CN101629923A - 电磁式溶液电导率的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁式溶液电导率的测量方法及装置，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该方法包括，将感应线圈侧获得的交流方波电流变成交流方波电压，经适当整流成直流电压，但在整流后，用采样保持电路将交流方波电流转换方向时的过渡过程避开。因此检波后获得的直流电压正比于电导值。这样精度大大提高，而且电缆线长度的影响减少到最小。本发明还包括传感器线圈的直流电阻及连接电缆电阻影响的修正方法，使测量更精确。

Description

电磁式溶液电导率的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电磁式溶液电导率的测量方法及装置，属于测量仪器技术领域。

背景技术

溶液电导率作为一种重要的电化学分析参数，其测量已经广泛地应用于化工、冶金、生物、医学、粮食、水利、环保、能源等领域。电导率测量分为接触式和非接触式。

非接触式电导率测量采用电磁感应原理，也称电磁式电导率测量。由于检测元件不与被测溶液有直接的电接触，传感器坚固，不怕腐蚀，没有极化现象，寿命很长。电磁式电导率测量的基本方法已被发明，并有很久的应用历史了。例如，在美国专利US2542057中，M.J.Relis在1951年就公开了基本的原理。用二个圆形磁环同轴布置，组成传感器，其外部包有耐腐蚀绝缘材料，二磁环的内孔做成一个溶液的通道，在激励磁环的激励线圈中通入交流电流，根据电磁感应原理，在激励磁环中产生相应的交变磁通，使被测溶液环路中产生感应电流，表现为交叉于激励磁环和测量磁环的电流环，此电流环又在测量磁环中产生交变磁通，从而在测量磁环的感应线圈上产生感应电动势。

由于溶液中的感应电流与溶液电导率相关，感应线圈中的感应电动势(开路电压)与溶液中的电流成正比，因此，测得感应线圈中的感应电动势，即可求得溶液电导率。用公式G＝C/R来计算溶液电导率，其中C为电极常数，R为被测溶液环路的等效电阻。传统上，激励电压通常为交流正弦波，感应线圈中的感应电动势常用电桥平衡法来测量，精度不高，自动化程度不高。现在由于电子技术的发展，一般不再用电桥平衡法。

感应电压测量法是比较简单的，仍在使用，例如在“电磁式电导浓度仪”，化工自动化及仪表，1997，24(1)：56～58，中介绍的方法。溶液中的感应电流与溶液电导率相关，感应线圈中的感应电动势(开路电压)与溶液中的电流成正比，因此，测得感应线圈中的感应电动势，即可求得溶液电导率。但是，这种方法中，感应线圈中的感应电压除了与溶液电导率相关外，还与激励线圈的电感量有关，因此，测量的线性稍差，又由于磁环的导磁率与温度等因数有关，所以激励线圈的电感量容易有温飘，测量精度不太高。

在美国专利US5455513A1，Falmouth Scienctific在1995介绍的系统中，采用电流补偿法，或叫零电流法。在感应线圈中的感应电流与测量装置中的补偿电流相平衡。如果感应电流与补偿电流不同，产生一个误差电流，则将误差放大，经同步整流，积分电路，积分电路的直流输出会改变；再通过同步开关，反馈电阻，补偿电流会改变，这是一种负反馈，直到电流平衡，误差电流为零，积分电路的输入为零，积分电路的直流输出不再改变。在反馈电阻一定时，积分电路的直流输出与溶液电导率成正比。这是比较高精度的方法，因为当感应线圈的端电压为零时，感应线圈的感应电流与溶液电导率成正比，且只与线圈匝数比有关，与磁环的导磁率关系很小。但是由于它是一种间接测量法，电路较复杂，因为它有正向电路(从电流误差到积分电路的直流输出)，和反向电路(积分电路的直流输出到补偿电流)，在量程改变时，正向电路和反向电路的参数一般都要改变。而且积分电路中的积分电容要求较高。因此这种装置成本较高。

有鉴于目前电磁式和感应电压式溶液导电率测量装置的缺点，有必要发明一种既简单，又精确的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种既简单，又精确的电磁式溶液电导率的测量方法及装置。

本发明提出一种电磁式溶液电导率的测量方法，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该方法包括以下步骤：

使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

测量该感应线圈内的电流；

将该电流转换为电压；

对该电压波形进行同步检波；

利用采样保持器避开该检波后的波形的过渡过程；

将采样保持器输出的电压进行模数转换；以及

依据模数转换的结果计算溶液电导率。

在上述的电磁式溶液电导率的测量方法中，在将该电流转换为电压的步骤中，使该感应线圈输出的端电压为零。

在上述的电磁式溶液电导率的测量方法中，计算该溶液电导率G的方法包括：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2};$

G＝C/R；

C为该传感器的常数；V5为该交流方波电压的激励电压；N为该激励线圈与该感应线圈的匝数；R为被测溶液环路的等效电阻。

在上述的电磁式溶液电导率的测量方法中，考虑到传感器线圈的直流电阻及连接电缆电阻不是小到可以完全忽略，它们对测量的线性会有一定的影响，本发明还包括将被测溶液环路的等效电阻R修正为：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2}-\frac{k*(R_{L1}+R_{L2})}{N^2},$

其中R_L1为激励线圈及其连接电缆的直流电阻，R_L2为感应线圈及其连接电缆的直流电阻；k是1～1.4综合系数。在一个实施例中，综合系数k取为1.2。

本发明提出另一种电磁式溶液电导率的测量方法，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该方法包括以下步骤：

使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

测量该感应线圈内的电流；

将该电流转换为电压；

将对该电压进行模数转换；

执行一加减法运算以实现同步检波，其中避开该电压的过渡过程中的模数转换值，以及

依据该加减法运算的结果计算溶液电导率。

从另一方面看，本发明提出一种电磁式溶液电导率的测量装置，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该测量装置包括：

激励电路，使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

电流-电压转换电路，将该感应线圈内的电流转换为电压；

同步检波器，连接该电流-电压转换电路，对该电压波形进行同步检波；

采样保持器，连接该同步检波器，用以除去该检波后的波形中的过渡过程；

模数转换器，连接该采样保持器，对采样保持器的输出进行模数转换；以及

控制器，依据模数转换的结果计算溶液电导率。

本发明还提出另一种电磁式溶液电导率的测量装置，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该测量装置包括：

激励电路，使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

电流-电压转换电路，将该感应线圈内的电流转换为电压；

模数转换器，对该电流-电压转换电路的输出进行模数转换；以及

控制器，用加减法计算实现同步检波的功能，其中在计算时避开该电压的过渡过程中的模数转换值，依据该加减法运算的结果计算溶液电导率，。

本发明的电磁式溶液电导率的测量方法相比已有的测量方法具有如下有益效果：能够用比较简单和低成本的电路和方法，即使在传感器与测量装置之间的连接电缆很长，也能精确测量溶液电导率。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是本发明电磁式溶液电导率的测量装置的一实施例的示意图。

图2是图1所示测量装置的各主要电压波形。

图3是示出电流-电压(i-v)转换电路的一种实施实例。

图4是同步检波及采样保持(S-H)电路的一种实施实例。

图5A是采样保持(S-H)定时电路的一种实施实例。

图5B是图5A的采样保持(S-H)定时电路的主要时序图。

图6是本发明电磁式溶液电导率的测量装置的另一实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出本发明电磁式溶液电导率的测量装置的一实施例的示意图。请先参阅图1，并参阅图2的各主要电压波形图。

首先参照图1描述本发明一实施例的方法，采用一定幅值的交流方波电压1作为激励电压施加于驱动器2(即V₂)，经过隔直电容C1激励传感器的第一磁环T1中的激励线圈L1，由此在所测溶液组成的环路6中感应出交流方波电流，此感应电流耦合到第二磁环T2中的感应线圈L2，在感应线圈L2中再感应出交流方波电流。用电流-电压(i-v)转换电路8将交流方波电流变成交流方波电压，电流-电压(i-v)转换电路8保证感应线圈L2的端电压为零，经放大器9(设放大倍数为A)适当放大后(即V₉)，由同步检波器10检波(如整流)成直流电压。值得注意的是，在整流时，用采样保持电路11，12将交流方波电流转换方向时的过渡过程避开(具体过程容后描述)。整流后的该直流电压正比于电导值。

需要指出的是，保证感应线圈L2的端电压为零这样的设计线性好，磁环特性的影响小，电缆线的影响小。

由以下根据电磁感应的原理，分析可以看到，如果激励电压是方波，且感应线圈L2的端电压为零，则溶液6中的电流也是方波，感应线圈L2中的电流也是方波，而且这些电流都正比于溶液6的电导率，或反比于被测溶液环路的等效电阻R。C1是一个大电容(例如33uF)，使激励线圈中没有直流分量，对于激励电压的交变分量(例如方波频率5kHz)可以被认为是短路的。根据电磁感应的原理：

对于激励线圈： $A_L(N^2\frac{{\mathrm{dI}}_5}{\mathrm{dt}}-N\frac{{\mathrm{dI}}_6}{\mathrm{dt}})=V_5-I_5{R}_{L1}---\left(1\right)$

对于溶液电流环路： $A_L=(N\frac{{\mathrm{dI}}_5}{\mathrm{dt}}-2\frac{{\mathrm{dI}}_6}{\mathrm{dt}}+N\frac{{\mathrm{dI}}_7}{\mathrm{dt}})=I_{6}R---\left(2\right)$

对于感应线圈(如果保证端电压为零)：

$A_L=(N^2\frac{{\mathrm{dI}}_7}{\mathrm{dt}}-N\frac{{\mathrm{dI}}_6}{\mathrm{dt}})=-I_7{R}_{L2}---\left(3\right)$

将(2)×N-(3)，得 $A_L=(N^2\frac{d{I}_5}{\mathrm{dt}}-N\frac{{\mathrm{dI}}_6}{\mathrm{dt}})=I_6\mathrm{RN}+I_7{R}_{L2}---\left(4\right)$

代入(1)，得 $I_6=(V_5-I_5{R}_{L1}-I_7{R}_{L2})\frac{1}{\mathrm{RN}}---\left(5\right)$

其中，下标5或L1代表激励线圈L1或与它相关，下标6代表溶液电流环路，下标7或L2代表感应线圈L2或与它相关；N为激励线圈或感应线圈的匝数，这里假设它们是一样的，如果不一样，公式稍有差别，但原理上是相似的。V₅为激励电压，或考虑非理想因素，V₅为等效激励电压；A_L与磁环有关，代表单匝线圈的电感量。R_L1为激励侧(激励线圈L1和连接电缆)的直流电阻，R_L2为测量侧(感应线圈L2和连接电缆)的直流电阻。实际上，R_L1/N²，和R_L2/N²都极小，I₅R_L1和I₇R_L1相比激励电压V₅可忽略不计，则以下公式已相当精确：

从(5) $I_6\≈\frac{V_5}{\mathrm{RN}}---\left(7\right)$

从(3) $I_7\≈\frac{I_6}{N}\≈\frac{V_5}{{\mathrm{RN}}^2}---\left(8\right)$

或， $R=\frac{V_5}{I_7{N}^2}---\left(9\right)$

因为，V_ad＝I₇*R₈*A    (10)

由Vad可以求得I₇；其中R8是电流-电压(i-v)转换电路8的系数，A是电压放大器9的放大倍数。电流-电压(i-v)转换电路8的一个例子参见图3。

由式(8)可见，如果忽略过渡过程，如果V₅是方波，则I₆是方波，I₇也是方波，Vad也是方波。对方波的测量会比正弦波的测量更精确。

然而在以上的描述中，没有太多考虑方波反向时的过渡过程，实际上在方波反向时的过渡过程中是很复杂的，因为激励电路的细微特性，电缆线的电容特性，及相互干扰，电流-电压变换电路8，放大电路9、整流电路10的动态特性，都会影响过渡过程，既可能过冲，也可能过阻尼，从而I₇的测量可能不够精确。为解决这一问题，在本发明中，在整流后，用采样保持电路11，12将交流方波电流转换方向时的过渡过程避开，从而大大地提高了精度；采样保持电路11，12的波形可参见图2所示S-H信号波形。并且，在整流后，用采样保持电路将交流方波电流转换方向时的过渡过程避开，在电路成本上也是不高的。

在以上方案中，假设R_L1和R_L2都是极小的，使得式(8)、(9)、(10)十分简洁。通常情况下，精度已足够，但当传感器线圈L1和L2的直流电阻及连接电缆电阻不是小到可以完全忽略，它们对测量的线性会有一定的影响，如果R_L1和R_L2已知，一个更精密的修正公式是：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2}-\frac{k*(R_3+R_7)}{N^2}---\left(11\right)$

是未修正的被测溶液环路等效电阻，R是修正后更精确的被测溶液环路等效电阻；k是一个综合系数，理论值为1，实际上1～1.4为较好。例如取k＝1.2，修正项的作用可以作如下估计，如果R_L1+R_L2＝5欧姆，N＝120，被测溶液的环路等效电阻R＞＝1欧姆，修正项的作用小于0.05％；又如果R_L1+R_L2＝10欧姆，修正项的作用小于0.1％。

由于电阻的倒数是电导，I₇与Vad成正比；如果修正项为极小，则Vad与电导率成正比；如果不是很小，但被忽略掉，则Vad与电导率的线性为稍差，有了修正项的修正，测量装置的线性，精度可有更大的提高。实践上，极大多数测量系统，都使R_L1+R_L2小于10欧姆，甚至小于5欧姆。系统本来误差就不大，增加修正后，系统精度更趋于完美。又由于系统本来误差就不大，通常对R_L1+R_L2作一个大致的估计就足够好了。

图3中的方框8a是图1所示电流-电压(i-v)转换电路的一种实施实例，其中U8是运算放大器，C8是一个大值电容(例如22uF)，其对于直流是开路的，对于音频交流，可以认为是短路的，C8可以避免因U8的输入偏置电压导致U8的输出饱和。R₈是反馈电阻，U₈的输出为I₇*R₈，由于U8的负输入端为虚地，其电位(交流或直流)总是零电位，保证了感应线圈L2的端电压为零的要求。

参看图2的电压波形图，电压放大器9，将电压放大到比较合适的值(V9)，其放大倍数A可根据量程范围由CPU 14来控制。同步检波器10与激励电压1的相位同步，在激励电压的负半周，使输出与输入反向，否则，使输出与输入相等。采样保持定时器11，也与激励电压1同步，在激励电压1反向的同时(或稍前)，发保持信号，此信号一直持续到一预定的长度。此长度，保证在任何测量值时，同步检波器10的输出波形V10中的过渡过程已结束，保持信号结束后是采样信号，直到激励电压的半波过去，激励电压1反向，采样保持定时器11再发保持信号。在一个实施例中，采样保持定时器11的功能可以直接由CPU实现。在一个实施例中，采样保持定时器11的功能也可以由电路实现。当采样保持定时器11的信号为采样时，采样保持器12的输出等于其输入；当采样保持定时器11的信号为保持时，采样保持器12的输出保持不变。采样保持器12的输出(Vad)可接入模数(A/D)转换器13，A/D转换器13的结果，代表测得的感应线圈的电流值，由CPU进行处理，进行一定的计算。最后的溶液电导率结果在显示器15被显示，或为4-20mA输出或是报警等。

在上述的实施例中，由于各有效信号都是方波，又用采样保持器避开了每半波开始的过渡过程，因此激励电路的动态特性，电缆线的电容特性，电流-电压变换电路，放大电路、整流电路的动态特性对测量结果都没有影响。尤其是电缆线长短对测量的影响也极小。

图4是同步检波及采样保持(S-H)电路的一种实施实例。

其中，10a是同步检波电路的一种实施实例，W是来自CPU 14的方波，与送到激励电路的方波信号相同，当W是高电位时，由其控制的模拟开关接“+”，这时，U3是跟随器，即U3的输出等于电压放大器9的输出；当W是低电位时，相接的模拟开关接“-”，这时，U3是一个反相器(其中R2＝R3，都是精密电阻)，即U3的输出等于电压放大器9的输出乘以“-1”。12a是采样保持(S-H)电路的一种实施实例，当采样保持(S-H)信号是采样时，由其控制的模拟开关接S，U3的输出通过充电限流电阻R4向电容C4充放电，即电容C4的电压会跟随U3的输出电压。U4是电压跟随器的形式，其输入电流几乎为零，其输出电压与电容C4的电压相等。当采样保持(S-H)信号是保持时，相连的模拟开关接H，充电限流电阻R4被断路，电容C4的电压保持不变。U4的输出电压与电容C4的电压相等。在一个实施实例中，R1＝30k，R2＝R3＝30k且为精密电阻；R4＝4.7k，C4＝10nF。

图5A和图5B分别示出采样保持(S-H)定时电路的一种实施实例以及其主要时序图。

W是来自CPU的方波，与送到激励电路的信号相同，R5和C5形成一个时延电路，不论是上升沿，或下降沿，Wd总是比W延迟约R5*C5时间；74HC86是一个2输入异或门，当2输入相等时，输出为0；当2输入不相等时，输出为1。在以上S-H信号中，1代表保持。这样，在激励信号W的每个半波的开始，总有一段保持信号，之后是采样信号。在一个实施实例中R5＝24k，C5＝1nF。

在一个实施例中，W方波信号和S-H信号都直接来自CPU 14。在另一个实施例中CPU 14发出S-H信号，用74HC74进行二分频，产生W方波信号。

在一个实施例中，以上所描述的同步检波、采样保持器避开过渡过程，以及A/D变换的功能也可以由以下方案代替。参照图6所示，放大器9所输出的电压直接进入一高速A/D 13a进行采样，采样之后，由CPU 14a用加减法运算实现同步检波，即在激励的正半周时是加，激励的负半周时是减，然后取平均值，但在计算过程中，不取过渡过程时的A/D值，只取过渡过程之外的A/D值，以避开过渡过程。并用该加减法运算的数据来计算溶液电导率，计算公式如式(9)或(11)所示。

另外，双磁环传感器和测量电路之间可以有连接电缆；由于溶液电导率通常与溶液温度相关，因此在溶液电导率传感器中，通常还可以装有温度传感器(PT100，PT1000，或NTC)，所以在连接传感器与测量装置的电缆线中，另外还可以有连接温度传感器的导线，测量装置中也会有测量温度的电路，CPU中可以有温度修正的计算；传感器内还可以有防静电、防漏磁的部件；整个系统可以用校正对一些参数进行标定等；这些基本原理也适合于本发明的方法和装置中。

以上说明中所用的术语，符号，公式和例子并不对该发明的应用构成限制，只是为了便于它们的说明。

以上的实施例说明仅为本发明的较佳实施例说明，本领域技术人员可依据本发明的上述实施例说明而作出其它种种等效的替换及修改。然而这些依据本发明实施例所作的种种等效替换及修改，属于本发明的发明精神及由权利要求所界定的专利范围内。

Claims (12)

1.一种电磁式溶液电导率的测量方法，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该方法包括以下步骤：

使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

测量该感应线圈内的电流；

将该电流转换为电压；

对该电压波形进行同步检波；

利用采样保持器避开该检波后波形的过渡过程；

将采样保持器输出的电压进行模数转换；以及

依据模数转换的结果计算溶液电导率。

2.如权利要求1所述的电磁式溶液电导率的测量方法，其特征在于，在将该电流转换为电压的步骤中，使该感应线圈输出的端电压为零。

3.如权利要求1或2所述的电磁式溶液电导率的测量方法，其特征在于，计算该溶液电导率G的方法包括：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2};$

G＝C/R；

C为该传感器的常数；V5为该交流方波电压的激励电压；N为该激励线圈与该感应线圈的匝数；R为被测溶液环路的等效电阻。

4.如权利要求3所述的电磁式溶液电导率的测量方法，其特征在于，还包括将被测溶液环路的等效电阻R修正为：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2}-\frac{k*(R_{L1}+R_{L2})}{N^2},$

其中R_L1为激励线圈及其连接电缆的直流电阻，R_L2为感应线圈及其连接电缆的直流电阻；k是1～1.4综合系数。

5.如权利要求4所述的电磁式溶液电导率的测量方法，其特征在于，综合系数k取为1.2。

6.一种电磁式溶液电导率的测量方法，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该方法包括以下步骤：

使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

测量该感应线圈内的电流；

将该电流转换为电压；

将对该电压进行模数转换；

执行一加减法运算以实现同步检波，其中避开该电压的过渡过程中的模数转换值；以及

依据该加减法运算的结果计算溶液电导率。

7.一种电磁式溶液电导率的测量装置，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该测量装置包括：

激励电路，使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

电流-电压转换电路，将该感应线圈内的电流转换为电压；

同步检波器，连接该电流-电压转换电路，对该电压波形进行同步检波；

采样保持器，连接该同步检波器，用以除去该检波后的波形中的过渡过程；

模数转换器，连接该采样保持器，对采样保持器的输出进行模数转换；以及

控制器，依据模数转换的结果计算溶液电导率。

8.如权利要求7所述的电磁式溶液电导率的测量装置，其特征在于，该电流-电压转换电路使该感应线圈输出的端电压为零。

9.如权利要求7或8所述的电磁式溶液电导率的测量装置，其特征在于，该控制器依照以下公式计算该溶液电导率G：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2};$

G＝C/R；

其中C为该传感器的常数；V5为该交流方波电压的激励电压；N为该激励线圈与该感应线圈的匝数；R为被测溶液环路的等效电阻。

10.如权利要求9所述的电磁式溶液电导率的测量装置，其特征在于，该控制器依照以下公式将被测溶液环路的等效电阻R修正为：

$R=\frac{V_5}{I_7{N}^2}-\frac{k*(R_{L1}+R_{L2})}{N^2},$

其中R_L1为激励线圈及其连接电缆的直流电阻，R_L2为感应线圈及其连接电缆的直流电阻；k是取值1～1.4的综合系数。

11.如权利要求10所述的电磁式溶液电导率的测量装置，其特征在于，综合系数k取为1.2。

12.一种电磁式溶液电导率的测量装置，用以通过浸入被测溶液的传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，该测量装置包括：

激励电路，使用一交流方波电压对该激励线圈进行激励；

电流-电压转换电路，将该感应线圈内的电流转换为电压；

模数转换器，对该电流-电压转换电路的输出进行模数转换；以及

控制器，执行一加减法运算以实现同步检波，其中在计算时避开该电压的过渡过程中的模数转换值，并依据该加减法运算的结果计算溶液电导率。

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