CN104459333B - 工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置及方法。包括交流激励源、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、第一可调电感模块、第二可调电感模块、金属屏蔽罩、金属法兰连接件、金属隔板、输入接线端、输出接线端、信号处理模块、数据采集模块以及微型计算机。本发明基于非接触式电导测量技术实现了工业常规金属管道上的电导测量。第一可调电感模块和第二可调电感模块构成的双电感结构的使用，使传感器的输入输出特性在原理上为线性，优化了电导测量的输入输出特性，降低了传感器硬件和激励源频率要求，使本发明更适用于复杂的工业环境；相应装置具有结构简单、非接触、测量范围大、分辨率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电导检测技术，尤其涉及一种工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置及方法。
背景技术
电导率是液体基本物理参数之一，液体的许多特性参数都能够反应为电导率的变化，如浓度、液体组分、化学反应速率等。正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，液体电导率的在线测量对科研和生产具有重要意义。
传统的电导测量方法虽然已经在工业上得到多年的应用，但由于传统的电导测量方法主要为接触式测量，检测电极与被测液体直接接触，容易产生电极的极化和电化学腐蚀等问题，其测量场合和适用范围存在一定的局限性。
电容耦合式非接触电导测量技术是一种新型电导测量技术。由于检测电极不直接与被测液体接触，因此可以有效避免传统电导测量技术中电极极化和电化学腐蚀等问题。然而，目前该技术的研究与应用主要局限于分析化学领域中的毛细管尺度及以下的离子浓度检测，且基本处于理想的实验室环境，而工业现场应用环境相对更为复杂。已有专利(工业型电容耦合式非接触电导在线测量装置及方法，申请号201110119845.9)提出适用于工业环境的非接触式电导测量装置及方法，但由于其输入输出曲线特性(以被测液体电导测量值作为输入自变量，以装置检测到的反映电导信息的电信号作为输出应变量)呈现非单调性，可能会对测量过程产生不便，因此影响了该装置及方法在工业现场环境下的实际应用。
针对以上现状，设计了一种工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置，其中固定电感模块和可调电感模块构成的双电感结构，不仅可以消除耦合电容的影响，扩大电容耦合式非接触电导测量技术的适用管径尺寸范围，可以使激励源选择较为自由，使装置的谐振频率具有调整余度，可以优化传感器输入输出曲线特性，使其呈现单调性，还可以降低传感器的硬件要求，使该装置更加适合应用于复杂工业环境下的电导测量；金属屏蔽罩用以屏蔽来自工业环境的干扰，提高测量装置稳定性和抗干扰能力；金属法兰连接件用以实现绝缘测量管道和金属管道的连接。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可靠的工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置及方法。
工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置包括交流激励源、第一可调电感模块、输入接线端、绝缘测量管道、激励电极、检测电极、输出接线端、第二可调电感模块、金属法兰连接件、金属隔板、金属屏蔽罩、信号处理模块、数据采集模块、微型计算机；金属屏蔽罩内横向设有金属隔板，金属屏蔽罩内纵向设有绝缘测量管道，金属屏蔽罩两端均设有金属法兰连接件，绝缘测量管道两端分别插入金属法兰连接件，绝缘测量管道外壁、金属隔离板的两侧安装有激励电极和检测电极，交流激励源、第一可调电感模块、输入接线端、激励电极顺次相连，检测电极、输出接线端、第二可调电感模块、信号处理模块、数据采集模块、微型计算机顺次相连，交流激励源、金属法兰连接件、金属隔离板和金属屏蔽罩均接地。
所述的第一可调电感模块和第二可调电感模块构成双电感结构。
所述的金属法兰连接件包括外侧连接件、内侧连接件和0型密封圈；外侧连接件的一端为连接法兰，外侧连接件的另一端通过螺纹与内侧连接件相连，0型密封圈套在插入金属法兰连接件的绝缘测量管道上，通过外侧连接件和内侧连接件相互挤压固定住绝缘测量管道。
工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量方法的步骤如下：
1)采用由第一可调电感模块和第二可调电感模块构成的双电感结构，依据先设定交流激励源的激励电压ui的激励频率f为谐振频率f0，再分别调节第一可调电感模块和第二可调电感模块的大小，使电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路处于谐振状态，或者先分别调节第一可调电感模块和第二可调电感模块的大小，根据电感值和耦合电容值来设定谐振频率f0的大小，在谐振状态下，电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路的等效阻抗
呈现纯阻性，其中，f为交流激励源的激励电压ui的频率，L1为第一可调电感模块的电感，C1为激励电极、绝缘测量管道和管道中导电液体形成的耦合电容，L2为第二可调电感模块的电感，C2为检测电极、绝缘测量管道和管道中导电液体形成的耦合电容，C1＝C2，R为激励电极和检测电极之间导电液体的等效电阻，R1为激励电极和金属法兰连接件之间导电液体的等效电阻值，R2为检测电极和金属法兰连接件之间导电液体的等效电阻值，k为激励电极和检测电极之间距离与激励电极、检测电极分别和金属法兰连接件之间距离的比值，R1＝R2＝kR；
2)在电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路处于谐振状态时，利用信号处理模块对电导检测电路中的电流进行转换并得到最终输出信号其中，Rf为信号处理模块中电流-电压转换电路的系数，为输入的待测导电液体的电导值，可见，双电感结构的使用使传感器的输入输出特性在原理上呈现线性。
依据若先设定谐振频率f0的大小，则通过分别调节第一可调电感模块和第二可调电感模块的大小，使电路达到谐振状态，此时，第一可调电感L1的感抗与由激励电极、绝缘测量管道和管道中导电液体形成的耦合电容C1的容抗相互抵消，第二可调电感L2的感抗与由检测电极、绝缘测量管道和管道中导电液体形成的耦合电容C2的容抗相互抵消，使得电路的等效阻抗为ZR＝R；若先分别调节第一可调电感模块和第二可调电感模块的大小，使第一可调电感L1的感抗和第二可调电感L2的感抗分别与耦合电容C1和C2的容抗相互抵消，此时可根据L1、L2、C1和C2的值来设定激励频率f0的大小，此时电路呈谐振状态，等效阻抗为ZR＝R。
在复杂工业环境下，C1＝C2不一定能够得到满足，此时，通过调节第一可调电感模块和第二可调电感模块的大小，使设定交流激励源的激励电压ui的激励频率f为谐振频率f0，从而使电路达到谐振状态，其等效阻抗依然为ZR＝R，呈纯阻性。
本发明与现有技术相比具有有益效果：
1)基于串联谐振原理，利用电感模块消除耦合电容影响，扩大了电容耦合式非接触电导测量技术的适用管径尺寸，使得该电导测量装置可以应用于工业环境中的毫米级管径中；
2)由于本发明使用了双电感结构，分别调节可调电感的大小，只要满足即可在谐振频率f0下使测量电路呈谐振状态，电路的等效阻抗ZR＝R，呈现纯阻性。由上可见，双电感结构的使用使得激励源的选择较为自由，装置的谐振频率具有调整余度；
3)和理想的实验室环境不同，在复杂的工业环境中，传感器耦合电容C1＝C2不一定能够得到满足，但由于双电感结构的使用，依然可以通过分别调节可调电感的大小，满足使得可调电感L1、L2与耦合电容C1、C2分别抵消，测量电路呈谐振状态，电路的等效阻抗呈现纯阻性。因此双电感结构的使用有效降低了电导测量装置传感器对硬件的要求，使本发明更适用于工业环境下的电导测量；
4)由于谐振状态下本发明的电导测量电路等效阻抗ZR＝R，因此以被测液体电导测量值作为输入自变量，以装置检测到的反映电导信息的电信号uo作为输出应变量，实际得到的输入输出曲线呈现良好的单调性，消除了已有专利(工业型电容耦合式非接触电导在线测量装置及方法，申请号201110119845.9)中装置的输入输出曲线具有非单调性而给实际测量过程带来的不便，从而使得本发明装置更有利于实现工业环境中的实际应用；
4)装置传感器和绝缘测量管道外安装有金属屏蔽罩，与没有金属屏蔽罩时的测量结果相比，装置的抗干扰能力显著提高；
5)金属法兰连接件实现了装置的绝缘测量管道与工业过程中金属管道间的方便连接；
附图说明
图1是工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置的结构示意图；
图2是本发明的金属法兰连接件的结构示意图；
图3是本发明的电容耦合式双电感结构非接触电导测量的等效电路图。
具体实施方式
如图1所示，工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置包括交流激励源1、第一可调电感模块2、输入接线端3、绝缘测量管道4、激励电极5、检测电极6、输出接线端7、第二可调电感模块8、金属法兰连接件9、金属隔板10、金属屏蔽罩11、信号处理模块12、数据采集模块13、微型计算机14；金属屏蔽罩11内横向设有金属隔板10，金属屏蔽罩11内纵向设有绝缘测量管道4，金属屏蔽罩11两端均设有金属法兰连接件9，绝缘测量管道4两端分别插入金属法兰连接件9，绝缘测量管道4外壁、金属隔离板10的两侧安装有激励电极5和检测电极6，交流激励源1、第一可调电感模块2、输入接线端3、激励电极5顺次相连，检测电极6、输出接线端7、第二可调电感模块8、信号处理模块12、数据采集模块13、微型计算机14顺次相连，交流激励源1、金属法兰连接件9、金属隔离板10和金属屏蔽罩11均接地。
所述的第一可调电感模块2和第二可调电感模块8构成双电感结构。
如图2所示，所述的金属法兰连接件9包括外侧连接件15、内侧连接件16和0型密封圈17；外侧连接件15的一端为连接法兰，外侧连接件15的另一端通过螺纹与内侧连接件16相连，0型密封圈17套在插入金属法兰连接件9的绝缘测量管道4上，通过外侧连接件15和内侧连接件16相互挤压固定住绝缘测量管道4。
工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量方法的步骤如下：
1)采用由第一可调电感模块2和第二可调电感模块8构成的双电感结构，依据先设定交流激励源1的激励电压ui的激励频率f为谐振频率f0，再分别调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，使电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路处于谐振状态，或者先分别调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，根据电感值和耦合电容值来设定谐振频率f0的大小，在谐振状态下，电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路的等效阻抗呈现纯阻性，其中，f为交流激励源1的激励电压ui的频率，L1为第一可调电感模块2的电感，C1为激励电极5、绝缘测量管道4和管道中导电液体形成的耦合电容，L2为第二可调电感模块8的电感，C2为检测电极6、绝缘测量管道4和管道中导电液体形成的耦合电容，C1＝C2，R为激励电极5和检测电极6之间导电液体的等效电阻，R1为激励电极5和金属法兰连接件9之间导电液体的等效电阻值，R2为检测电极6和金属法兰连接件9之间导电液体的等效电阻值，k为激励电极5和检测电极6之间距离与激励电极5、检测电极6分别和金属法兰连接件9之间距离的比值，R1＝R2＝kR；
2)在电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路处于谐振状态时，利用信号处理模块12对电导检测电路中的电流进行转换并得到最终输出信号其中，Rf为信号处理模块12中电流-电压转换电路的系数，为输入的待测导电液体的电导值，可见，双电感结构的使用使传感器的输入输出特性在原理上呈现线性。
依据若先设定谐振频率f0的大小，则通过分别调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，使电路达到谐振状态，此时，第一可调电感L1的感抗与由激励电极5、绝缘测量管道4和管道中导电液体形成的耦合电容C1的容抗相互抵消，第二可调电感L2的感抗与由检测电极6、绝缘测量管道4和管道中导电液体形成的耦合电容C2的容抗相互抵消，使得电路的等效阻抗为ZR＝R；若先分别调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，使第一可调电感L1的感抗和第二可调电感L2的感抗分别与耦合电容C1和C2的容抗相互抵消，此时可根据L1、L2、C1和C2的值来设定激励频率f0的大小，此时电路呈谐振状态，等效阻抗为ZR＝R。显然，双电感结构的使用激励源的选择较为自由，使装置的谐振频率具有调整余度。
在复杂工业环境下，C1＝C2不一定能够得到满足，此时，通过调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，使设定交流激励源1的激励电压ui的激励频率f为谐振频率f0，从而使电路达到谐振状态，其等效阻抗依然为ZR＝R，呈纯阻性，由此可见，双电感结构的使用有效降低了电导测量装置传感器对硬件的要求，该发明更适用于工业环境下的电导测量；
如图3所示，工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量等效电路图为：交流激励源1的一端与第一可调电感L1的一端连接，第一可调电感L1的另一端与由激励电极5、绝缘测量管道4和管道中导电液体形成的耦合电容C1的一端连接，耦合电容C1的另一端分别与激励电极5和金属法兰连接件9之间导电液体的等效电阻R1的一端、激励电极5和检测电极6之间导电液体的等效电阻R的一端连接，等效电阻R1的另一端接地，等效电阻R的另一端分别与由检测电极6、绝缘测量管道4和管道中导电液体形成的耦合电容C2的一端、检测电极6和金属法兰连接件9之间导电液体的等效电阻R2的一端连接，等效电阻R2的另一端接地，耦合电容C2的另一端与第二可调电感L2的一端连接。
本发明测量导电液体电导流程为：设定交流激励源1输出的交流电压信号的频率，将该交流电压信号频率作为谐振频率，在该频率下，调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，使整个电导测量电路处于谐振状态或先调节第一可调电感模块2和第二可调电感模块8的大小，再根据电感值和耦合电容值的大小设定谐振频率，使整个电导测量电路处于写真状态。交流电压信号通过第一可调电感模块2后加在激励电极5上，在检测电极6上得到能够反映导电液体电导信息的电路信号，在信号处理模块12上经过电流/电压转换、整流、滤波和放大后，通过数据采集模块13输出电压信号传输到微型计算机14上并显示。
采用0mol/L～2.0mol/L范围内的具有浓度梯度的KCl导电流体对本发明中所提及的装置与方法进行了初步实验验证了本发明的可行性，其中绝缘测量管道的内径分别为1.8mm、3.3mm、5.0mm和7.6mm。实验结果表明：以商用电导率仪对导电液体的电导率测量值作为参考，本发明所述的工业型电容耦合式非接触电导测量装置对导电液体的电导率测量值的最大相对误差小于4.0％，具有较高的精确度，可以实现工业环境下毫米级管径中导电液体的电导率测量。
Claims (6)
1.一种工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置，其特征在于包括交流激励源(1)、第一可调电感模块(2)、输入接线端(3)、绝缘测量管道(4)、激励电极(5)、检测电极(6)、输出接线端(7)、第二可调电感模块(8)、金属法兰连接件(9)、金属隔板(10)、金属屏蔽罩(11)、信号处理模块(12)、数据采集模块(13)、微型计算机(14)；金属屏蔽罩(11)内横向设有金属隔板(10)，金属屏蔽罩(11)内纵向设有绝缘测量管道(4)，金属屏蔽罩(11)两端均设有金属法兰连接件(9)，绝缘测量管道(4)两端分别插入金属法兰连接件(9)，绝缘测量管道(4)外壁、金属隔离板(10)的两侧安装有激励电极(5)和检测电极(6)，交流激励源(1)、第一可调电感模块(2)、输入接线端(3)、激励电极(5)顺次相连，检测电极(6)、输出接线端(7)、第二可调电感模块(8)、信号处理模块(12)、数据采集模块(13)、微型计算机(14)顺次相连，交流激励源(1)、金属法兰连接件(9)、金属隔离板(10)和金属屏蔽罩(11)均接地。
2.根据权利要求1所述的工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置，其特征如下：所述的第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)构成双电感结构。
3.根据权利要求1所述的工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量装置，其特征如下：所述的金属法兰连接件(9)包括外侧连接件(15)、内侧连接件(16)和0型密封圈(17)；外侧连接件(15)的一端为连接法兰，外侧连接件(15)的另一端通过螺纹与内侧连接件(16)相连，0型密封圈(17)套在插入金属法兰连接件(9)的绝缘测量管道(4)上，通过外侧连接件(15)和内侧连接件(16)相互挤压固定住绝缘测量管道(4)。
4.一种使用如权利要求1所述装置的工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量方法，它的步骤如下：
1)采用由第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)构成的双电感结构，依据先设定交流激励源(1)的激励电压ui的激励频率f为谐振频率f0，再分别调节第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)的大小，使电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路处于谐振状态，或者先分别调节第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)的大小，根据电感值和耦合电容值来设定谐振频率f0的大小，在谐振状态下，电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路的等效阻抗
呈现纯阻性，其中，f为交流激励源(1)的激励电压ui的频率，L1为第一可调电感模块(2)的电感，C1为激励电极(5)、绝缘测量管道(4)和管道中导电液体形成的耦合电容，L2为第二可调电感模块(8)的电感，C2为检测电极(6)、绝缘测量管道(4)和管道中导电液体形成的耦合电容，C1＝C2，R为激励电极(5)和检测电极(6)之间导电液体的等效电阻，R1为激励电极(5)和金属法兰连接件(9)之间导电液体的等效电阻值，R2为检测电极(6)和金属法兰连接件(9)之间导电液体的等效电阻值，k为激励电极(5)和检测电极(6)之间距离与激励电极(5)、检测电极(6)分别和金属法兰连接件(9)之间距离的比值，R1＝R2＝kR；
2)在电容耦合式双电感结构非接触电导检测电路处于谐振状态时，利用信号处理模块(12)对电导检测电路中的电流进行转换并得到最终输出信号其中，Rf为信号处理模块(12)中电流-电压转换电路的系数，为输入的待测导电液体的电导值，可见，双电感结构的使用使传感器的输入输出特性在原理上呈现线性。
5.如权利要求4所述的一种工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量方法，其特征在于：依据若先设定谐振频率f0的大小，则通过分别调节第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)的大小，使电路达到谐振状态，此时，第一可调电感L1的感抗与由激励电极(5)、绝缘测量管道(4)和管道中导电液体形成的耦合电容C1的容抗相互抵消，第二可调电感L2的感抗与由检测电极(6)、绝缘测量管道(4)和管道中导电液体形成的耦合电容C2的容抗相互抵消，使得电路的等效阻抗为ZR＝R；若先分别调节第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)的大小，使第一可调电感L1的感抗和第二可调电感L2的感抗分别与耦合电容C1和C2的容抗相互抵消，此时可根据L1、L2、C1和C2的值来设定激励频率f0的大小，此时电路呈谐振状态，等效阻抗为ZR＝R。
6.如权利要求4所述的一种工业型电容耦合式双电感结构非接触电导测量方法，其特征在于：在复杂工业环境下，C1＝C2不一定能够得到满足，此时，通过调节第一可调电感模块(2)和第二可调电感模块(8)的大小，使设定交流激励源(1)的激励电压ui的激励频率f为谐振频率f0，从而使电路达到谐振状态，其等效阻抗依然为ZR＝R，呈纯阻性。
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