感的阻值，C₁为激励电极与管道中液体所形成的耦合电容，C₂为检测电极与管道中液体所形成的耦合电容，C₁＝C₂；

3)确定电路的谐振频率f_o，令总阻抗z的虚部为零，可得到电路的谐振频率 $f_o=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{LC}}_1}},$ 设置输入电压的频率为谐振频率f_o，电路处于谐振状态；

4)在谐振频率f_o的条件下， $2\mathrm{\πfL}=\frac{1}{\mathrm{\πf}{C}_1},$ 可获得谐振状态时的电导检测电路的总阻抗为R_total＝R+r；

5)通过测量装置测量电路中的电流I，经关系式R_total＝U/I即可得到谐振状态时电路的总阻抗R_total，从而可得到被测液体的阻抗R。

已利用0～2.0mol/L浓度的KCl溶液在内径为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，可以成功克服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KCl溶液，现有的非接触电导的测量方法一般仅能测量0.1mol/L以下浓度的KCl溶液的电导率，而采用本发明所提及的装置与方法，可以对0～2.0mol/L浓度的KCl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 (2)

1.一种基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量装置，其特征在于包括信号发生器(1)、电感模块(2)、绝缘测量管道(3)、激励电极(4)、检测电极(5)、双屏蔽结构(6)、整流滤波电路(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)，双屏蔽结构包括激励电极的金属屏蔽层(10)、电压跟随器(11)和检测电极的金属屏蔽层(12)，在绝缘测量管道的外壁安装有激励电极(4)和检测电极(5)，激励电极(4)的外围设有金属屏蔽层(10)，电压跟随器(11)的两个输入端分别与激励电极(4)和其金属屏蔽层(10)相连，检测电极(5)的外围设有接地的金属屏蔽层(12)，激励电极(4)经电感模块(2)与信号发生器(1)相连接，检测电极(5)依次与整流滤波电路(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)相连接；所述的双屏蔽结构为：电压跟随器(11)的正向输入端与激励电极(4)相连，负向输入端与激励电极的金属屏蔽层(10)相连，检测电极的金属屏蔽层(12)接地。

2.一种使用如权利要求1所述装置的基于双屏蔽结构和串联谐振的非接触电导测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用双屏蔽结构消除激励电极和其金属屏蔽层所形成的第一寄生电容(C_d1)、检测电极和其金属屏蔽层所形成的第二寄生电容(C_d2)、激励电极的金属屏蔽层和检测电极的金属屏蔽层所形成的第三寄生电容(C_d3)的影响；

2)基于双屏蔽结构和串联谐振的电导检测电路的总阻抗为

其中，R为被测溶液的阻值，L为所加电感值，r为所加电感的阻值，C₁为激励电极与管道中液体所形成的耦合电容，C₂为检测电极与管道中液体所形成的耦合电容，C₁＝C₂；

3)确定电路的谐振频率f_o，令总阻抗z的虚部为零，可得到电路的谐振频率

设置输入电压的频率为谐振频率f_o，电路处于谐振状态；

4)在谐振频率f_o的条件下，

可获得谐振状态时的电导检测电路的总阻抗为R_total＝R+r；

5)通过测量装置测量电路中的电流I，经关系式R_total＝U/I即可得到谐振状态时电路的总阻抗R_total，从而可得到被测液体的阻抗R。

Images