CN102426296A

CN102426296A - 地表水电导率非接触测量装置及方法

Info

Publication number: CN102426296A
Application number: CN2011102931485A
Authority: CN
Inventors: 王保良; 徐升继; 冀海峰; 黄志尧; 李海青
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102426296B

Abstract

本发明公开了一种地表水电导率非接触测量的装置及方法。本发明中交流激励源输出交流信号，经电感模块施加在浮箱外底侧的激励电极上，检测电极获得反映地表水电导率信息的电流信号，电流经信号处理电路放大、整流及滤波后得到容易测量的直流电压信号，建立电导率与输出直流电压的关系模型。根据电导率与电压的对应关系，可得到地表水电导率值。本发明利用串联谐振方法有效地消除了耦合电容对电导测量的影响，可以用于地表水电导率的测量。该装置具有结构简单、电极与地表水非接触、抗干扰能力强和成本低等优点，为地表水电导率野外长期在线检测提供了一个有效的办法。

Description

地表水电导率非接触测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种地表水电导率非接触测量装置及方法。

背景技术

地表水电导率是反映水质状况的重要基本参数，它的连续实时在线检测对水环境监测具有重要意义。地表水电导率检测系统处在野外，若要完成长期在线检测任务，传感器需要能够较少受水中浮游生物或其他杂质附着污染的影响，较少受一些漂流物如落叶、垃圾袋等的干扰，并且较少人工定期巡查清洗维护等要求。因而，地表水电导率的在线实时检测对传感器提出了较高的要求。

现在主要水电导率检测的方法分为电极法和电磁感应法。电极法的应用范围广，从电导率非常小的溶液到一般的水溶液均可使用，但是电极与液体直接接触，电极容易受到污染、氧化腐蚀，并且其测量敏感空间往往是部分封闭的，水中浮游生物容易在测量空间内附着和滋生，影响测量精度，需要定期清洗，野外维护负担较重。电磁感应法是非接触测量，没有极化效应，具有耐腐蚀性高，测量范围广等优点，但是结构比较复杂，而且也不适合低电导率的水溶液测量。因而，这些方法难以充分满足地表水电导率检测的要求，需要设计新原理的检测系统来满足应用要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，基于C⁴D技术，利用串联谐振消除耦合电容的原理，提供了一种地表水电导率非接触测量装置及方法可靠的。

地表水电导率非接触测量装置包括浮箱、交流激励源、电感模块、检测模块和信号处理电路。检测模块包括贴在浮箱外底侧的激励电极、检测电极和绝缘层。激励电极和检测电极都与水之间用绝缘层隔开。交流激励源经电感模块与激励电极相连，检测电极与信号处理电路相连，信号处理电路电路与数据采集及处理系统相连。

地表水电导率非接触测量装置的交流激励源的电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4,第五电阻R5,滑动变阻器R6, 第一反相器I1,第二反相器I2,第三反相器I3,第一电容C1,可调电容C2,石英晶体Y1,第一运算放大器A1,第一电阻R1一端、石英晶体Y1的一端与第一反相器I1的输入端相连，第一电阻R1的另一端、第一反相器I1的输出端与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端、第二电阻R2的一端与第二反相器I2的输入端连接，第二电阻R2的另一端、第二反相器I2的输出端、第三电阻R3的一端、第三反相器I3的输入端与可调电容C2的一端相连，可调电容C2的另一端与石英晶体Y1的另一端连接，第三反相器I3的输出端、第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端、滑动变阻器R6的一端与第一运算放大器A1的反向输入端相连，第一运算放大器A1的输出端与滑动变阻器R6的另一端相连。第五电阻R5的一端与第一运算放大器A1的正向输入端相连，第五电阻R5的另一端接地。

地表水电导率非接触测量装置的信号处理电路包括:第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11,第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第十五电阻R15,第十六电阻R16,第十七电阻R17,第十八电阻R18,第十九电阻R19,第二十电阻R20,第三电容C3,第四电容C4,第二运算放大器A2,第三运算放大器A3,第四运算放大器A4,第五运算放大器A5,第一二极管D1,第二二极管D2,检测电极的一端、第七电阻R7的一端、第三电容C3的一端和第二运算放大器A2的反向输入端连接，第八电阻R8的一端与第二运算放大器A2的正向输入端连接，第八电阻R8的另一端接地，第七电阻R7的另一端、第三电容C3的另一端、第二运算放大器A2的输出端与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端、第十四电阻R14的一端与第三运算放大器A3的反向输入端连接，第十三电阻R13的一端与第三运算放大器A3的正向输入端相连，第十三电阻R13的另一端接地，第十电阻R10的另一端、第十一电阻的一端与第一二极管D1的正极连接，第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的一端与第四运算放大器A4的反向输入端连接，第十四电阻R14的另一端、第二二极管的负极D2与第十五电阻的一端连接，第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的一端与第四运算放大器A4的正向输入端相连，第十六电阻的另一端接地，第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极与第三运算放大器A3的输出端连接，第十二电阻R12的另一端、第四运算放大器A4的输出端与第十七电阻R17的一端连接，第十七电阻R17的另一端、第十八电阻R18的一端与第四电容C4的一端连接，第十八电阻R18的另一端、第十九电阻R19的一端与第五电容C5的一端相连，第四电容C4的另一端接地，第十八电阻R18的另一端、第十九电阻R19的一端与第五运算放大器A5的反向输入端连接，第十九电阻R19的另一端与第五运算放大器A5的输出端相连，第二十电阻R20的一端与第五运算放大器A5的正向输入端连接，第二十电阻R20的另一端接地。

所述的地表水电导率非接触测量的方法包括以下步骤：

1）交流激励源通过电感模块给激励电极提供交流信号，交流信号的频率为f。

2）地表水电导率非接触测量的等效电路总阻抗Z为：

Figure 2011102931485100002DEST_PATH_IMAGE001

L、r分别为电感模块的等效电感和等效电阻，R_x为激励电极和检测电极之间地表水等效电阻，C_x1为激励电极通过绝缘层与地表水形成的第一耦合电容，C_x2为激励电极通过绝缘层与地表水形成的第二耦合电调整交流激励源提供的信号频率，使电路产生谐振，电感的感抗与耦合电容的容抗相抵消，总阻抗Z的虚部为零，其谐振频率为

总阻抗Z变为

Figure 2011102931485100002DEST_PATH_IMAGE003

检测电极流出的电流i ₀为

U _i为交流激励源提供的电压信号。

3）从检测电极流出的微弱交流电流i经信号处理电路放大、整流及滤波之后转换为容易测量的直流电压信号U _o，该直流电压信号U _o可反映出地表水电导率的信息。

4）通过数据采集及处理系统建立直流电压信号U _o与地表水电导率的关系模型。在对未知地表水电导率进行测量时，采集得到直流电压信号U _o后根据建立的模型可以得到地表水的电导率。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

（1）该系统测量空间为开放空间，不易发生水中浮游生物吸附聚集在测量空间的情况。

（2）电极呈片状且面积较大，并且与水不接触，不存在灵敏度特别高的区域，电极处若有浮游生物或杂质经过不会对测量结果产生很大的影响。

（3）激励源提供的是较高频率的交流信号，水中很薄的杂质如塑料袋、树叶对系统测量性能的影响较小

（4）该地表水电导率检测装置可大大减少维护的工作量，可以实现长期无人的野外在线检测。

附图说明

图1是地表水电导率非接触测量装置的结构示意图；

图2是地表水电导率非接触测量方法的等效电路图；

图3是地表水电导率非接触测量装置交流激励源产生信号的电路图；

图4是地表水电导率非接触测量装置的信号处理电路的电路图；

图5是输出电压—电导率之间的关系模型图。

具体实施方式

如图1所示，地表水电导率非接触测量装置包括浮箱1、交流激励源2、电感模块3、检测模块4和信号处理电路8。检测模块4包括贴在浮箱外底侧的激励电极5、检测电极7和绝缘层6。电极与水之间用很薄的绝缘层6隔开。交流激励源2经电感模块3与激励电极5相连，检测电极7与信号处理电路8相连，信号处理电路8与数据采集及处理系统9相连。

如图2所示，地表水电导率非接触测量的等效电路图为：交流激励源2的第一运算放大器的输出端与电感模块3的一端相连，电感模块3等效为电感（L）和电阻（r）串联，电感模块3的另一端与激励电极5经绝缘层6和地表水形成的第一耦合电容（C_x1）相连，检测电极7经绝缘层6和地表水形成的第二耦合电容（C_x2）与信号处理电路8的一端相连。

利用该装置和方法测量水的电导率的流程为：交流激励源2输出正弦电压信号，调整信号的频率，电路发生谐振，电感模块3的感抗与耦合电容的容抗相抵消，在检测电极7处可以得到反映水电导信息的交流电流信号。交流电流信号经信号处理电路8的放大、整流及滤波之后变为容易测量的直流电压信号。通过数据采集及处理系统9建立直流电压信号与地表水电导率的关系模型，根据此模型可以完成对地表水未知电导率进行测量。

如图3所示，地表水电导率非接触测量装置的交流激励源的电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4,第五电阻R5,滑动变阻器R6, 第一反相器I1,第二反相器I2,第三反相器I3,第一电容C1,可调电容C2,石英晶体Y1,第一运算放大器A1,第一电阻R1一端、石英晶体Y1的一端与第一反相器I1的输入端相连，第一电阻R1的另一端、第一反相器I1的输出端与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端、第二电阻R2的一端与第二反相器I2的输入端连接，第二电阻R2的另一端、第二反相器I2的输出端、第三电阻R3的一端、第三反相器I3的输入端与可调电容C2的一端相连，可调电容C2的另一端与石英晶体Y1的另一端连接，第三反相器I3的输出端、第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端、滑动变阻器R6的一端与第一运算放大器A1的反向输入端相连，第一运算放大器A1的输出端与滑动变阻器R6的另一端相连。第五电阻R5的一端与第一运算放大器A1的正向输入端相连，第五电阻R5的另一端接地。

如图4所示，地表水电导率非接触测量装置的信号处理电路包括第七电阻R7,第八电阻R8,第九电阻R9,第十电阻R10,第十一电阻R11,第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第十五电阻R15,第十六电阻R16,第十七电阻R17,第十八电阻R18,第十九电阻R19,第二十电阻R20,第三电容C3,第四电容C4,第二运算放大器A2,第三运算放大器A3,第四运算放大器A4,第五运算放大器A5,第一二极管D1,第二二极管D2,检测电极的一端、第七电阻R7的一端、第三电容C3的一端和第二运算放大器A2的反向输入端连接，第八电阻R8的一端与第二运算放大器A2的正向输入端连接，第八电阻R8的另一端接地，第七电阻R7的另一端、第三电容C3的另一端、第二运算放大器A2的输出端与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端、第十四电阻R14的一端与第三运算放大器A3的反向输入端连接，第十三电阻R13的一端与第三运算放大器A3的正向输入端相连，第十三电阻R13的另一端接地，第十电阻R10的另一端、第十一电阻的一端与第一二极管D1的正极连接，第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的一端与第四运算放大器A4的反向输入端连接，第十四电阻R14的另一端、第二二极管的负极D2与第十五电阻的一端连接，第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的一端与第四运算放大器A4的正向输入端相连，第十六电阻的另一端接地，第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极与第三运算放大器A3的输出端连接，第十二电阻R12的另一端、第四运算放大器A4的输出端与第十七电阻R17的一端连接，第十七电阻R17的另一端、第十八电阻R18的一端与第四电容C4的一端连接，第十八电阻R18的另一端、第十九电阻R19的一端与第五电容C5的一端相连，第四电容C4的另一端接地，第十八电阻R18的另一端、第十九电阻R19的一端与第五运算放大器A5的反向输入端连接，第十九电阻R19的另一端与第五运算放大器A5的输出端相连，第二十电阻R20的一端与第五运算放大器A5的正向输入端连接，第二十电阻R20的另一端接地。

地表水电导率测量方法分为以下步骤：

1）交流激励源2通过电感模块3给激励电极5提供交流信号，交流信号的频率为f。

2）地表水电导率非接触测量的等效电路总阻抗Z为：

L、r分别为电感模块3的等效电感和等效电阻，R_x为激励电极5和检测电极7之间地表水等效电阻。

调整交流激励源2提供的信号频率f，使电路产生谐振，电感的感抗与耦合电容的容抗相抵消，总阻抗Z的虚部为零，其谐振频率为

总阻抗Z变为

Figure 2011102931485100002DEST_PATH_IMAGE005

检测电极7流出的电流i ₀为

U _i为交流激励源2提供的电压信号。

3）从检测电极7流出的微弱交流电流i经信号处理电路8放大、整流及滤波之后转换为直流电压信号U _o。

4）通过数据采集及处理系统9建立直流电压信号U _o与地表水电导率的关系模型。在对未知地表水电导率进行测量时，采集得到直流电压信号U _o后，建立了输出电压—电导率之间的关系模型如图5所示，根据电压与电导率之间一一对应关系，可以完成对未知水的电导率的测量。

Claims

1.地表水电导率非接触测量装置，其特征在于：该装置包括浮箱、交流激励源、电感模块、检测模块和信号处理电路，检测模块包括贴在浮箱外底侧的激励电极、检测电极和绝缘层，激励电极和检测电极都与水之间用绝缘层隔开，交流激励源经电感模块与激励电极相连，检测电极与信号处理电路相连，信号处理电路电路与数据采集及处理系统相连。

2.如权利要求1所述的地表水电导率非接触测量装置，其特征在于所述的交流激励源的电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、滑动变阻器R6、第一反相器I1、第二反相器I2、第三反相器I3、第一电容C1、可调电容C2、石英晶体Y1和第一运算放大器A1；

第一电阻R1一端、石英晶体Y1的一端与第一反相器I1的输入端相连，第一电阻R1的另一端、第一反相器I1的输出端与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端、第二电阻R2的一端与第二反相器I2的输入端连接，第二电阻R2的另一端、第二反相器I2的输出端、第三电阻R3的一端、第三反相器I3的输入端与可调电容C2的一端相连，可调电容C2的另一端与石英晶体Y1的另一端连接，第三反相器I3的输出端、第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端、滑动变阻器R6的一端与第一运算放大器A1的反向输入端相连，第一运算放大器A1的输出端与滑动变阻器R6的另一端相连，第五电阻R5的一端与第一运算放大器A1的正向输入端相连，第五电阻R5的另一端接地。

3.如权利要求1所述的地表水电导率非接触测量装置，其特征在于所述的信号处理电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第三电容C3、第四电容C4、第二运算放大器A2、第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、第五运算放大器A5、第一二极管D1和第二二极管D2；

检测电极的一端、第七电阻R7的一端、第三电容C3的一端和第二运算放大器A2的反向输入端连接，第八电阻R8的一端与第二运算放大器A2的正向输入端连接，第八电阻R8的另一端接地，第七电阻R7的另一端、第三电容C3的另一端、第二运算放大器A2的输出端与第九电阻R9的一端连接，第九电阻R9的另一端、第十电阻R10的一端、第十四电阻R14的一端与第三运算放大器A3的反向输入端连接，第十三电阻R13的一端与第三运算放大器A3的正向输入端相连，第十三电阻R13的另一端接地，第十电阻R10的另一端、第十一电阻的一端与第一二极管D1的正极连接，第十一电阻R11的另一端、第十二电阻R12的一端与第四运算放大器A4的反向输入端连接，第十四电阻R14的另一端、第二二极管的负极D2与第十五电阻的一端连接，第十五电阻R15的另一端、第十六电阻R16的一端与第四运算放大器A4的正向输入端相连，第十六电阻的另一端接地，第一二极管D1的负极、第二二极管D2的正极与第三运算放大器A3的输出端连接，第十二电阻R12的另一端、第四运算放大器A4的输出端与第十七电阻R17的一端连接，第十七电阻R17的另一端、第十八电阻R18的一端与第四电容C4的一端连接，第十八电阻R18的另一端、第十九电阻R19的一端与第五电容C5的一端相连，第四电容C4的另一端接地，第十八电阻R18的另一端、第十九电阻R19的一端与第五运算放大器A5的反向输入端连接，第十九电阻R19的另一端与第五运算放大器A5的输出端相连，第二十电阻R20的一端与第五运算放大器A5的正向输入端连接，第二十电阻R20的另一端接地。

4.地表水电导率非接触测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1）交流激励源通过电感模块给激励电极提供交流信号，交流信号的频率为f；

步骤2）地表水电导率非接触测量的等效电路总阻抗Z为：

L、r分别为电感模块的等效电感和等效电阻，R_x为激励电极和检测电极之间地表水等效电阻，C_x1为激励电极通过绝缘层与地表水形成的第一耦合电容，C_x2为激励电极通过绝缘层与地表水形成的第二耦合电容，

调整交流激励源提供的信号频率，使电路产生谐振，电感的感抗与耦合电容的容抗相抵消，总阻抗Z的虚部为零，其谐振频率为：

总阻抗Z变为

检测电极流出的电流i ₀为

U _i为交流激励源提供的电压信号；

步骤3）从检测电极流出的微弱交流电流i经信号处理电路放大、整流及滤波之后转换为容易测量的直流电压信号U _o，该直流电压信号U _o可反映出地表水电导率的信息；

步骤4）通过数据采集及处理系统建立直流电压信号U _o与地表水电导率的关系模型，在对未知地表水电导率进行测量时，采集得到直流电压信号U _o后根据建立的模型可以得到地表水的电导率。