CN101629984A - 电磁式溶液电导率测量装置的断路和短路检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁式溶液电导率测量中传感器及接线的断路和短路的检测方法及装置，电磁式溶液电导率测量是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，激励线圈上施加交流激励电压，而在感应线圈侧会有与被测溶液电导率有关的交流感应电流或感应电压，本发明的方法和装置用于检测传感器及接线的断路或短路，其方案是，在激励线圈和/或感应线圈的接线端口引入一微小直流电流，用以检测装置的断路；以及检测激励驱动电路的输出摆幅，用以检测装置的短路；从而使所测结果十分可靠。

Description

电磁式溶液电导率测量装置的断路和短路检测方法及装置

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域中的电磁式溶液电导率的测量装置，尤其涉及这种装置的传感器或接线的断路或短路的检测方法和装置。

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。也可以通过测量感应线圈中在端电压为零时的电流，求得溶液电导率，如在美国专利US5455513A1中介绍的方法。

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，测量系统的断路或短路，会与零电导(或极低电导率)相混淆。则无意中会发生测得错误的电导率的错误。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，来检测系统的断路或短路，从而避免装置在断路或短路时，无意中测得错误的电导率的错误，从而保证测量的可靠性，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结构简单的电磁式溶液电导率测量装置的断路和短路检测方法及装置。

本发明的一个方案提出一种电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测方法，其中测量装置通过浸入被测溶液的一传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设有激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，其中一激励驱动电路施加交流激励电压于该激励线圈，以在该感应线圈感应出与被测溶液电导率有关的电流或电压，本发明的检测方法包括：在该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口引入一微小直流电流，检测该接线端口的直流电平，用以检测装置的断路；以及检测该激励驱动电路放大器的输出摆幅，用以检测装置的短路。

在上述的方法中，在该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口引入一微小直流电流的步骤包括：经由一直流电源及一大电阻在接线端口施加该微小直流电流。当检测该接线端口的直流电平超过一门限时，判定其所在的激励线圈或感应线圈断路。

在上述的方法中，该激励驱动电路包括一放大器，而检测该放大器输出摆幅的步骤包括：在该放大器的输出端与该激励驱动电路的输出端之间连接一限流电阻，通过检测该放大器的电压摆幅是否大于正常值来检测该激励线圈是否短路。

本发明的另一方案是提出一种电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，包括：

一断路检测电路，施加一微小直流电流于该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口，并检测该接线端口的直流电平以判断该激励线圈和/或该感应线圈是否断路；以及

一激励线圈短路检测电路，检测该激励驱动电路放大器的输出摆幅，用以检测装置的短路。

在该检测装置中，该断路检测电路可包括：一直流电源，经由一大电阻在该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口施加该微小直流电流；以及一电平检测电路，连接该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口，当该接线端口的直流电平超过一门限时判定其所在的激励线圈和/或感应线圈断路。

在该检测装置中，该激励驱动电路可包括：放大器，其正输入端连接一激励信号；负反馈电阻，连接于该放大器的负输入端与激励驱动电路的输出端之间，其中激励驱动电路的输出端连接该激励线圈；以及限流电阻，连接于该放大器的输出端与激励驱动电路的输出端之间。

在该检测装置中，该激励线圈短路检测电路可包括：感知电路，连接该放大器的输出端；峰峰测量电路，连接该感知电路的输出端，依据该放大器的电压摆幅产生一测量电压；以及电平监视器，连接该测量电压，当该测量电压超过一门限时判定该激励线圈短路。

其中，该峰峰测量电路包括：第一二极管，反向连接在该感知电路的输出端与一参考电位之间；以及第二二极管，正向连接在该感知电路的输出端与一输出节点之间，该输出节点输出该测量电压。

在一个实施例中，该检测装置还包括分压电路，连接在该输出节点与该电平监视器之间。

本发明的电磁式溶液电导率测量装置的断路和短路检测方法和装置相比现有技术具有如下有益效果：能够用比较简单和低成本的电路和方法检测测量系统的断路或短路故障，从而避免装置在断路或短路时，无意中被错误地测得零电导或极低电导的错误，从而使测量结果十分可靠。

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是电磁式溶液电导率的测量装置的示意图；

图2是本发明电磁式溶液电导率的测量装置的一实施例的检测激励线圈被短路或断路的电路示意图；

图3是本发明电磁式溶液电导率的测量装置的一实施例的检测感应线圈断路的电路示意图。

具体实施方式

图1示出电磁式溶液电导率的测量装置的示意图。请先参阅图1，电磁式溶液电导率测量是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T1上设激励线圈L1，另一磁环T2上设有感应线圈L2，一定幅值的的交流激励信号1施加于驱动器2，经过隔直电容C1到激励线圈L1，由此在所测溶液组成的环路6中感应出交流电流，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中再感应出交流电动势；测量单元8感应线圈L2侧获得的交流感应电流或感应电压，由此经CPU 9计算得到被测溶液的电导率，最后的溶液电导率结果被显示器10显示，或为4-20mA输出或是报警等。请参照图2，其中的方框2是图1所示激励驱动电路的一种实施例，U1是一只运放，它接成电压跟随器的形式，其输入为激励信号。C2是一个小电容，使电路稳定，R1是负反馈电阻，R2是限流电阻，而且，R2还服务于激励线圈短路检测。方框16是激励线圈短路检测电路。当发生激励侧被短路的故障时，激励驱动电路2的输出摆幅会远小于正常摆幅，运放U1是电压跟随器的形式，它总是试图使激励驱动电路2的输出的摆幅正常，由于限流电阻R2的存在，U1的输出摆幅会尽可能接近正负电源电压，即激励驱动电路的运放U1的输出摆幅会远远大于正常值；在正常情况下，假设激励线圈的激励电压小于等于+/-1V，则激励驱动电路2的输出为摆幅小于等于2V(例如2V/0V，+1V/-1V等)如果R2合适，例如240欧姆，通常，U1的摆幅稍大于激励驱动电路2的输出的摆幅，例如在+2.3V/-0.3V之内。然而，如果激励侧被短路，U1的输出摆幅会接近正负电源电压，例如+3.1V/-3.1V。R3和C3组成感知电路对U1的输出摆幅进行感知，R3，C3有限流隔直作用。二极管D1，D2组成峰峰测量电路，用于依据放大器U1的电压摆幅产生一测量电压V4，并在输出节点4输出。其中，第一二极管D1反向连接在感知电路的输出端与端点3之间，第二二极管D2正向连接在感知电路的输出端与输出节点4之间。

R4，R5，C4组成低通滤波器，其中R4，R5又组成分压电路，使输入电平监视器U2的电平较合适；U2是电平监视器，它可以是门电路，较佳地具有施密特触发特性，例如两个74HC14级联。当测量电压V4超过门限时，U2动作，据此可认为激励侧被短路。

端点3是作为峰峰检测器的二极管D1，D2的参考电位点，它可以接地。但端点3更好地接一负电位，如-1.5V，则可靠性更高，使R3，R4，R5，C3，C4参数的选择更容易。通过选择参数R3，R4，R5，C3，C4，可以使U2的门限电平能够将放大器U1的正常电压摆幅(如+2.3V/-0.3V)与激励侧短路时的电压摆幅(如+3.1V/-3.1V)区分。

另外，由于在短路发生时，激励驱动电路2的输出摆幅会远小于正常摆幅；直接检测激励驱动电路2的输出摆幅的大小也可以检测激励线圈的短路，只是有时，设计的正常摆幅也较小，例如+0.2V/-0.2V，则检测电路会稍复杂些。

图2中方框17是激励侧断路故障的检测电路，在激励线圈L1侧端口上施加一个极小的直流电流(由直流电源Vc经一大电阻R6施加)，在正常时，由于激励线圈L1的直流电阻极小，在端口5上的直流电压几乎为零。并且由于施加的直流电流极小，例如几微安，远远不会使线圈磁饱和，所以不影响测量精度。当激励线圈L1或电缆断路时，端口5上会产生约为Vc的直流电压，经R7，C5组成的低通滤波电路，从而使电平检测电路U3动作。为避免交流激励电压对电平检测电路U3的干扰，因此，在端口5与电平检测电路U3之间插入一个RC滤波器(R7，C5)。U3可以是门电路，较佳地具有施密特触发特性，例如两个74HC14级联。电平检测电路U3的输入是低电平(低于一门限)表示正常，反之，是高电平(超过一门限)表示激励线圈L1侧有断路故障。因此U3的输出能可靠地反映激励侧是否有断路故障。

图3中方框18是感应线圈L2侧断路故障的检测电路之一，在此实施例中，检测感应线圈断路的情形与前面图3中的方框17相似。在感应线圈L2侧端口7上施加一个极小的直流电流(由直流电源Vc经一大电阻R8施加)。在正常时，由于线圈L2的直流电阻极小，在端口7上的直流电压几乎为零。当感应线圈L2或电缆断路时，端口7上会约为Vc的直流电压，经R9，C7组成的低通滤波电路，从而使电平检测电路U4动作。为避免交流感应电压对电平检测电路U4的干扰，因此，在端口7与电平检测电路U4之间插入一个RC滤波器(R9，C7)。U4可以是门电路，较佳地具有施密特触发特性，例如两个74HC14级联。电平检测电路U4的输入是低电平(低于一门限)表示正常，反之，是高电平(超过一门限)表示感应线圈L2侧有断路故障。因此U4的输出能可靠地反映感应线圈侧是否有断路故障。

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接线中，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 (10)

1.一种电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测方法，该测量装置通过浸入被测溶液的一传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设有激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，其中一激励驱动电路施加交流激励电压于该激励线圈，以在该感应线圈感应出与被测溶液电导率有关的电流或电压，该检测方法包括：

在该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口引入一微小直流电流，检测该接线端口的直流电平，用以检测装置的断路；

检测该激励驱动电路的输出摆幅，用以检测装置的短路。

2.如权利要求1所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测方法，其特征在于，在该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口引入一微小直流电流的步骤包括：

经由一直流电源及一大电阻在接线端口施加该微小直流电流。

3.如权利要求2所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测方法，其特征在于，

当检测该接线端口的直流电平超过一门限时，判定其所在的激励线圈或感应线圈断路。

4.如权利要求1所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测方法，其特征在于，该激励驱动电路包括一放大器，而检测该激励驱动电路的输出摆幅的步骤包括：

在该放大器的输出端与该激励驱动电路的输出端之间连接一限流电阻，通过检测该放大器的输出电压摆幅是否大于正常值来检测该激励线圈是否短路。

5.一种电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，该测量装置通过浸入被测溶液的一传感器测量溶液电导率，该传感器内至少有二个磁环，其中一磁环上设有激励线圈，另一磁环上设有感应线圈，其中一激励驱动电路施加交流激励电压于该激励线圈，以在该感应线圈感应出与被测溶液电导率有关的电流或电压，该检测装置包括：

一断路检测电路，施加一微小直流电流于该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口，并检测该接线端口的直流电平以判断该激励线圈和/或该感应线圈是否断路；

一激励线圈短路检测电路，检测该激励驱动电路的输出摆幅，用以检测装置的短路。

6.如权利要求5所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，其特征在于，该断路检测电路包括：

一直流电源，经由一大电阻在该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口施加该微小直流电流；

一电平检测电路，连接该激励线圈和/或该感应线圈的接线端口，当该接线端口的直流电平超过一门限时判定其所在的激励线圈和/或感应线圈断路。

7.如权利要求5所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，其特征在于，该激励驱动电路包括：

放大器，其正输入端连接一激励信号；

负反馈电阻，连接于该放大器的负输入端与激励驱动电路的输出端之间，其中激励驱动电路的输出端连接该激励线圈；以及

限流电阻，连接于该放大器的输出端与激励驱动电路的输出端之间。

8.如权利要求7所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，其特征在于，该激励线圈短路检测电路包括：

感知电路，连接该放大器的输出端；

峰峰测量电路，连接该感知电路的输出端，依据该放大器的电压摆幅产生一检测电压；以及

电平监视器，连接该检测电压，当该检测电压超过一门限时判定该激励线圈短路。

9.如权利要求8所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，其特征在于，该峰峰测量电路包括：

第一二极管，反向连接在该感知电路的输出端与一参考电位之间；

第二二极管，正向连接在该感知电路的输出端与一输出节点之间，该输出节点输出该检测电压。

10.如权利要求9所述的电磁式溶液电导率测量装置的短路和断路检测装置，其特征在于，还包括分压电路，连接在该输出节点与该电平监视器之间。

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