CN101629924B - 用于电磁式溶液电导率测量的输入电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，它是关于感应线圈电流直接测量的一种输入电路。该输入电路与感应线圈直接耦合，其中包括电流-电压转换电路完成感应线圈电流从电流到电压的变换，并保证感应线圈的端电压为零。积分电路负反馈来保证电流-电压变换器输出中的直流输出分量为零。同时还可对测量传感器的感应线圈及电缆线的断路故障进行检测。因此，本发明的电路精度高，成本低，工作可靠。

Description

用于电磁式溶液电导率测量的输入电路

技术领域

本发明涉及一种用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，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或感应式溶液电导率测量。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，应用有很久的历史了。例如，美国专利号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，组成的传感器，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，从而在感应线圈上产生感应电动势，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。

以前，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。

在美国专利号US 5455513A1中，Falmouth Scienctific在1995年介绍的系统中，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。因此成本较高。

感应电流直接测量法的基本原理是用某幅值的交流电压激励传感器，采用电流-电压变换电路将感应线圈中的交流感应电流变换成交流电压波形，并确保感应线圈端电压为零。再经过适当的放大，并经过整流，得到直流电压，该直流电压正比于被测溶液电导率。电流-电压变换电路将感应线圈中的交流感应电流变换成交流电压波形，已有一些形式来实现，例如US4220920介绍的是有电容隔直流的运放电路加一只反馈电阻来实现，它看起来较简单，但也有缺点，一是电容隔直流或多或少对交流有一些衰减，二是电容体积较大，三是隔直电容与感应线圈串联接在运放的负输入端，易引起振荡。所以没有隔直电容的电路是有一定好处的。

另外，电导率测量中，提高测量过程的可靠性变得越来越被重视。如果没有特殊的考虑，测量系统的断路，会与零电导(或极低电导率)相混淆。US6414493提出在两个磁环中各增加一个单匝的线圈，它们之间串上一只较大的电阻，它们会使测量值增加一个固定的偏置。在正常的情况下，该偏置可以被校正掉，但当线圈或电缆发生断路时，测量电路就会得到一个明显的负电导，因此可以用来检测系统的断路。但是，在磁环中增加线圈毕竟增加了复杂性。因此，在测量装置中发明较简单的电路，来检测系统的断路，是很有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种既简单、精确、又可靠的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路。

本发明提出一种用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，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，其中一磁环上设有被施加交流激励电压的激励线圈，另一磁环上设有可产生与被测溶液电导率有关的感应电流的感应线圈，该输入电路包括：电流-电压转换电路，具有一输入端、一输出端及一反馈端，该输入端连接该感应线圈的一第一端，该感应线圈感应的电流转换为电压后经该输出端输出；积分电路，连接该电流-电压转换电路的输出端，依据该电流-电压转换电路的输出电压中的直流分量产生一负反馈电压；以及分压电路，连接该积分电路及该电流-电压转换电路的反馈端，从该负反馈电压中获得合适的分压并馈入该反馈端。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，该电流-电压转换电路包括：第一运放，具有正输入端、负输入端及输出端，该负输入端作为该电流-电压转换电路的该输入端，该正输入端作为该电流-电压转换电路的该反馈端，该输出端作为该电流-电压转换电路的该输出端，其中该负输入端连接该感应线圈的该第一端，该感应线圈的第二端接地；以及第一电阻，跨接在第一运放的输出端与第一运放的负输入端之间。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，还包括一滤波电容，跨接在第一运放的反馈端与地电位之间。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，还包括一预放大器，连接在该电流-电压转换电路与该积分电路之间。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，该预放大器的输出电压与感应线圈的感应电流成正比。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，该积分电路可包括：第二运放，具有一正输入端、一负输入端及一输出端，该正输入端接地；第二电阻，跨接在该电流-电压转换电路的输出与第二运放的负输入端之间；以及积分电容，跨接在第二运放的输出端与第二运放的负输入端之间。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，该积分电路的时间常数远大于该交流激励电压的周期。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，该分压电路包括：第三电阻，跨接在该积分电路的输出与该电流-电压转换电路的反馈端之间；以及第四电阻，跨接在该电流-电压转换电路的反馈端与地电位之间。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，还可包括一断路检测电路，其包括：第五电阻，跨接在正电源与该感应线圈的第一端之间，以引入一微小的直流电流；电平检测器，连接该积分电路，电平检测器的输入低于一门限表示没有断路，电平检测器的输入高于一门限表示有断路的故障。

在上述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路中，还包括一滤波电路，连接在该正电源与该第五电阻之间，该滤波电路包括：第六电阻，连接在正电源与第五电阻之间；以及滤波电容，其一端接地，另一端接在第五电阻和第六电阻的共同接点上。

本发明用积分电路以及分压电路来保证电流-电压转换电路中的直流输出分量为零，从而避免运放输出的饱和，提高测量的精确性和可靠性。另外，本发明的一个实施例具有断路检测功能，在感应线圈的接线端加入一很小的直流电流，如果感应线圈及电缆连接正常，由于感应线圈及电缆连接的直流电阻很小，该很小的直流电流将通过感应线圈流入地电位，不会流入电流-电压转换电路，积分电路的输出电压是很小的；反之，如果感应线圈及电缆发生断路的故障，加入的这一很小的直流电流将全部流入电流-电压转换电路，为保证电流-电压转换电路中的直流输出分量为零，这时积分电路的输出电压会很大，因此，检测积分器的输出电压，可以检测感应线圈及电缆是否发生断路的故障。

本发明的电磁式溶液电导率的测量电路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，也能精确测量溶液电导率；不需要改变传感器，而且用比较简单和低成本的电路，检测感应线圈及连接电缆的断路故障，从而使测量结果十分可靠。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明的特征和优点。

图1是电磁式溶液电导率测量的基本方法及本发明的一种输入电路的原理示意图。

具体实施方式

本发明所描述的测量输入电路适合于电磁式溶液电导率的测量方法中，感应线圈的感应电流直接测量法。由于本发明的电路采用直接耦合，省去了隔直大电容，因此由运放加一个反馈电阻来实现基本的电流-电压转换，并使用积分电路及分压电路来保证电流-电压变换器输出中的直流输出分量为零，避免运放的输出饱和。

请先参阅图1，传感器内包括激励线圈L1、第一磁环T1，第二磁环T2，和感应线圈L2，被测溶液的环路为3，其等效电阻为R。电磁式溶液电导率测量，感应电流直接测量法的基本原理是：用某幅值的交流电压1激励传感器中的激励线圈L1，采用电流-电压变换电路(由第一电阻R1和第一运放U1组成)，将感应线圈L2中的交流感应电流变换成交流电压波形，并由电流-电压变换电路中的运放的虚地确保感应线圈端电压为零，由于运放的基本特性是，其正负输入脚的电位应相等。再经过预放大器5适当的预放大，和主放大器6的放大，并经过整流，得到直流电压，该直流电压正比于被测溶液电导率，可以进行A/D转换，经适当的计算，得到被测溶液电导率的值。

R1，U1是基本的电流-电压变换电路。感应线圈L2与电流-电压变换电路的输入U1的负输入脚直接相连。设预放大器5的放大倍数为A₁；设主放大器6的放大倍数为A，通常由CPU根据被测溶液确定合适的放大倍数，便于A/D转换有足够的精度。如果合适，预放大器5也可以省略，相当于A₁＝1。预放大器5的输出是：

V₅＝I_L2*R₁*A₁

其中I_L2是感应线圈L2中的电流。对于直接耦合的电流-电压转换电路，由于感应线圈和连接电缆的直流电阻极小，很容易使运放输出饱和。电路将因饱和而不能正常可靠地工作。由第二电阻R2，积分电容C1，第二运放U2，第三电阻R3，第四电阻R4，及滤波电容C2组成的电路能防止电流-电压转换电路的输出饱和。其中R2，C1，U2是一个积分电路，积分电路的时间常数(R2*C1)很大，远远大于测量用的激励电压的周期(例如激励频率为5kHz，周期为0.2ms)。积分电路将预放大器5的输出电压V5进行积分，如果V5有直流分量，例如为负，积分电路中U2的输出将增加，U2的输出经R3，R4分压，接入U1的正输入脚，从而使U1的输出(直流分量)增加，又使V5的直流分量增加，这是一种负反馈，直到V5的直流分量为零为止。所以，它适合于交流放大器，使输出的直流分量保持为零。C2的作用是进一步减少U1输入脚的噪音，在要求较低时也可以省去。但要注意，由R3，C2，R4组成的时间常数必须远小于R2*C1，否则电路容易自振。R4，R3的分压电路使R2*C1不至于太大，即C1的体积可较小，成本较低。由于积分电路的时间常数(R2*C1)很大，对于激励电压频率的交流电来说，积分电路的影响可以忽略不计。

在上述电路的基础上，可以进行改进而获得断路检测的功能。由第五电阻R5，滤波电容C3，第六电阻R6，及电平检测器U3是为了检测感应线圈L2及其连接电缆的断路而增加的电路，R6，C3组成一低通滤波器，R5是一只大电阻。直流电源Vc会经由R5在感应线圈L2的第一端4产生微小直流电流，而感应线圈的第二端接地。如果感应线圈L2及其连接电缆的接线正常，由于线圈的直流电阻极小，该微小的直流电流会流过线圈L2，不会流入电流-电压转换电路，则积分电路的运放U2的输出几乎为零，但当感应线圈L2或连接电缆的接线断路时，经过R5的直流电流会流过R1；U1的输出有变负的趋势，积分电路会起作用，它总要使预放大器5的输出直流分量为零，即U1的输出直流分量为零，这时积分电路的运放U2的输出为：

$V_{U2}=\mathrm{Vc}*\frac{R1}{R1+R5+R6}*\frac{R4+R3}{R4}$

在一个例子中，Vc＝3.3V，R6＝100kΩ，R5＝1MΩ，R1＝20kΩ，R4＝2KΩ，R3＝100kΩ，Vu2＝3.0V。积分电路的运放U2的输出接电平检测器U3，运放U2输出的明显变化，足以使电平检测器U3识别接线断路的故障。电平检测电路U3的输入是低电平(低于门限值)表示正常，反之，是高电平(高于门限值)表示感应线圈L2或连接电缆的接线有断路故障。电平检测器U3可用一门限电平来判断所输入的电平是高电平还是低电平，门限电平的选取可依据实际Vu2的值而定。电平检测器U3的输出可以用于报警等。U3可以是门电路，有施密特触发特性的更好，例如两个74HC14级联。

在这里R3，R4组成分压电路的另外的好处是，它可以使U2输出的变化幅度比较合适电平检测器U3。

R6，C3组成低通滤波器，由于直流电源Vc中常有与激励频率相关的电噪音，通过R5可能引入电流-电压转换电路，从而对测量形成不利影响，R6，C3的低通滤波可显著改善这种情形；然而，如果要求不高，该低通滤波器也可省略。此时，电平检测器U3的输入接近：

$V_{U2}=\mathrm{Vc}*\frac{R1}{R1+R5}*\frac{R4+R3}{R4}$

即表示感应线圈或连接电缆有断路的故障。

由于施加的直流电流极小，例如3微安(3.3V/1.1MΩ)，远远不会使线圈磁饱和，所以不会影响测量精度。

作为实施例，除了前面已提到的参数，其它器件的参数可以是，R2＝2.2MΩ，C1＝100nF，C2＝10nF，C3＝100nF.A1＝10，A＝1 to 100。

以上说明中所用的术语、符号、公式、参数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 (10)

1. 一种用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，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，其中一磁环上设有被施加交流激励电压的激励线圈，另一磁环上设有可产生与被测溶液电导率有关的感应电流的感应线圈，该输入电路包括：

电流-电压转换电路，具有一输入端、一输出端及一反馈端，该输入端连接该感应线圈的一第一端，该感应线圈感应的电流转换为电压后经该输出端输出，该输出电压与感应线圈的感应电流成正比；

积分电路，连接该电流-电压转换电路的输出端，依据该电流-电压转换电路的输出电压中的直流分量产生一负反馈电压；以及

分压电路，连接该积分电路及该电流-电压转换电路的反馈端，从该负反馈电压中获得合适的分压并馈入该反馈端。

2. 如权利要求1所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，该电流-电压转换电路包括：

第一运放，具有正输入端、负输入端及输出端，该负输入端作为该电流-电压转换电路的该输入端，该正输入端作为该电流-电压转换电路的该反馈端，该输出端作为该电流-电压转换电路的该输出端，其中该负输入端连接该感应线圈的该第一端，该感应线圈的第二端接地；

第一电阻，跨接在第一运放的输出端与第一运放的负输入端之间。

3. 如权利要求2所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，还包括一滤波电容，跨接在第一运放的反馈端与地电位之间。

4. 如权利要求1所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，还包括一预放大器，连接在该电流-电压转换电路与该积分电路之间。

5. 如权利要求4所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，该预放大器的输出电压与感应线圈的感应电流成正比。

6. 如权利要求1所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，该积分电路包括：

第二运放，具有一正输入端、一负输入端及一输出端，该正输入端接地；

第二电阻，跨接在该电流-电压转换电路的输出与第二运放的负输入端之间；以及

积分电容，跨接在第二运放的输出端与第二运放的负输入端之间。

7. 如权利要求1或6所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，该积分电路的时间常数远大于该交流激励电压的周期。

8. 如权利要求1所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，该分压电路包括：

第三电阻，跨接在该积分电路的输出与该电流-电压转换电路的反馈端之间；以及

第四电阻，跨接在该电流-电压转换电路的反馈端与地电位之间。

9. 如权利要求1所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，还包括断路检测电路，其包括：

第五电阻，跨接在正电源与该感应线圈的第一端之间，以引入一微小的直流电流；

电平检测器，连接该积分电路，电平检测器的输入低于一门限表示没有断路，电平检测器的输入高于一门限表示有断路的故障。

10. 如权利要求9所述的用于电磁式溶液电导率测量的输入电路，其特征在于，还包括一滤波电路，连接在该正电源与该第五电阻之间，该滤波电路包括：

第六电阻，连接在正电源与第五电阻之间；以及

滤波电容，其一端接地，另一端接在第五电阻和第六电阻的共同接点上。