CN104198821B - 基于阻抗相消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阻抗相消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、阻抗相消模块、绝缘测量管道、两个金属电极、电压检测模块，阻抗相消模块包括阻抗提取模块、容性阻抗放大模块、差分模块。阻抗相消模块的输入端与交流激励源相连，输出端与电压检测模块相连，测量端与安装于绝缘测量管道外壁的两个金属电极相连。本发明利用阻抗相消模块，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，扩大了测量装置适用的管道尺寸。同时，相比于基于串联谐振的电容耦合式非接触电导检测技术，本发明的交流激励源频率选择自由,为解决管道中导电液体电导测量提供有效的手段。

Description

基于阻抗相消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，尤其涉及一种基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法。

背景技术

管道中的液相体系广泛存在于诸多工业领域中，液体相关物理参数的检测对石油、化工、冶金、医药等产业的生产和发展具有重要的意义。其中，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组分、分布、浓度等其它特性参数起着重要的作用。

电容耦合式非接触电导检测技术是一种新型的非接触测量技术。该技术避免了电极与被测溶液的接触，防止了电极极化和电化学腐蚀等问题的发生，有效解决了导电溶液对金属电极的污染问题。然而，其金属电极-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带来了不利影响。随着管道内径的增加，管道内液体电阻的减小，耦合电容的不利影响更加突出，限制了该技术在大管道上的应用。因此，该技术现主要应用于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(专利号CN200910099505.7)，该装置及方法通过电感与电容的串联谐振，消除了耦合电容对测量范围以及测量灵敏度的不利影响，提高了传感器的测量性能。然而，该装置及方法只能工作于特定的谐振频率下，频率选择受到一定限制。

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、可靠的基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量装置及其方法。

基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量装置包括交流激励源、阻抗相消模块、绝缘测量管道、两个金属电极、电压检测模块；阻抗相消模块包括阻抗提取模块、容性阻抗放大模块、差分模块；阻抗提取模块的输入端与容性阻抗放大模块的输入端相连，阻抗提取模块的输出端和容性阻抗放大模块的输出端分别与差分模块的同相输入端和反相输入端连；阻抗相消模块的输入端与交流激励源相连，阻抗相消模块的输出端与电压检测模块相连，阻抗相消模块的测量端与安装于绝缘测量管道外壁的两个金属电极相连。

所述的阻抗相消模块为：第一电阻与第三电阻相连的一端为模块的输入端，第三运算放大器的输出端为模块的输出端，第二运算放大器的反相输入端与输出端为模块的测量端，测量端的两端分别与安装于绝缘测量管道外壁的两个金属电极相连；交流激励源的一端与第一电阻的一端、第三电阻的一端相连，第一电阻的另一端、第一电容的一端、第五电阻的一端与第一运算放大器的反相输入端相连，第二电阻的一端与第一运算放大器的同相输入端相连，第一电容的另一端、第五电阻的另一端、第七电阻的一端与第一运算放大器的输出端相连，第二电阻的另一端接地，第三电阻的另一端、第六电阻的一端、一个金属电极与第二运算放大器的反相输入端相连，第四电阻的一端与第二运算放大器的同相输入端相连，另一个金属电极、第六电阻的另一端、第八电阻的一端与第二运算放大器的输出端相连，第四电阻的另一端接地，第七电阻的另一端、第九电阻的一端与第三运算放大器的反相输入端相连，八电阻的另一端、第十电阻的一端与三运算放大器的同相输入端相连，第九电阻的另一端、电压测量模块的一端与第三运算放大器的输出端相连，第十电阻的另一端接地。

基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量方法为：生成一外部阻抗，经放大后与欲消除的阻抗进行差分，从而实现阻抗相消，进而实现电导测量；具体实现为：通过阻抗提取模块获取被测对象的阻抗信号，通过容性阻抗放大模块获取一容性阻抗信号，通过差分模块将阻抗提取模块的输出信号与容性阻抗放大模块的输出信号进行差分，从而消除由阻抗提取模块获取的被测对象的阻抗信号中的容抗信号，获取电阻信号；

所述阻抗相消模块中容性阻抗放大模块的容性阻抗信号的调节方法为：

设置交流激励源的激励输出电压为U_in，频率为f，在该激励信号作用下，阻抗相消模块的第一运算放大器的输出电压U₁为：令2πfR₅C₁＞＞1则阻抗相消模块的第二运算放大器的输出电压U₂为： $U_2=-\frac{(1+2{\mathrm{\πfR}}_x{C}_{x}j)R_6}{(1+2{\mathrm{\πfR}}_x{C}_{x}j+2{\mathrm{\πfR}}_6{C}_{x}j)R_3}{U}_{\mathrm{in}},$ 令|2πfR₆C_xj|＞＞|1+2πfR_xC_xj|则阻抗相消模块的输出电压U_out为：其中R₇＝R₈、R₉＝R₁₀，则输出电压U_out为： $U_{\mathrm{out}}=(U_2-U_1)\frac{R_9}{R_7}=-\frac{R_x{R}_9}{R_3{R}_7}{U}_{\mathrm{in}}+(\frac{R_9}{2\mathrm{\πf}{R}_7{R}_3{C}_x}-\frac{R_9}{2\mathrm{\π}{\mathrm{fR}}_7{R}_1{C}_1})U_{\mathrm{in}}j,$ 其中，R_x为被测溶液阻抗，C_x为绝缘测量管道与两个金属电极形成的总耦合电容，

通过调节阻抗相消模块中第一电阻的电阻值大小，使R₁C₁＝R₃C_x，此时阻抗相消模块的输出电压U_out与输入电压U_in相位差为180°，阻抗相消模块的输出电压U_out的虚部为零，测量回路呈纯阻性，即实现了容抗的差分相消；

在阻抗相消的条件下，可知阻抗相消模块的输出电压U_out为：输出电压U_out的幅值与被测液体的阻抗R_x成正比，与总耦合电容C_x及激励频率f无关，测量过程中保持交流激励源的激励电压U_in恒定，通过电压检测模块测量阻抗相消模块的输出电压U_out的幅值即可根据此关系式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)采用非接触式测量方式，避免了电极与被测溶液的接触，防止了电极极化和电化学腐蚀等问题的发生，有效解决了导电溶液对金属电极的污染问题；

2)利用阻抗相消，提高了传感器电阻测量的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)输出信号幅值与交流激励源的频率无关，相比基于串联谐振的电容耦合式非接触电导测量方法，交流激励源频率选择自由。

附图说明

图1是基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量装置的结构示意图；

图2是绝缘测量管道与两个金属电极所组成的传感器的等效电路图；

图3是本发明的阻抗相消模块与传感器相连后的电路图；

图中：交流激励源1、阻抗相消模块2、绝缘测量管道3、两个金属电极4、电压检测模块5、阻抗提取模块6、容性阻抗放大模块7、差分模块8。

具体实施方式

本发明通过生成一外部阻抗，经放大后与欲消除的阻抗(此处为耦合电容的等效容抗)进行差分，从而实现阻抗相消，消除了电极-绝缘管壁-导电液体所形成的耦合电容部分的电压分量，获取了导电液体部分的电压分量，有效地克服了耦合电容对测量范围和测量灵敏度的不利影响。同时，相比于基于谐振的电容耦合式非接触检测技术，本发明输出信号幅值与交流激励源的频率无关，交流激励源频率选择自由。

如图1所示，基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量装置包括交流激励源1、阻抗相消模块2、绝缘测量管道3、两个金属电极4、电压检测模块5；阻抗相消模块2包括阻抗提取模块6、容性阻抗放大模块7、差分模块8；阻抗提取模块6的输入端与容性阻抗放大模块7的输入端相连，阻抗提取模块6的输出端和容性阻抗放大模块7的输出端分别与差分模块8的同相输入端和反相输入端连；阻抗相消模块2的输入端与交流激励源1相连，阻抗相消模块2的输出端与电压检测模块5相连，阻抗相消模块2的测量端与安装于绝缘测量管道3外壁的两个金属电极4相连。

如图2所示，所述的阻抗相消模块2为：第一电阻R₁与第三电阻R₃相连的一端为模块的输入端，第三运算放大器A₃(AD817AN)的输出端为模块的输出端，第二运算放大器A₂(AD817AN)的反相输入端与输出端为模块的测量端，测量端的两端分别与安装于绝缘测量管道3外壁的两个金属电极4相连；交流激励源1的一端与第一电阻R₁的一端、第三电阻R₃的一端相连，第一电阻R₁的另一端、第一电容C₁的一端、第五电阻R₅的一端与第一运算放大器A₁(AD817AN)的反相输入端相连，第二电阻R₂的一端与第一运算放大器A₁(AD817AN)的同相输入端相连，第一电容C₁的另一端、第五电阻R₅的另一端、第七电阻R₇的一端与第一运算放大器A₁(AD817AN)的输出端相连，第二电阻R₂的另一端接地，第三电阻R₃的另一端、第六电阻R₆的一端、一个金属电极与第二运算放大器A₂(AD817AN)的反相输入端相连，第四电阻R₄的一端与第二运算放大器A₂(AD817AN)的同相输入端相连，另一个金属电极、第六电阻R₆的另一端、第八电阻R₈的一端与第二运算放大器A₂(AD817AN)的输出端相连，第四电阻R₄的另一端接地，第七电阻R₇的另一端、第九电阻R₉的一端与第三运算放大器A₃(AD817AN)的反相输入端相连，八电阻R₈的另一端、第十电阻R₁₀的一端与三运算放大器(AD817AN)的同相输入端相连，第九电阻R₉的另一端、电压测量模块5的一端与第三运算放大器A₃(AD817AN)的输出端相连，第十电阻R₁₀的另一端接地。

基于阻抗相消的电容耦合式非接触电导测量方法为：生成一外部阻抗，经放大后与欲消除的阻抗进行差分，从而实现阻抗相消，进而实现电导测量；具体实现为：通过阻抗提取模块6获取被测对象的阻抗信号，通过容性阻抗放大模块7获取一容性阻抗信号，通过差分模块8将阻抗提取模块的输出信号与容性阻抗放大模块的输出信号进行差分，从而消除由阻抗提取模块获取的被测对象的阻抗信号中的容抗信号，获取电阻信号；

所述阻抗相消模块2中容性阻抗放大模块7的容性阻抗信号的调节方法为：

设置交流激励源1的激励输出电压为U_in，频率为f，在该激励信号作用下，阻抗相消模块2的第一运算放大器A₁(AD817AN)的输出电压U₁为： $U_1=-\frac{R_5}{(1+2{\mathrm{\πfR}}_5{C}_{1}j)R_1}{U}_{\mathrm{in}},$ 令2πfR₅C₁＞＞1则 $U_1=\frac{1}{2{\mathrm{\πfR}}_1{C}_1}{U}_{\mathrm{in}}j,$ 阻抗相消模块2的第二运算放大器A₂(AD817AN)的输出电压U₂为： $U_2=-\frac{(1+2{\mathrm{\πfR}}_x{C}_{x}j)R_6}{(1+2{\mathrm{\πfR}}_x{C}_{x}j+2{\mathrm{\πfR}}_6{C}_{x}j)R_3}{U}_{\mathrm{in}},$ 令|2πfR₆C_xj|＞＞|1+2πfR_xC_xj|则阻抗相消模块2的输出电压U_out为：其中R₇＝R₈、R₉＝R₁₀，则输出电压U_out为： $U_{\mathrm{out}}=(U_2-U_1)\frac{R_9}{R_7}=-\frac{R_x{R}_9}{R_3{R}_7}{U}_{\mathrm{in}}+(\frac{R_9}{2\mathrm{\πf}{R}_7{R}_3{C}_x}-\frac{R_9}{2\mathrm{\π}{\mathrm{fR}}_7{R}_1{C}_1})U_{\mathrm{in}}j,$ 其中，R_x为被测溶液阻抗，C_x为绝缘测量管道3与两个金属电极4形成的总耦合电容，

通过调节阻抗相消模块2中第一电阻R₁的电阻值大小，使R₁C₁＝R₃C_x，此时阻抗相消模块2的输出电压U_out与输入电压U_in相位差为180°，U_out的虚部为零，测量回路呈纯阻性，即实现了容抗的差分相消；

在阻抗相消的条件下，可知阻抗相消模块的输出电压U_out为：输出电压U_out的幅值与被测液体的阻抗R_x成正比，与总耦合电容C_x及激励频率f无关，测量过程中保持交流激励源的激励电压U_in恒定，通过电压检测模块测量阻抗相消模块的输出电压U_out的幅值即可根据此关系式获得被测液体的阻抗R_x。

已利用0.002～0.1mol/L的KCL溶液(电导率约为0.2～10mS/cm)在内径为1.8mm、3.3mm、5.0mm、7.6mm的水平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。实验使用已商业化的Mettler Toledo公司的FE30型接触式电导仪(准确度等级0.5级)作为对比。本发明中所提及的装置与方法可在所试验管道中可实现0.2mS/cm～10mS/cm范围的电导率测量，且测量值与作为对比的接触式电导仪的测量值相差不大于2％。试验结果表明：利用本发明中所提及的装置与方法，可消除电极-绝缘管壁-导电液体所形成的耦合电容部分的电压分量，有效克服耦合电容对检测带来的不利影响，能够实现管道中导电溶液的电阻测量，并可取得较好的测量结果。

Claims (1)

1.一种基于阻抗相消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）、阻抗相消模块（2）、绝缘测量管道（3）、两个金属电极（4）、电压检测模块（5）；阻抗相消模块（2）包括阻抗提取模块（6）、容性阻抗放大模块（7）、差分模块（8）；阻抗提取模块（6）的输入端与容性阻抗放大模块（7）的输入端相连，阻抗提取模块（6）的输出端和容性阻抗放大模块（7）的输出端分别与差分模块（8）的同相输入端和反相输入端连；阻抗相消模块（2）的输入端与交流激励源（1）相连，阻抗相消模块（2）的输出端与电压检测模块（5）相连，阻抗相消模块（2）的测量端与安装于绝缘测量管道（3）外壁的两个金属电极（4）相连；

所述的阻抗相消模块（2）为：第一电阻（R₁）与第三电阻（R₃）相连的一端为阻抗相消模块（2）的输入端，第三运算放大器（A₃）的输出端为阻抗相消模块（2）的输出端，第二运算放大器（A₂）的反相输入端与输出端为阻抗相消模块（2）的两个测量端，两个测量端的两端分别与安装于绝缘测量管道（3）外壁的两个金属电极（4）相连；交流激励源（1）的一端与第一电阻（R₁）的一端、第三电阻（R₃）的一端相连，第一电阻（R₁）的另一端、第一电容（C₁）的一端、第五电阻（R₅）的一端与第一运算放大器（A₁）的反相输入端相连，第二电阻（R₂）的一端与第一运算放大器（A₁）的同相输入端相连，第一电容（C₁）的另一端、第五电阻（R₅）的另一端、第七电阻（R₇）的一端与第一运算放大器（A₁）的输出端相连，第二电阻（R₂）的另一端接地，第三电阻（R₃）的另一端、第六电阻（R₆）的一端、一个金属电极与第二运算放大器（A₂）的反相输入端相连，第四电阻（R₄）的一端与第二运算放大器（A₂）的同相输入端相连，另一个金属电极、第六电阻（R₆）的另一端、第八电阻（R₈）的一端与第二运算放大器（A₂）的输出端相连，第四电阻（R₄）的另一端接地，第七电阻（R₇）的另一端、第九电阻（R₉）的一端与第三运算放大器（A₃）的反相输入端相连，第八电阻（R₈）的另一端、第十电阻（R₁₀）的一端与第三运算放大器（A₃）的同相输入端相连，第九电阻（R₉）的另一端、电压检测模块（5）的一端与第三运算放大器（A₃）的输出端相连，第十电阻（R₁₀）的另一端接地。