CN103941099B - 基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法。它包括交流激励源、虚拟电感模块、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、电流检测模块，在绝缘测量管道外壁安装激励电极和检测电极，虚拟电感模块的两端分别与交流激励源和激励电极相连，检测电极与电流检测模块相连。本发明利用虚拟电感代替普通电感，沿用串联谐振方法，有效克服了电极、绝缘管壁、导电液体所形成的耦合电容对测量范围和测量灵敏度的不利影响。同时，虚拟电感相对于普通电感，有效的减小电感尺寸，实现等效电感量的调节，克服电感本身参数对检测带来的不利影响。相应装置具有成本低、对流场无干扰等优点，为解决管道中导电液体电导测量提供有益的借鉴。

Description

基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法。

背景技术

管道中的液相体系在自然界和工业过程中普遍存在，液体相关物理参数的检测对于准确计量、安全生产、节能环保、工业控制过程优化及资源合理开发等均具有相当重要的意义，其中，电导率是液体的基本物理参数之一，因此，电导率的检测对于科研和生产有着重要作用。

电容耦合式非接触电导检测技术是一种新型非接触电导测量技术，然而，其电极、绝缘管壁、导电液体所形成的耦合电容对测量范围和测量灵敏度造成不利影响，而且，目前该技术研究与应用主要为分析化学等领域中毛细管溶液电导、离子浓度等的测量。近年来，出现了基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法（专利公开号：CN101387613A），该装置及方法在保留电容耦合式非接触式电导检测技术优点的同时，消除了耦合电容对测量范围以及灵敏度的不利影响，进一步提高传感器的测量性能。然而，串联谐振所用到的普通电感存在一些问题，例如：普通电感与毛细管或者小通道尺寸相比体积较大，电感量调节困难，另外电感本身的分布电容等参数对检测造成不利影响。

利用虚拟电感代替普通电感，沿用串联谐振思想，设计一种电导测量装置及方法。在具备基于串联谐振的电容耦合式非接触电导测量技术优点的同时，利用虚拟电感代替普通电感，可以有效的减小电感尺寸，降低电感的制作工艺，实现电感量的调节，克服电感本身参数对检测带来的不利影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种稳定、可靠的基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法。

基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置包括交流激励源、虚拟电感模块、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、电流检测模块，在绝缘测量管道外壁安装有激励电极和检测电极，虚拟电感模块的两端分别与交流激励源和激励电极相连，检测电极与电流检测模块相连接。

所述的虚拟电感模块为：第一运算放大器的正相输入端为虚拟电感模块的输入端，第四运算放大器的正相输入端为虚拟电感模块的输出端。交流激励源的一端、第一电阻的一端与第一运算放大器的正相输入端相连接，第四电阻的一端、第一电容的一端与第一运算放大器的反相输入端相连接，第三电阻的一端、第四电阻的另一端、第一电容的另一端与第一运算放大器的输出端相连接，第二运算放大器的正相输入端与第一运算放大器的正相输入端相短接，第三电阻的另一端、第二电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端相连接，第一电阻的另一端、第二电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连接，第一运算放大器的反相输入端经第五电阻、第六电阻与第三运算放大器的反相输入端相连接，第七电阻的一端、第二电容的一端与第三运算放大器的反相输入端相连接，第七电阻的另一端、第八电阻的一端、第二电容的另一端与第三运算放大器的输出端相连接，第八电阻的另一端、第九电阻的一端与第四运算放大器的反相输入端相连接，第九电阻的另一端、第十电阻的一端与第四运算放大器的输出端相连接，第十电阻的另一端与第四运算放大器的正相输入端相连接，第三运算放大器的正相输入端、激励电极的一端与第四运算放大器的正相输入端相连接。

基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量方法是：将激励频率为f，输出幅值为Vi的交流激励信号源施加在虚拟电感模块上，交流激励信号、虚拟电感、激励电极、检测电极以及两电极之间的被测溶液形成交流通路，其中，虚拟电感代替普通电感，通过虚拟电感等效电感量的调节使得整个交流通路处于串联谐振状态，通过检测交流通路中的交流电流，获得非接触电导检测电路的总阻抗，进而得到被测溶液的阻抗；

所述虚拟电感模块的等效电感量的调节方法为：

设置交流激励源的激励频率为f，输出电压为V_i，在该激励信号作用下，虚拟电感模块输入电流I_in的大小为：输出电流I_out的大小为：其中R₁=R₁₀，R₂=R₉，R₃=R₈，R₄=R₇，R₅=R₆，C₁=C₂，虚拟电感模块的输入电流I_in和输出电流I_out的大小相等，方向相反，且虚拟电感模块的总阻抗Z_L大小为：虚拟电感等效电感量L为：等效电阻值r为其中，等效电阻值r为常量，对虚拟电感实现电感功能及等效电感量均无影响，因此，通过调节虚拟电感模块中的第五电阻、第六电阻的电阻值大小，实现虚拟电感的等效电感量L的调节；

所述非接触电导检测电路的总阻抗为：其中，R_x为被测溶液阻值，L为虚拟电感等效电感量，r为虚拟电感等效电阻，C_x1为激励电极、绝缘测量管道与管道内导电溶液形成的耦合电容，C_x2为检测电极、绝缘测量管道与管道内导电溶液形成的耦合电容；

令总阻抗Z的虚部为零，得到电路的谐振频率 $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{C_{x1}{C}_{x2}L}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{C_{x1}{C}_{x2}}\frac{2R_1{R}_3{R}_5}{R_2}{C}_1},$ 将交流激励源的激励频率f₀设置为常数，调节虚拟电感模块中第五电阻、第六电阻的电阻值大小，从而改变虚拟电感的等效电感量，使得电路处于谐振状态；

在谐振频率f₀的条件下，可知电导检测电路的总阻抗Z的虚部为零，大小为：Z₀＝R_x+r；通过电流检测模块获得电路中电流I的大小，经关系式即得到谐振状态下电路的总阻抗，从而获得被测液体的阻抗R_x。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1）测量方式为非接触式，避免了电极与绝缘管道内溶液接触，防止电极极化和电化学腐蚀等问题的发生，尤其解决了导电溶液的污染问题；

2）串联谐振思想的沿用，提高了传感器测量范围以及测量灵敏度，扩大了测量装置适用的管道尺寸；

3）利用虚拟电感代替普通电感，可以有效的减小电感尺寸，实现虚拟电感等效电感量的调节，克服电感本身参数及电感与电感之间产生的互感对检测带来的不利影响。

附图说明

图1是基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置的结构示意图；

图2是本发明的电容耦合式非接触电导传感器的等效电路图；

图3是本发明的虚拟电感电路图；

图中：交流激励源1、虚拟电感模块2、绝缘测量管道3、激励电极4、检测电极5、电流检测模块6。

具体实施方式

如图1所示，基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置包括交流激励源1、虚拟电感模块2、绝缘测量管道3、激励电极4、检测电极5、电流检测模块6，在绝缘测量管道3外壁安装有激励电极4和检测电极5，虚拟电感模块2的两端分别与交流激励源1和激励电极4相连，检测电极5与电流检测模块6相连接。

利用该装置和方法测量溶液电导的流程为：交流激励源1输出交流激励信号频率为谐振频率，交流激励信号通过虚拟电感模块2后施加到激励电极4上，利用虚拟电感的等效感抗消除耦合电容容抗的影响，在检测电极4上能够得到反映溶液电导的电流信号，经电流检测模块6将信号输出显示。

如图2所示，基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导检测装置的等效电路为：交流激励源1一端接地，另一端与虚拟电感模块2的一端相连接，虚拟电感模块的另一端与激励电极4、绝缘管道3和管道内导电溶液形成的第一耦合电容C_x1相连接，检测电极5、绝缘管道3和管道内导电溶液形成第二耦合电容C_x2，绝缘管道3内导电溶液形成的电阻的两端分别与第一耦合电容C_x1的另一端、第二耦合电容C_x2的一端相连接，第二耦合电容C_x2的另一端接入电流检测模块6进行数据处理与显示。

如图3所示，所述的虚拟电感模块2为：第一运算放大器A₁（AD825）的正相输入端为虚拟电感模块2的输入端，第四运算放大器A₄（AD825）的正相输入端为虚拟电感模块2的输出端。交流激励源1的一端、第一电阻R₁的一端与第一运算放大器A₁（AD825）的正相输入端相连接，第四电阻R₄的一端、第一电容C₁的一端与第一运算放大器A₁（AD825）的反相输入端相连接，第三电阻R₃的一端、第四电阻R₄的另一端、第一电容C₁的另一端与第一运算放大器A₁（AD825）的输出端相连接，第二运算放大器A₂（AD825）的正相输入端与第一运算放大器A₁（AD825）的正相输入端相短接，第三电阻R₃的另一端、第二电阻R₂的一端与第二运算放大器A₂（AD825）的反相输入端相连接，第一电阻R₁的另一端、第二电阻R₂的另一端与第二运算放大器A₂（AD825）的输出端相连接，第一运算放大器A₁（AD825）的反相输入端经第五电阻R₅、第六电阻R₆与第三运算放大器A₃（AD825）的反相输入端相连接，第七电阻R₇的一端、第二电容C₂的一端与第三运算放大器A₃（AD825）的反相输入端相连接，第七电阻R₇的另一端、第八电阻R₈的一端、第二电容C₂的另一端与第三运算放大器A₃（AD825）的输出端相连接，第八电阻R₈的另一端、第九电阻R₉的一端与第四运算放大器A₄（AD825）的反相输入端相连接，第九电阻R₉的另一端、第十电阻R₁₀的一端与第四运算放大器A₄（AD825）的输出端相连接，第十电阻R₁₀的另一端与第四运算放大器A₄（AD825）的正相输入端相连接，第三运算放大器A₃（AD825）的正相输入端、激励电极4的一端与第四运算放大器A₄（AD825）的正相输入端相连接。

基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量方法是：将激励频率为f，输出幅值为Vi的交流激励信号源施加在虚拟电感模块2上，交流激励信号、虚拟电感、激励电极、检测电极以及两电极之间的被测溶液形成交流通路，其中，虚拟电感代替普通电感，通过虚拟电感等效电感量的调节使得整个交流通路处于串联谐振状态，通过检测交流通路中的交流电流，获得非接触电导检测电路的总阻抗，进而得到被测溶液的阻抗；

所述虚拟电感模块2的等效电感量的调节方法为：

设置交流激励源1的激励频率为f，输出电压为V_i，在该激励信号作用下，虚拟电感模块2输入电流I_in的大小为：输出电流I_out的大小为：其中R₁=R₁₀，R₂=R₉，R₃=R₈，R₄=R₇，R₅=R₆，C₁=C₂，虚拟电感模块2的输入电流I_in和输出电流I_out的大小相等，方向相反，且虚拟电感模块2的总阻抗Z_L大小为：虚拟电感等效电感量L为：等效电阻值r为其中，等效电阻值r为常量，对虚拟电感实现电感功能及等效电感量均无影响，因此，通过调节虚拟电感模块2中的第五电阻R₅、第六电阻R₆的电阻值大小，实现虚拟电感的等效电感量L的调节；

所述非接触电导检测电路的总阻抗为：其中，R_x为被测溶液阻值，L为虚拟电感等效电感量，r为虚拟电感等效电阻，C_x1为激励电极4、绝缘测量管道3与管道内导电溶液形成的耦合电容，C_x2为检测电极5、绝缘测量管道3与管道内导电溶液形成的耦合电容；

令总阻抗Z的虚部为零，得到电路的谐振频率 $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{C_{x1}{C}_{x2}L}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{C_{x1}+C_{x2}}{C_{x1}{C}_{x2}}\frac{2R_1{R}_3{R}_5}{R_2}{C}_1},$ 将交流激励源1的激励频率f₀设置为常数，调节虚拟电感模块2中第五电阻R₅、第六电阻R₆的电阻值大小，从而改变虚拟电感的等效电感量，使得电路处于谐振状态；

在谐振频率f₀的条件下，可知电导检测电路的总阻抗Z的虚部为零，大小为：Z₀＝R_x+r；通过电流检测模块6获得电路中电流I的大小，经关系式即得到谐振状态下电路的总阻抗，从而获得被测液体的阻抗R_x。

已利用0～2.0mol/L的KCL标准溶液在水平毛细管道上对本发明中所提及的装置及其方法进行了初步试验，验证了本发明的可行性。试验结果表明：利用本发明中所提及的装置及其方法，有效克服了耦合电容对检测带来的不利影响，减小电感尺寸，实现等效电感量的调节，克服电感本身参数对检测带来的不利影响；并且能够实现管道中导电溶液的电导测量，并可取得较好的测量结果。

Claims (1)

1.一种基于虚拟电感的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于包括交流激励源（1）、虚拟电感模块（2）、绝缘测量管道（3）、激励电极（4）、检测电极（5）、电流检测模块（6），在绝缘测量管道（3）外壁安装有激励电极（4）和检测电极（5），虚拟电感模块（2）的两端分别与交流激励源（1）和激励电极（4）相连，检测电极（5）与电流检测模块（6）相连接；所述的虚拟电感模块（2）为：第一运算放大器（A₁）的正相输入端为虚拟电感模块（2）的输入端，第四运算放大器（A₄）的正相输入端为虚拟电感模块（2）的输出端；交流激励源（1）的一端、第一电阻（R₁）的一端与第一运算放大器（A₁）的正相输入端相连接，第四电阻（R₄）的一端、第一电容（C₁）的一端与第一运算放大器（A₁）的反相输入端相连接，第三电阻（R₃）的一端、第四电阻（R₄）的另一端、第一电容（C₁）的另一端与第一运算放大器（A₁）的输出端相连接，第二运算放大器（A₂）的正相输入端与第一运算放大器（A₁）的正相输入端相短接，第三电阻（R₃）的另一端、第二电阻（R₂）的一端与第二运算放大器（A₂）的反相输入端相连接，第一电阻（R₁）的另一端、第二电阻（R₂）的另一端与第二运算放大器（A₂）的输出端相连接，第一运算放大器（A₁）的反相输入端经第五电阻（R₅）、第六电阻（R₆）与第三运算放大器（A₃）的反相输入端相连接，第七电阻（R₇）的一端、第二电容（C₂）的一端与第三运算放大器（A₃）的反相输入端相连接，第七电阻（R₇）的另一端、第八电阻（R₈）的一端、第二电容（C₂）的另一端与第三运算放大器（A₃）的输出端相连接，第八电阻（R₈）的另一端、第九电阻（R₉）的一端与第四运算放大器（A₄）的反相输入端相连接，第九电阻（R₉）的另一端、第十电阻（R₁₀）的一端与第四运算放大器（A₄）的输出端相连接，第十电阻（R₁₀）的另一端与第四运算放大器（A₄）的正相输入端相连接，第三运算放大器（A₃）的正相输入端、激励电极（4）的一端与第四运算放大器（A₄）的正相输入端相连接。