CN102901877A

CN102901877A - 利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置及方法

Info

Publication number: CN102901877A
Application number: CN2012104495748A
Authority: CN
Inventors: 陈丽婷; 陈广; 尹武良
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，该装置包含：通过电路依次连接的PC主机、FPGA主板、前端板和传感器装置，以及用于放置待测电解质溶液的测量管道；其中，所述传感器装置包含平行绕制在所述测量管道外侧的激励线圈和接收线圈，形成共轴线圈。本发明还提供一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量方法。本发明用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，可以在不与被测电解质溶液接触，不影响正常使用的情况下，通过直接检测接收线圈上的感应信号即可方便准确实时的检测得到该种电解质溶液的电导率。

Description

利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置及方法，具体是指一种利用共轴线圈对电导率在σ<10s/m范围内的电解质溶液电导率的非接触式测量装置及方法，属于流体实时检测技术领域。

背景技术

电导率是反应电解质溶液的重要特性的参数之一，被广泛应用于水质监测、医药卫生、科学研究以及工业生产的过程中。当前，和电导率较高的金属材料相比，由于受自身浓度分布、不稳定形态、温度等因素的影响，实现电解质溶液电导率的准确、快速的测量存在一定的难度。

现有技术中，检测电解质溶液电导率的方法包括电极电导测量法，以及电容耦合电导率测量法。其中，电极电导测量法在实际测量中由于其特殊性而存在较多的局限性。由于这种方法属于接触式测量，在一定程度上会对被测的电解质溶液流体造成破坏；并且存在电极长期与电解质溶液接触而被腐蚀等问题。

而所述的电容耦合电导率测量法由于测量原理和测量数量级的限制，因此较多的还是使用于对毛细血管等微小尺度管道的测量且测量量程也偏小。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置及方法，可以在不与被测电解质溶液接触，不影响正常使用的情况下，通过直接检测接收线圈上的感应信号即可方便准确实时的检测得到该种电解质溶液的电导率。

为实现上述目的，本发明提供一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，该装置包含：通过电路依次连接的PC主机、FPGA主板、前端板和传感器装置，以及用于放置待测电解质溶液的测量管道；其中，所述传感器装置包含平行绕制在所述测量管道外侧的激励线圈和接收线圈，形成共轴线圈。

所述的测量管道的半径为10mm。

所述激励线圈和接收线圈均绕制50匝，两者之间的绕制间距为20mm，共振频率为25MHz，阻抗为15欧姆。

所述传感器装置的表面采用环氧乙烯塑封铝箔纸包裹以作为屏蔽层。

所述FPGA主板包含：与所述PC主机通过电路连接的USB接口，直接数字频率合成器，累加器，微处理器，与所述直接数字频率合成器通过电路连接的数模转换器，以及与所述累加器通过电路连接的模数转换器。

所述前端板包含：分别与所述激励线圈和接收线圈通过电路连接的模拟开关，以及与所述模拟开关通过电路连接的功率放大器和信号预处理器；其中，所述功率放大器还与模数转换器通过电路连接；所述信号预处理器还与数模转换器通过电路连接；所述模拟开关还与微处理器通过电路连接，根据微处理器发出的逻辑控制信号对激励信号和感应信号进行选通。

本发明还提供一种利用上述测量装置对电解质溶液电导率进行测量的方法，该方法用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，需在常温、密闭的环境下进行；所述方法主要包含以下步骤：

步骤1、将被测电解质溶液注入测量管道中；

步骤2、PC主机经由USB接口向直接数字频率合成器发送启动信号，装置预热10分钟；

步骤3、微处理器向模拟开关发出逻辑控制信号，激励信号被选通；所述直接数字频率合成器通过频率合成生成原始激励信号，并通过数模转换器进行信号数模转换，再经过功率放大器的功率放大处理后，经由选通的模拟开关向激励线圈施加激励信号，通过被测电解质溶液使得接收线圈产生感应信号；

步骤4、微处理器向模拟开关发出逻辑控制信号，感应信号被选通；所述信号预处理器直接检测接收线圈上产生的感应信号进行放大预处理后，传输至模数转换器进行信号模数转换，再传输至累加器计算，最终通过USB接口传输至PC主机显示检测结果。

综上所述，本发明所提供的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置及方法，用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，可以在不与被测电解质溶液接触，不影响正常使用的情况下，通过直接检测接收线圈上的感应信号即可方便准确实时的检测得到该种电解质溶液的电导率。

附图说明

图1为本发明中的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置的结构示意图

图2为本发明中的前端板的电路结构图。

具体实施方式

以下结合图1～图2，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，本发明所提供的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，其包含：通过电路依次连接的PC主机1、FPGA（现场可编程门阵列）主板2、前端板3和传感器装置，以及用于放置待测电解质溶液的测量管道。

所述的测量管道的半径为10mm。

所述传感器装置包含平行绕制在所述测量管道外侧的激励线圈41和接收线圈42，形成共轴线圈。所述激励线圈41和接收线圈42均绕制50匝，两者之间的绕制间距为20mm，共振频率为25MHz，阻抗为15欧姆。进一步，所述传感器装置的表面采用环氧乙烯塑封铝箔纸包裹以作为屏蔽层。

所述FPGA主板2包含：与所述PC主机1通过电路连接的USB接口26， DDS（直接数字频率合成器）21，累加器24，MCU（微处理器）25，与所述DDS 21通过电路连接的数模转换器22，以及与所述累加器24通过电路连接的模数转换器23。所述DDS 21通过USB接口26接收PC主机1发送的启动信号，通过频率合成生成原始激励信号，并通过数模转换器22进行信号数模转换。所述模数转换器23对检测到的感应信号进行采集并进行信号模数转换后，传输至累加器24计算，最终通过USB接口26传输至PC主机1显示检测结果。

本实施例中，所述模数转换器23采用型号为AD9266的模数转换芯片，其采样频率为

=50MHz，选择工作频率为

Figure 2012104495748100002DEST_PATH_IMAGE004

=2.5MHz。所述FPGA主板2的激励频率和测量频率均在1～5MHz之间，以便提高信号的空间灵敏度，同时降低高频干扰。

所述前端板3包含：分别与所述激励线圈41和接收线圈42通过电路连接的模拟开关31，以及与所述模拟开关通过电路连接的功率放大器32和信号预处理器33；其中，所述功率放大器32还与模数转换器22通过电路连接；所述信号预处理器33还与数模转换器23通过电路连接；所述模拟开关31还与MCU 25通过电路连接，根据MCU 25发出的逻辑控制信号对激励信号和感应信号进行选通。

如图3所示，本实施例中，所述功率放大器32采用型号为74C906和型号为OPA544的集成电路芯片实现，用于接收由DDS 21传送来的激励信号，并将该激励信号进行功率放大。所述信号预处理器33采用型号为INA105和型号为INA104的集成电路芯片实现，用于接收由传感器装置的接收线圈42检测到的感应信号并进行放大预处理，再将该感应信号传输至模数转换器23。其中，所述INA1049的集成电路芯片采取差模输入模式。

本发明还提供一种利用上述测量装置对电解质溶液电导率进行测量的方法，该方法用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，需在常温、密闭的环境下进行，以避免温度和高频信号的干扰；所述方法主要包含以下步骤：

步骤1、将被测电解质溶液注入测量管道中；

步骤2、PC主机1经由USB接口26向DDS 21发送启动信号，装置预热10分钟；

步骤3、MCU 25向模拟开关31发出逻辑控制信号，激励信号被选通；所述DDS 21通过频率合成生成原始激励信号，并通过数模转换器22进行信号数模转换，再经过功率放大器32的功率放大处理后，经由选通的模拟开关31向激励线圈41施加激励信号，通过被测电解质溶液使得接收线圈42产生感应信号；

步骤4、MCU 25向模拟开关31发出逻辑控制信号，感应信号被选通；所述信号预处理器33直接检测接收线圈42上产生的感应信号进行放大预处理后，传输至模数转换器23进行信号模数转换，再传输至累加器24计算，最终通过USB接口26传输至PC主机1显示检测结果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，其特征在于，用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，该装置包含：

通过电路依次连接的PC主机（1）、FPGA主板（2）、前端板（3）和传感器装置，以及用于放置待测电解质溶液的测量管道；

其中，所述传感器装置包含平行绕制在所述测量管道外侧的激励线圈（41）和接收线圈（42），形成共轴线圈。

2.如权利要求1所述的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，其特征在于，所述测量管道的半径为10mm。

3.如权利要求1所述的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，其特征在于，所述激励线圈（41）和接收线圈（42）均绕制50匝，两者之间的绕制间距为20mm，共振频率为25MHz，阻抗为15欧姆。

4.如权利要求3所述的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，其特征在于，所述传感器装置的表面采用环氧乙烯塑封铝箔纸包裹以作为屏蔽层。

5.如权利要求1所述的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，其特征在于，所述FPGA主板（2）包含：与所述PC主机（1）通过电路连接的USB接口（26），直接数字频率合成器（21），累加器（24），微处理器（25），与所述直接数字频率合成器（21）通过电路连接的数模转换器（22），以及与所述累加器（24）通过电路连接的模数转换器（23）。

6.如权利要求5所述的利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量装置，其特征在于，所述前端板（3）包含：分别与所述激励线圈（41）和接收线圈（42）通过电路连接的模拟开关（31），以及与所述模拟开关通过电路连接的功率放大器（32）和信号预处理器（33）；

所述功率放大器（32）还与模数转换器（22）通过电路连接；

所述信号预处理器（33）还与数模转换器（23）通过电路连接；

所述模拟开关（31）还与微处理器（25）通过电路连接，根据微处理器（25）发出的逻辑控制信号对激励信号和感应信号进行选通。

7.一种利用共轴线圈对电解质溶液电导率的非接触式测量方法，用于测量电导率在σ<10s/m的特定范围内的电解质溶液的电导率，需在常温、密闭的环境下进行，其特征在于，所述测量方法包含以下步骤：

步骤1、将被测电解质溶液注入测量管道中；

步骤2、PC主机（1）经由USB接口（26）向直接数字频率合成器（21）发送启动信号，装置预热10分钟；

步骤3、微处理器（25）向模拟开关（31）发出逻辑控制信号，激励信号被选通；所述直接数字频率合成器（21）通过频率合成生成原始激励信号，并通过数模转换器（22）进行信号数模转换，再经过功率放大器（32）的功率放大处理后，经由选通的模拟开关（31）向激励线圈（41）施加激励信号，通过被测电解质溶液使得接收线圈（42）产生感应信号；

步骤4、微处理器（25）向模拟开关（31）发出逻辑控制信号，感应信号被选通；所述信号预处理器（33）直接检测接收线圈（42）上产生的感应信号进行放大预处理后，传输至模数转换器（23）进行信号模数转换，再传输至累加器（24）计算，最终通过USB接口（26）传输至PC主机（1）显示检测结果。