CN101957403B - 石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置和方法。在其激励源中，石英晶体振荡器输出端与隔直及幅值调节电路输入端连接，隔直及幅值调节电路输出端与测量石英晶体一端连接；其中，石英晶体振荡器中，激励石英晶体与测量石英晶体的阻抗-频率特性相同，第一反相器输入端分别与第一电阻一端、激励石英晶体一端连接，第一反相器输出端分别与第一电阻另一端、第一电容一端连接，第二反相器输入端分别与第一电容另一端、第二电阻一端连接，第二反相器输出端分别与第二电阻另一端、可调电容一端连接，可调电容另一端与激励石英晶体另一端连接。本发明实现了电导测量装置的小型化、实用化；且具有较宽的测量范围，取得了很好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置和方法。
背景技术
管道中的液相体系广泛存在于冶金、化学化工、生物医药、环境保护和污水处理等部门的科研和生产过程中，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，所以管道中液体电导率的测量在科研和生产中有着非常广泛的应用范围和十分重要的研究意义。
1998年，A.J.Zemann等和J.A.F.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，该非接触式电导测量方法在绝缘管道的外壁安装两个间隔一定距离的环状电极，即激励电极与检测电极。电极通过绝缘管道的管壁与管道中的溶液形成耦合电容，管道中的导电溶液等效为电阻，则它们就共同构成了一个电容-电阻-电容串联的等效电路，使用信号发生器在激励电极上施加交流电压，在检测电极上就可以测得反映管道内溶液电导值的电流信号。这种非接触式电导测量方法由于电极不与管道内的溶液接触，有效地克服了接触式电导测量方法存在的电极极化和电极污染等问题，从而延长了电极的使用寿命，提高了测量的准确度。这种方法一经提出，便得到了相关领域研究者的关注，现在该方法已被广泛采用。
然而，作为一种较新的电导测量方法，现有的电容耦合式非接触电导测量技术还存在一些不足，现有技术都采用信号发生器作为激励源，而信号发生器体积庞大，使得电导测量装置的结构复杂，不利于装置的小型化、实用化。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单的石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置和方法。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：所述石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置中的石英晶体激励模块包括石英晶体振荡器、隔直及幅值调节电路和测量石英晶体，石英晶体振荡器的输出端与隔直及幅值调节电路的输入端连接，隔直及幅值调节电路的输出端与测量石英晶体的一端连接；所述石英晶体振荡器包括激励石英晶体、可调电容、第一反相器、第二反相器、第一电阻、第二电阻、第一电容；所述激励石英晶体与测量石英晶体的阻抗-频率特性相同；第一反相器的输入端分别与第一电阻的一端、激励石英晶体的一端连接，第一反相器的输出端分别与第一电阻的另一端、第一电容的一端连接，第二反相器的输入端分别与第一电容的另一端、第二电阻的一端连接，第二反相器的输出端分别与第二电阻的另一端、可调电容的一端连接，可调电容的另一端与激励石英晶体的另一端连接。
进一步地，本发明所述石英晶体振荡器还包括第三反相器和第三电阻，第三反相器的输入端分别与第二反相器的输出端、第三电阻的一端连接，第三反相器的输出端与第三电阻的另一端连接。
进一步地，本发明所述隔直及幅值调节电路包括第一放大器、第二放大器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第二电容，第一放大器的同相输入端分别与第二电容的一端、第六电阻的一端连接，第六电阻的另一端接地，第一放大器的反相输入端与第一放大器的输出端连接，第一放大器的输出端与第五电阻的一端连接，第二放大器的同相输入端与第七电阻的一端连接，第七电阻的另一端接地，第二放大器的反相输入端分别与第五电阻的另一端、第四电阻的一端连接，第二放大器的输出端与第四电阻的另一端连接。
本发明使用上述非接触电导测量装置进行电导测量的方法包括如下步骤：
1)调节石英晶体振荡器中可调电容的电容值等于电导测量电路的总耦合电容，以使石英晶体振荡器的交流激励信号的频率f等于电导测量电路的谐振频率f0，此时石英晶体振荡器产生振荡频率为f0的交流激励信号；
2)将石英晶体振荡器产生的振荡频率为f0的交流激励信号通过隔直及幅值调节电路和测量石英晶体传输到激励电极上，对电导传感器进行激励，此时所述电导测量电路发生谐振；
3)通过检测电导测量电路中的电流I，由关系式Z0＝U/I得到谐振状态下所述电导测量电路的总阻抗Z0，其中，U为隔直及幅值调节电路的输出电压；进而根据谐振状态下测量电路总阻抗的表达式Z0＝Rx+r得到被测溶液的阻抗Rx，其中，r为测量石英晶体的等效电阻的阻值。
本发明的有益效果是：通过使用石英晶体激励模块代替现有技术中的信号发生器作为激励源，不仅简化了电导测量装置的结构，降低了装置的制造成本，实现电导测量装置的小型化、实用化；而且利用本发明的测量装置与方法进行电导测量，具有较宽的测量范围，取得了很好的效果。
附图说明
图1是本发明石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置的结构示意图；
图2是本发明的电导传感器屏蔽罩的结构示意图；
图3是本发明的电导测量电路的等效电路图；
图4是本发明的石英晶体振荡器的电路原理图；
图5是本发明的隔直及幅值调节电路的原理图；
图中：1.石英晶体振荡器、2.隔直及幅值调节电路、3.测量石英晶体、4.激励电极、5.检测电极、6.绝缘测量管道、7.激励电极屏蔽罩、8.检测电极屏蔽罩、9.有源屏蔽模块、10.信号检测电路、11.数据采集系统。
具体实施方式
通常，非接触电导测量装置包括电导传感器、激励源和检测模块。本发明是在现有技术的基础上，通过对其中的激励源进行改进，使用石英晶体激励模块作为激励源，从而实现本发明的目的。参看图1和图2，在本发明石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置中，电导传感器包括激励电极4、检测电极5、绝缘测量管道6、激励电极屏蔽罩7、检测电极屏蔽罩8和有源屏蔽模块9，激励电极4和检测电极5安装于绝缘测量管道6的外壁，激励电极4的外围安装有激励电极屏蔽罩7，激励电极4和激励电极屏蔽罩7分别与有源屏蔽模块9连接，检测电极5的外围安装有接地的检测电极屏蔽罩8，其中，激励电极4、检测电极5、绝缘测量管道6和被测溶液共同构成电导测量电路；检测模块包括信号检测电路10和数据采集系统11，检测电极5与检测电路10的输入端连接，检测电路10的输出端与数据采集系统11的输入端连接。
参看图1和图4，本发明中，石英晶体激励模块包括石英晶体振荡器1、隔直及幅值调节电路2和测量石英晶体3。石英晶体振荡器1的输出端与隔直及幅值调节电路2中输入端连接，隔直及幅值调节电路2中的输出端与测量石英晶体3的一端连接。其中，石英晶体振荡器1包括激励石英晶体Y1、可调电容CV、第一反相器U1、第二反相器U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1。激励石英晶体与测量石英晶体3的阻抗-频率特性相同。第一反相器U1的输入端分别与第一电阻R1的一端、激励石英晶体Y1的一端连接，第一反相器U1的输出端分别与第一电阻R1的另一端、第一电容C1的一端连接，第二反相器U2的输入端分别与第一电容C1的另一端、第二电阻R2的一端连接，第二反相器U2的输出端分别与第二电阻R2的另一端、可调电容CV的一端连接，可调电容CV的另一端与激励石英晶体Y1的另一端连接。
利用本发明非接触电导测量装置测量溶液电导的流程为：石英晶体激励模块输出的交流激励电压的频率为谐振频率，交流激励电压加在激励电极4上，利用测量石英晶体3产生的感抗抵消总耦合电容产生的容抗，在检测电极5上得到能够直接反映溶液电导值的电流信号，经I/V转换、放大、整流及滤波后，传输到数据采集系统并显示。
如图2所示，在绝缘测量管道6的外壁上安装两个一定宽度的环状金属电极，这两个环状金属电极分别为激励电极4和检测电极5，激励电极4和检测电极5之间间隔一定的距离。在激励电极4的外围安装激励电极屏蔽罩7，激励电极屏蔽罩7与有源激励屏蔽模块9的输出端连接，激励电极4与有源激励屏蔽模块9的同相输入端连接，在检测电极5的外围安装检测电极屏蔽罩8，检测电极屏蔽罩8接地。
在本发明石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置中，其电导测量电路的等效电路图如图3所示，其中，测量石英晶体3的等效电感L的一端与测量石英晶体3的等效电阻r的一端连接，测量石英晶体3的等效电阻r的另一端分别与第三放大器A3的同相输入端、激励电极4和激励电极屏蔽罩7所形成的第一寄生电容Cd1的一端、激励电极4和绝缘测量管道6内的溶液所形成的第一耦合电容Cx1的一端连接，第三放大器A3的反相输入端分别与第三放大器A3的输出端、第一寄生电容Cd1的另一端连接，第三放大器A3的输出端与激励电极屏蔽罩7和检测电极屏蔽罩8所形成的第三寄生电容Cd3连接，第一耦合电容Cx1的另一端与被测溶液等效电阻Rx的一端连接，被测溶液等效电阻Rx的另一端与检测电极5和绝缘测量管道6内的溶液所形成的第二耦合电容Cx2的一端连接，第二耦合电容Cx2的另一端与检测电极5和检测电极屏蔽罩8所形成的第二寄生电容Cd2的一端连接，第二寄生电容Cd2的另一端与第三寄生电容Cd3的另一端一起接地。
如图3所示，由放大器A3构成的有源屏蔽模块使得激励电极4和激励电极屏蔽罩7的电位相等，从而消除第一寄生电容Cd1的影响，第二寄生电容Cd2的一端与运算放大器(信号检测电路的入口)的反相输入端相连，另一端接地，对测量也没有影响，此外，流经第三寄生电容Cd3的电流不流经电导传感器，也不影响测量，这样就消除了寄生电容对测量的影响。
如图4所示，作为本发明的一种实施方式，石英晶体振荡器1除了包括激励石英晶体Y1、可调电容CV、第一反相器U1、第二反相器U2、第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1外，还可以含有第三反相器U3和第三电阻R3。其中，第一反相器U1的输入端分别与第一电阻R1的一端、激励石英晶体Y1的一端连接，第一反相器U1的输出端分别与第一电阻R1的另一端、第一电容C1的一端连接，第二反相器U2的输入端分别与第一电容C1的另一端、第二电阻R2的一端连接，第二反相器U2的输出端分别与第二电阻R2的另一端、可调电容CV的一端、第三反相器U3的输入端连接，第三反相器U3的输入端与第三电阻R3的一端连接，第三反相器U3的输出端与第三电阻R3的另一端连接，可调电容CV的另一端与激励石英晶体Y1的另一端连接。
第三反相器U3和第三电阻R3构成缓冲器，使石英晶体振荡器1的谐振不会受到隔直及幅值调节电路2的影响。
如图5所示，作为本发明的一种实施方式，隔直及幅值调节电路2包括第一放大器A1、第二放大器A2、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第二电容C2，第一放大器A1的同相输入端分别与第二电容C2的一端、第六电阻R6的一端连接，第六电阻R6的另一端接地，第一放大器A1的反相输入端与第一放大器A1的输出端连接，第一放大器A1的输出端与第五电阻R5的一端连接，第二放大器A2的同相输入端与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端接地，第二放大器A2的反相输入端分别与第五电阻R5的另一端、第四电阻R4的一端连接，第二放大器A2的输出端与第四电阻R4的另一端连接。
第二电容C2、第六电阻R6和第一放大器A1构成的隔直电路去除石英晶体振荡器1的输出信号中的直流成分，使激励电压中只包含交流成分，确保激励电极4不被极化。第二放大器A2则对第一放大器A1的输出信号进行幅值调节。
本发明石英晶体振荡器激励的非接触电导测量的原理为：石英晶体模振荡器1中的第一反相器U1和第二反相器U2串联构成正反馈，激励石英晶体Y1产生的感抗与可调电容CV产生的容抗相抵消，石英晶体振荡器1发生振荡，产生频率稳定的交流激励信号。电导测量电路未发生谐振时，电导测量电路的总阻抗为
式中，Rx为被测溶液的阻值，r为测量石英晶体3的等效电阻的阻值，L为测量石英晶体3的等效电感的电感值，C为电导测量电路的总耦合电容，C等于耦合电容Cx1和耦合电容Cx2的串联值，即
其中，Cx1为激励电极4与被测溶液形成的耦合电容，Cx2为检测电极5与被测溶液形成的耦合电容。通过调节可调电容CV，使其等于总耦合电容C，由于激励石英晶体Y1和测量石英晶体3具有相同的阻抗-频率特性，因此石英晶体振荡器1发生振荡时产生的振荡频率恰好等于电导测量电路发生谐振所需要的谐振频率。此时，将石英晶体振荡器1产生的交流激励信号通过隔直及幅值调节电路2和测量石英晶体3传输到激励电极4上，对电导传感器进行激励，测量石英晶体3产生的感抗与总耦合电容C产生的容抗相抵消，使电导测量电路发生谐振，总阻抗的虚部为零，消除耦合电容的影响。
本发明石英晶体振荡器激励的非接触电导的测量方法所使用的测量装置如图1所示，其步骤具体如下：
1)本发明的电导测量装置中，石英晶体振荡器1产生频率为
的交流激励信号，其中，L1为激励石英晶体Y1的等效电感的电感值，Cv为可调电容的电容值；而电导测量电路的谐振频率为
其中，L为测量石英晶体3的等效电感的电感值，C为电导测量电路的总耦合电容。由于激励石英晶体Y1和测量石英晶体3具有相同的阻抗-频率特性，激励石英晶体Y1的等效电感的电感值L1等于测量石英晶体3的等效电感的电感值L。为此，本发明通过调节可调电容的电容值等于电导测量电路的总耦合电容C，以使交流激励信号的频率f等于电导测量电路的谐振频率f0，此时石英晶体振荡器1产生振荡频率为f0的交流激励信号。
2)将石英晶体振荡器1产生的振荡频率为f0的交流激励信号通过隔直及幅值调节电路2和测量石英晶体3传输到激励电极4上，对电导传感器进行激励，此时所述电导测量电路发生谐振，使得电导测量电路总阻抗
的虚部为零，由此耦合电容的影响被消除；
3)通过检测电导测量电路中的电流I，由关系式Z0＝U/I得到谐振状态下所述电导测量电路的总阻抗Z0，其中，U为隔直及幅值调节电路2的输出电压；进而根据谐振状态下测量电路总阻抗的表达式Z0＝Rx+r得到被测溶液的阻抗Rx，其中，r为测量石英晶体3的等效电阻的阻值。
利用KCl溶液在内径为1.8mm的水平玻璃管道上对本发明所提及的装置与方法进行验证。其中，验证条件为：激励电压10Vp-p，电极长度20mm，电极间距40mm。验证结果表明，本发明装置可以测量浓度为0～4mol/L的KCl溶液的电导值，而现有的以信号发生器为激励源的非接触电导测量装置，一般仅能对0～2mol/L的KCl溶液进行测量。综上可见，本发明的测量装置不仅结构简单，实施方便，而且利用本发明的测量装置与方法进行电导测量，具有较宽的测量范围，取得了很好的效果。
Claims (4)
1.一种石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置，其特征在于：所述非接触电导测量装置中的石英晶体激励模块包括石英晶体振荡器（1）、隔直及幅值调节电路（2）和测量石英晶体（3），石英晶体振荡器（1）的输出端与隔直及幅值调节电路（2）的输入端连接，隔直及幅值调节电路（2）的输出端与测量石英晶体（3）的一端连接；所述石英晶体振荡器（1）包括激励石英晶体、可调电容、第一反相器、第二反相器、第一电阻、第二电阻和第一电容，所述激励石英晶体与测量石英晶体（3）的阻抗-频率特性相同，第一反相器（U1）的输入端分别与第一电阻（R1）的一端、激励石英晶体（Y1）的一端连接，第一反相器（U1）的输出端分别与第一电阻（R1）的另一端、第一电容（C1）的一端连接，第二反相器（U2）的输入端分别与第一电容（C1）的另一端、第二电阻（R2）的一端连接，第二反相器（U2）的输出端分别与第二电阻（R2）的另一端、可调电容（CV）的一端连接，可调电容（CV）的另一端与激励石英晶体（Y1）的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置，其特征在于：所述石英晶体振荡器（1）还包括第三反相器（U3）和第三电阻（R3），第三反相器（U3）的输入端分别与第二反相器（U2）的输出端、第三电阻（R3）的一端连接，第三反相器（U3）的输出端与第三电阻（R3）的另一端连接。
3.根据权利要求1或2所述的石英晶体振荡器激励的非接触电导测量装置，其特征在于：所述隔直及幅值调节电路（2）包括第一放大器（A1）、第二放大器（A2）、第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第七电阻（R7）和第二电容（C2），第一放大器（A1）的同相输入端分别与第二电容（C2）的一端、第六电阻（R6）的一端连接，第六电阻（R6）的另一端接地，第一放大器（A1）的反相输入端与第一放大器（A1）的输出端连接，第一放大器（A1）的输出端与第五电阻（R5）的一端连接，第二放大器（A2）的同相输入端与第七电阻（R7）的一端连接，第七电阻（R7）的另一端接地，第二放大器（A2）的反相输入端分别与第五电阻（R5）的另一端、第四电阻（R4）的一端连接，第二放大器（A2）的输出端与第四电阻（R4）的另一端连接。
4.一种使用权利要求1的非接触电导测量装置进行电导测量的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）调节石英晶体振荡器（1）中可调电容的电容值等于电导测量电路的总耦合电容，以使石英晶体振荡器（1）的交流激励信号的频率f等于电导测量电路的谐振频率f0，此时石英晶体振荡器（1）产生振荡频率为f0的交流激励信号；
2）将石英晶体振荡器（1）产生的振荡频率为f0的交流激励信号通过隔直及幅值调节电路（2）和测量石英晶体（3）传输到激励电极（4）上，对电导传感器进行激励，此时所述电导测量电路发生谐振；
3）通过检测电导测量电路中的电流I，由关系式Z0＝U/I得到谐振状态下所述电导测量电路的总阻抗Z0，其中，U为隔直及幅值调节电路（2）的输出电压；进而根据谐振状态下电导测量电路总阻抗的表达式Z0＝Rx+r得到被测溶液的阻抗Rx，其中，r为测量石英晶体（3）的等效电阻的阻值。
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| 谭峰等.电容耦合非接触电导检测器的研制.《生命科学仪器》.2004,(第1期),25-27. * |
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