CN105074443B - 水中的宽动态范围电导率测量 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于测量流体的电导率的电导率计。电导率计具有单元电路和控制单元电路。单元电路具有方波驱动放大器、单元和跨阻抗放大器。流体流经单元。控制单元电路和方波驱动放大器配置成将具有电压的方波脉冲串施加到单元的流体，由此引起电流流经单元中的流体。单元电路跨阻抗放大器和控制单元电路配置成得到流经单元中的流体的电流的多个测量，并且使用电流测量来估计单元中的流体的原始电导率。还提供一种用于测量流体的电导率的方法。

Description

水中的宽动态范围电导率测量
技术领域
本发明针对电子电路以及将所述电路用于感测流体的电导率的方法。
背景技术
一些工业系统要求使用具有特定电导率的液体、例如纯水。因此，重要的是监测这类系统中的液体的电导率。在过去，一些电导率计通过将范围分割为若干十倍程，并且为各十倍程提供独立电导率单元，对扩展范围进行测量电导率。但是，包含多个电导率单元的电导率计对于工业应用是笨重并且是不切实际的。此外，仅对一个固定频率、通常是位于十倍程的中间的频率来校准独立电导率单元。但是，由于非线性效应，与位于各十倍程的边缘的值关联的测量不是准确的。
相应地，需要一种电导率计，其对若干十倍程的范围准确测量电导率，消除对多个电导率单元的需要，并且使非线性效应对精度的损害为最小。本发明满足这个需要。
此外，需要一种计量表，其能够在计量表的电导率范围的外缘校准到标准(NIST)，并且在计量表的整个电导率范围保持精度。本发明满足这个需要。
发明内容
在本发明的一个方面，用于测量流体的电导率的电导率计包括：单元电路（cellcircuit）和控制单元电路；单元电路包括方波驱动放大器、单元和跨阻抗放大器（trans-impedance amplifier）；其中流体流经单元；其中控制单元电路和方波驱动放大器配置成将具有电压的方波脉冲串施加到单元的流体，由此引起电流流经单元中的流体；其中单元电路跨阻抗放大器和控制单元电路配置成得到流经单元中的流体的电流的多个测量，并且使用电流测量来估计单元中的流体的原始电导率。
在本发明的另一方面，方波脉冲串包括本底阶段（background stage）、测量脉冲、恢复脉冲（recovery pulse）和基底阶段（base stage）。
在本发明的另一方面，方波脉冲串还包括静止阶段（rest stage）。
在本发明的另一方面，测量脉冲具有通过先前原始电导率值来确定的持续期间。
在本发明的另一方面，测量脉冲具有1/(2×驱动频率)的持续期间，其中驱动频率通过先前原始电导率值来确定。
在本发明的另一方面，电流测量是流经所述单元中的流体的净电流的值。
在本发明的另一方面，控制单元电路通过将电流测量拟合到双指数衰变函数（double exponent decay function），来估计单元中的流体的原始电导率值。
在本发明的另一方面，电导率计还包括热敏电阻电路，其中热敏电阻电路和控制单元电路配置成计算单元中的流体的温度，并且将温度校正应用于流体的原始电导率值，由此产生温度校正电导率值。
在本发明的另一方面，热敏电阻电路包括热敏电阻开关、热敏电阻驱动器、热敏电阻器和跨阻抗放大器。
在本发明的另一方面，单元电路跨阻抗放大器具有反馈电阻器值，其通过增益控制电路的位置来确定；其中增益控制电路的位置通过先前原始电导率值来确定。
在本发明的另一方面，单元电路还包括极性切换电路，其中极性切换电路配置成将电压传递到方波驱动放大器，并且支配由方波驱动放大器施加到单元的电压的极性。
在本发明的另一方面，极性切换电路还包括单元开关和极性开关。
在本发明的另一方面，单元电路还包括配置成对跨阻抗放大器的输出进行整流的整流器。
在本发明的又一方面，用于测量流体的电导率的方法包括：提供单元电路，其具有包含具有电导率的流体的单元；将方波脉冲串施加到单元，由此使电流流经单元中的流体；得到流经单元中的流体的电流的多个测量；以及通过经由电流测量拟合方程来估计流体的原始电导率值，其中，方程包含项1/R，其中R等于单元中的流体的电阻。
在本发明的另一方面，电流测量是流经单元中的流体的净电流的值。
在本发明的另一方面，方程是双指数衰变函数。
在本发明的另一方面，方波脉冲串包括测量脉冲(在此期间进行电流测量)。
在本发明的另一方面，方波脉冲串还包括本底阶段、恢复脉冲和基底阶段。
在本发明的另一方面，方波脉冲串还包括静止阶段。
在本发明的另一方面，该方法还包括测量单元中的流体的温度，并且将温度校正应用于流体的原始电导率值，由此产生温度校正电导率值。
通过以下对作为说明已经示出和描述的本发明的实施例的描述，本发明的优点将是本领域的技术人员更为清楚知道的。如将会认识到，本发明能够具有其他和不同实施例，并且其细节能够在各个方面进行修改。
附图说明
参照附图、作为举例在现在将要描述的本发明的实施例中具体示出本发明的这些和其他特征及其优点，附图包括：
图1A-C示出按照本发明的一实施例的电导率计的框图；
图2A-C示出按照本发明的一实施例的电导率计的示意图；
图3A示出按照本发明的一实施例的方波脉冲串的一个周期；
图3B示出按照本发明的一实施例的方波脉冲串的多个周期；
图3C示出按照本发明的一实施例的电导率计的单元中的流体的电导率测量的标准模型；
图3D示出按照本发明的一实施例的电导率计的单元的归一化指数衰变曲线；
图4A-B是在按照本发明的一实施例的电导率计的控制单元中进行的过程的流程图；
图5是纯水的理论电导率的表；
图6是独立离子的等效电导的表；以及
图7是绘制NaCl的等效电导与温度的数据点的图表以及拟合到数据点的曲线。
应当注意，附图全部是图解而不是按比例绘制。这些附图的部分的相对尺寸和比例为了清楚和方便起见而在附图中以放大或缩小的大小示出。相同参考标号一般用来表示不同实施例中的对应或相似特征。因此，附图和描述将被看作实际上是说明性的而不是限制性的。
具体实施方式
现在参照图1A-C，示出用于测量目标流体的电导率和温度的电导率计100的电路。参照图1的电导率计100的一实施例的框图，电导率计100包括电压调节器105、单元电路120、控制单元电路150、显示器160和热敏电阻电路110。单元电路120包括极性切换电路121、方波驱动放大器124、单元125、跨阻抗放大器126、增益控制电路127和整流器128。热敏电阻电路110包括热敏电阻开关111、热敏电阻驱动器112、热敏电阻器113和跨阻抗放大器114。控制单元电路150包括复用器153、模数转换器152和控制单元151。控制单元151具有存储器152。
电压调节器105将参考电压提供给模数转换器152、单元开关123、整流器128和热敏电阻开关111。整流器128帮助确保到达模数转换器512的电压不是负值。
在热敏电阻电路110的一个实施例中，热敏电阻开关111接收来自控制单元151的TEMPERATURE ENABLE（温度激活）信号，其使控制单元151能够控制热敏电阻驱动器112的输出。当热敏电阻开关111接收来自控制单元151的高TEMPERATURE ENABLE信号时，热敏电阻开关111把来自电压调节器105的参考电压传递到热敏电阻驱动器112，其将精确电压施加到位于单元125中的热敏电阻器113。热敏电阻器113的电阻随单元125中的流体的温度而显著改变，比标准电阻器更加显著。跨阻抗放大器114测量流经热敏电阻器113的电流量，并且产生表示流经热敏电阻器113的电流量的输出电压。将热敏电阻跨阻抗放大器114的输出电压、热敏电阻电路电压输出导向复用器153。
在单元电路120的一个实施例中，极性开关122接收来自控制单元151的POLARITY（极性）信号，以及单元开关123接收来自控制单元151的CELL ENABLE（单元激活）信号。极性切换电路121与控制单元151结合工作，以控制方波驱动放大器124。
当单元开关123接收来自控制单元151的高CELL ENABLE信号时，单元开关123把来自电压调节器105的参考电压传递到方波驱动放大器124，其使方波驱动放大器124将精确电压施加到单元125中的流体，并且产生流经单元125中的流体的电流。当极性开关122接收来自控制单元151的高POLARITY信号时，极性开关122使方波驱动放大器124的非反向输入接地，其改变施加到单元125中的流体的精确电压的极性。在一个实施例中，单元125包括两个金属电极、即第一和第二电极，其相互间隔开，并且配置成暴露于单元125中的流体，但是预期在其他实施例中，本领域的技术人员能够选择使用不同的适当类型的电导率单元。方波驱动放大器124通过单元125的第一电极将电压施加到单元125中的流体。
单元电路跨阻抗放大器126测量流经单元125中的流体的电流量，并且产生表示流经单元125中的流体的电流量的输出电压。单元电路跨阻抗放大器126通过第二电极接收来自单元125的电流。跨阻抗放大器126的增益通过增益控制电路127中的增益控制电路开关130的设置(其通过来自控制单元151的GAIN1（增益1）和GAIN0信号来控制)来确定。用于跨阻抗放大器126的电压输出的方程是VTIA=ICELLRFEEDBACK，其中VTIA是跨阻抗放大器126的电压输出，ICELL是流经单元125的电流量，以及RFEEDBACK是由跨阻抗放大器126看到的反馈电阻值，其由增益控制电路127来确定。
在一个实施例中，跨阻抗放大器126的RFEEDBACK是与增益控制电路127的电阻值并联的4.99M电阻器。增益控制电路127具有四个位置TIA 0-3。在TIA 0，499Ω电阻器与跨阻抗放大器126的4.99M电阻器并联设置，这产生跨阻抗放大器126的499Ω的RFEEDBACK值。在TIA1，27.4k电阻器与跨阻抗放大器126的4.99M电阻器并联设置，这产生跨阻抗放大器126的27.3k的RFEEDBACK值。在TIA 2，499k电阻器与跨阻抗放大器126的4.99M电阻器并联设置，这产生跨阻抗放大器126的454k的RFEEDBACK值。在TIA 3，电阻器没有与跨阻抗放大器126的4.99M电阻器并联设置，这产生跨阻抗放大器126的4.99M的RFEEDBACK值。
控制单元151根据需要调整跨阻抗放大器126的增益，以防止跨阻抗放大器126的输出穿越电源干线。这称作自动测距（auto ranging），并且与跨阻抗放大器126具有不变反馈电阻器值时相比，允许电导率计读取更大范围的流体电导率值。来自单元跨阻抗放大器126的输出电压由整流器128来整流。整流器128的输出电压、单元电路电压输出则定向到复用器153。
复用器153接收来自TEMPERATURE ENABLE信号，其允许控制单元151控制复用器153是否将单元电路电压输出或者热敏电阻电路电压输出传递到模数转换器152。复用器153将单元电路电压输出和热敏电阻电路电压输出定向到模数转换器152，其将单元电路电压输出和热敏电阻电路电压输出的数字化值传递到控制单元151。模数转换器152接收来自控制单元151的VIO、SDI、SCK和CONV信号，其允许控制单元151控制模数转换器152。
预期在其他实施例中，控制单元151能够是现场可编程门阵列、微处理器、微控制器、可编程逻辑控制器或者具有类似功能性的另一种类型的控制器。此外，预期在其他实施例中，本领域的技术人员可选择使用控制单元151，其也用作模数转换器152或者复用器153和模数转换器152。
显示器160使控制单元151中包含的信息是电导率计100的用户可用的。在一个实施例中，显示器160为用户提供单元125中的流体的电导率的读出。在另一个实施例中，显示器160为用户提供单元125中的流体的温度和电导率的读出。预期在其他实施例中，本领域的技术人员能够选择使显示器160为用户提供控制单元151中包含的信息的任一个。此外，在一些实施例中，显示器160是触摸屏，其允许用户与电导率计100进行交互，例如结合以下步骤410所述的进行选择并且输入信息。在其他实施例中，提供小键盘，其允许用户与电导率计100进行交互，例如结合以下步骤410所述的进行选择并且输入信息。
由于其宽电导率范围，电导率计100允许采用1.46mS/cm的NIST校准标准进行直接校准。
图1C按照本发明的一实施例更详细示出单元跨阻抗放大器126与增益控制电路127之间的交互。如能够看到，单元跨阻抗放大器126包括按照跨阻抗放大器配置的运算放大器129和第一反馈电阻器134。运算放大器129在其反向输入接收来自单元125的第二电极的电流，并且向整流器128输出电压。
增益控制电路127包括增益控制电路开关130、第二反馈电阻器131、第三反馈电阻器132和第四反馈电阻器133。增益控制电路开关130具有第一位置(TIA 1)、第二位置(TIA1)、第三位置(TIA 2)和第四位置(TIA 3)。增益控制电路开关130与控制单元151进行接口并且由控制单元151通过来自控制单元151的GAIN1和GAIN0控制信号来控制。在一个实施例中，第一反馈电阻器134的电阻大于第四反馈电阻器133的电阻，第四反馈电阻器133的电阻大于第三反馈电阻器132的电阻，以及第三反馈电阻器132的电阻大于第二反馈电阻器131的电阻。
RFEEDBACK是跨阻抗放大器126的运算放大器129看到的反馈电阻值。当增益控制电路开关130处于第一位置(TIA0)时，第二反馈电阻器131与第一反馈电阻器134并联设置。当增益控制电路开关130处于第二位置(TIA1)时，第三反馈电阻器132与第一反馈电阻器134并联设置。当增益控制电路开关130处于第三位置(TIA2)时，第四反馈电阻器133与第一反馈电阻器134并联设置。当增益控制电路开关130处于第四位置(TIA3)时，另一个电阻器没有与第一反馈电阻器134并联设置。相应地，由运算放大器129在增益控制电路开关130的第一至第四位置中所看到的RFEEDBACK的值是：
现在来看图2A-2C，示出电导率计100的示意图。电导率计100的极性切换电路121包括单元开关123和极性开关122。
单元开关123包括下列项：
极性开关122包括下列项：
方波驱动放大器124包括下列项：
单元125包括电导率单元、例如GE Analytical Instruments所制造的微型电导率单元型号ACO 08060。
跨阻抗放大器126包括下列项：
增益控制电路127包括下列项：
整流器128包括下列项：
复用器153包括下列项：
电压调节器105包括下列项：
模数转换器152包括下列项：
热敏电阻开关111包括下列项：
热敏电阻驱动放大器112包括下列项：
热敏电阻113包括部件号P60AB104L-COEGK的GE温度计。但是，预期在其他实施例中，本领域的技术人员能够选择使用另一种适当热敏电阻。
跨阻抗放大器114包括下列项：
控制单元151包括下列项：
向模数转换器152提供电力的电压调节器105包括下列项：
在操作中，方波驱动放大器124向单元125中的流体施加具有已知频率、幅度和持续期间的方波脉冲串。方波脉冲串使电流流经单元125中的流体。跨阻抗放大器126测量流经单元125中的流体的电流量，并且产生表示流经单元125中的流体的电流量的输出电压。
由于施加到单元125中的流体的方波脉冲串的电压为已经(V)以及流经单元125中的流体的电流为已知(I)，所以欧姆定律(V=IR)能够用来得到单元125中的流体的电阻(R)。电阻值能够用来得到单元125中的流体的电导率，因为电导率(G)是电阻的倒数(G=1/R)。
图3A示出按照电导率计100的一实施例、由方波驱动放大器124施加到单元125中的流体的方波脉冲串300的一个周期的表示。方波脉冲串300包括本底阶段301、测量脉冲302、静止阶段303、恢复脉冲304和基底阶段305。在一个实施例中，方波脉冲串300的本底阶段301具有零伏的幅度和1/(2×驱动频率)的持续期间。通过测量当零伏由方波驱动放大器124施加到流体时流经单元125中的流体的电流，在本底阶段301期间数次测量单元125中的流体的本底电导率。方波脉冲串300的测量脉冲302具有2.5伏的幅度和1/(2×驱动频率)的持续期间(tM)。通过测量当2.5伏由方波驱动放大器124施加到流体时流经单元125中的流体的电流，在测量脉冲302期间数次测量单元中的流体的电导率。
在一个实施例中，方波脉冲串300的静止阶段303具有零伏的幅度和50 μs的持续期间。静止阶段303用来提供测量脉冲302与恢复脉冲304之间的分隔。预期在其他实施例中，静止阶段303不存在(具有零秒的持续期间)。脉冲串300的恢复脉冲304具有负2.5伏的幅度，并且具有可变持续期间。恢复脉冲304排放单元125中剩余的来自测量脉冲302的任何残余电荷。对于在控制单元151中进行的操作的第一迭代，恢复脉冲的持续期间(tR)等于1/(2×驱动频率)。在后续迭代中，恢复脉冲304的持续期间(tR)为：
其中，“tM”是测量脉冲的持续期间，“R”是在阶段445、450和455中估计或计算的参数，表示单元125中的流体的电阻，以及“C”是在阶段445和450中估计的参数，如以下所述。R和C的最近值用来计算tR。
基底阶段305具有零伏的幅度，并且具有达到方波脉冲串300的占空比的其余部分的长度的持续期间。在基底阶段期间捕获大约十(10)个数据点，其用来计算单元125中的流体的温度。当复用器153接收来自控制单元151的TEMPERATURE ENABLE信号时，测量单元125中的流体的温度。在接收TEMPERATURE ENABLE信号时，复用器153将热敏电阻电路电压输出定向到模数转换器152，其将数字化热敏电阻电路电压输出传递到控制单元151。确定本底阶段301、测量脉冲302、恢复脉冲303和基底阶段305的持续期间的驱动频率和占空比通过下表1来规定。图3B示出方波脉冲串300的两个周期。
表1
来看图3C-D，流体的电导率测量的等效电路在图3C中示出。它是简化Randles电路，并且包括与电容器(Cs)串联的电阻器(R)，其表示电极/溶液界面的双层容量。那个组合具有并联的另一个电容器(Cp)。电阻器R是将要测量的量，因为电导率为1/R。通过将方波脉冲串300(电压)施加到模型(单元125)，并且测量流经单元125的流体的电流，进行测量。当忽略(或略过)在t=0由Cp所引起的大电流尖峰时，单元125中的流体的电导率与在图3D的t=0所测量的电流成正比，如以下所述。
电路中的Cp的存在使大电流尖峰在t=0发生，其使单元电路120的电子器件短时间饱和(示为图3D的左边的加阴影区域)。在使单元电路120的电子器件饱和时，流经单元125的电流的测量不能进行或者不能用。但是，接着在t=0的电流尖峰，单元125中的指数衰变电流曲线有序地恢复，并且允许测量沿曲线的其余部分进行。相应地，在t=0的测量由控制单元151来近似计算，其将曲线拟合技术应用于对曲线的其余部分进行的测量。
在图4A-B的流程图中详述控制单元151中进行的操作。用于执行图4A-B的流程图中详述的操作的程序存储在控制单元151的存储器152中。在阶段410，热敏电阻常数、电导率估计参数以及用于生成第一方波脉冲串的初始方波脉冲串生成参数被输入并且加载到控制单元151中。用于第一方波脉冲串的下列方波脉冲串生成参数被输入并且加载到控制单元151中：TIA增益、驱动频率、测量点和占空比。对于在控制单元151中进行的操作的第一迭代，恢复脉冲的持续期间等于1/(2×驱动频率)。在后续迭代中，恢复脉冲的持续期间是可变的，并且下面在步骤460论述其计算。原始电导率温度校正算法由用户来选择。电导率估计参数R、A、B和C全部初始化为具有值1。
在阶段415，启动控制单元151。在阶段420，数据获取过程由控制单元151来触发。在阶段425和430，在本底阶段301期间穿过单元125的本底电流的值、在测量脉冲期间穿过单元125的原始电流的值以及单元125中的流体的温度数据由控制单元151来获取和索引。温度数据包括穿过热敏电阻113的电流量的多个值(其经过求平均)。穿过热敏电阻113的电流的值从跨阻抗放大器114所产生的对应电压值来确定。
在阶段465，热敏电阻113的平均电阻使用欧姆定律V=IR来计算。“V”是由热敏电阻驱动放大器112施加到热敏电阻113的精确电压的幅度(单位为伏)。“I”是流经热敏电阻113的平均电流量。跨阻抗放大器114测量流经热敏电阻器113的电流量，并且输出表示流经热敏电阻器113的电流量的电压。控制单元151将在脉冲串的基底阶段期间从跨阻抗放大器114所得到的电压值转换为流经热敏电阻113的电流的对应值。控制单元151则计算通过将V除以I所得到的热敏电阻的平均电阻“R”。
一旦得到热敏电阻113的平均电阻，热敏电阻113的平均温度(单位为℃)能够由控制单元151使用下列公式来计算：
.
在这个方程中，“T”是热敏电阻113以及单元125中的流体的平均温度，“RT”是热敏电阻113的平均电阻。“AT”、“BT”和“CT”是在热敏电阻113的数据表上可用的热敏电阻特定常数。
在阶段435和440，对单元125中的本底电流的值求平均，以及从在阶段425所收集的方波脉冲串的测量脉冲期间穿过单元125的流体的原始电流的每个值中减去平均本底电流值，由此创建方波脉冲串测量脉冲期间在单元125中流动的电流的净值。接着阶段440，单元125中的流体的原始电导率值使用在阶段445、450或455的方程之一来计算。
如果上一个原始电导率值测量较高(例如高于大约1 mS/cm)，则控制单元151将使用阶段450的方程。但是，如果上一个原始电导率值测量较低(例如低于大约100 nS/cm)，则控制单元151将使用阶段455的方程。如果上一个原始电导率值测量是高与低电导率值之间的中列数（midrange），则控制单元151将使用方程445。预期在其他实施例中，本领域的技术人员能够选择使用不同的适当高和/或低电导率值。
此外，控制单元151在方法400的第一迭代期间使用阶段450的方程。另外，在定律原始电导率值为中列数并且控制单元151在预定时间长度之内不能将阶段445的方程拟合到单元125中流动的电流的净值的情况下，控制单元151将使用阶段450中的方程来计算单元125中的流体的原始电导率(GT)。
当使用以下所示的阶段445的双指数方程时，控制单元151将最小二乘法用于非线性方程，以便将方程拟合到作为相对于在测量脉冲开始的上升沿的所经过时间的函数、测量脉冲期间在单元125中流动的电流的净值。
最小二乘法使后续迭代方程所构成的误差的平方和为最小。预期能够使用非线性方程的任何适当最小二乘法，非限制性地例如列文伯格-马夸尔特（Levenberg-Marquardt）算法。在阶段445的方程中，“R”、“C”、“A”和“B”是在方程拟合过程期间所估计的电导率估计参数，“t”是相对于在测量脉冲开始的上升沿的所经过时间(单位为秒)，“V”是测量脉冲的幅度(单位为伏)，以及“I”是在给定时间t流经单元125的电流的净值(单位为安)。
一旦阶段445的方程拟合到方波脉冲串的测量脉冲期间在单元125中流动的电流的净电导率数据值，并且估计参数R、C、A和B，则控制单元151能够确定单元125中的流体的原始电导率(GT)，其为1/R。但是，如果在预定时间长度之内，控制单元151不能将阶段445的方程拟合到方波脉冲串测量脉冲期间在单元125中流动的电流的净值，则控制单元151将使用阶段450的方程来计算单元125中的流体的原始电导率(GT)。
在一个实施例中，用于将阶段445的方程拟合到电流的净值的预定时间长度处于大约1 ms至100 ms之间。但是，预期在其他实施例中，本领域的技术人员能够根据用户想要最终电导率结果的迅速程度以及控制单元151的计算能力来选择不同的适当预期时间长度。
当使用阶段450的单指数方程时，控制单元151采用普通拟合算法，其使线性曲线的最小二乘为最小(在对数图中)，以便将方程拟合到作为相对于在测量脉冲开始的上升沿的所经过时间的函数、方波脉冲串测量脉冲期间在单元125中流动的净电流的值。相应地，单指数方程的解能够使用代数来得到。
在以上所示的阶段450的方程中，“R”和“C”是在曲线拟合过程期间所计算的参数，“t”是相对于在测量脉冲开始的上升沿的所经过时间(单位为秒)，“V”是测量脉冲的幅度(单位为伏)，以及“I”是在给定时间“t”流经单元125的净电流的值(单位为安)。一旦相对R和C求解阶段445的方程，控制单元151能够确定单元125中的流体的原始电导率(GT)，其为1/R。
当使用阶段455的方程时，控制单元151计算R的平均值，以便确定单元125中的流体的原始电导率(GT)，其为1/R。
在以上所示的阶段455的方程中，“R”是单元125中的流体的电阻，“N”是数据集总体，“t”是相对于在测量脉冲开始的上升沿的所经过时间(单位为秒)，“V”是测量脉冲的幅度(单位为伏)，以及“it”是在给定时间t流经单元125的净电流的值(单位为安)。
一旦单元125中的流体的原始电导率(GT)使用在阶段445、450或455的方程之一来确定，程序进行到阶段460和480。
由于流体的电导率测量取决于流体的温度，所以本行业一般对电导率测量进行归一化(或者温度校正)，因此它们看来像是对具有25℃的温度的流体进行。相应地，在阶段480，将具有由用户在阶段410所选择的模型化学化合物的原始电导率温度校正算法应用于原始电导率“GT”，以得到温度校正电导率值“GT25”。“GT”是在阶段445、450或455其中之一所计算的、流经单元125的流体的最近原始电导率(1/R)，“GT25”是在流体具有25℃的温度时流经单元125的流体的原本电导率。校正使用下列校正公式来计算：’
其中，“Gt25(H2O)”是在25℃下的纯水的电导率，“Gt(H2O)”是在温度T(流经单元125的流体的平均温度)下的纯水的电导率，以及P是如下形式的多项式：,
其中，a0、a1、a2和a3是所选择的模型化学化合物独有的参数，并且从史密森物理表的独立离子的等效电导表(第71卷，Smithsonian Institution，Frederick EugeneFouwle；第352页，表424(1920))得到，通过引用将其结合到本文中并且在如图6的相干部分再现。
此外，“Gt25(H2O)”和“Gt(H2O)”的值取自表3，Physical Parameters andCalculated Conductivity and Resistivity, of Light，Truman S.、Stuart Licht、Anthony C. Bevilacqua和Kenneth R. Morashc；The Fundamental Conductivity andResistivity of Water；Electrochemical and Solid-State Letters. Vol. 8，No. 1(2005)：E16-E19，通过引用将其结合到本文中，并且在如图5的相干部分再现。“Gt25(H2O)”的值是在25℃下的纯水的理论电导率，其为55.01 nS/cm。“Gt(H2O)”的值通过流经单元125的流体的温度来确定。
相应地，如果流经单元125的水的温度为30℃，则“Gt(H2O)”值将为70.97 nS/cm。如果流经单元125的水的温度处于图5中的两个温度值之间，则内插用来确定“Gt(H2O)”的值。预期图5和图6的表的内容将存储在控制单元151的存储器152中。控制单元151将使用内插(在需要时)、基于流经单元125的水的温度来确定“Gt(H2O)”的值。
相应地，如果流经单元125的水为30℃并且对NaCl来执行校正，则校正公式如下：
如在图7中能够看到，通过在图6的各流体温度下相加Na和Cl的电导值，绘制NaCl的合计电导值与温度，并且通过NaCl的合计电导值拟合三次多项式，来得到NaCl的多项式“P”。图7中，使用三次多项式，但是预期本领域的技术人员可选择将更高或更低次多项式拟合到合计电导值。预期在一些实施例中，在工厂在存储器132中对一个或多个常用模型化学化合物的多项式P的系数进行编程。
在一个实施例中，温度校正算法基于模型化学化合物NaCl。但是，预期在其他实施例中，本领域的技术人员能够选择将温度校正算法应用于不同模型化学化合物、例如KCL或HCl。相应地，预期与一个或多个模型化学化合物对应的多项式P的系数的值将存储在存储器152中。将为用户呈现可用模型化学化合物的列表，并且请求用户在步骤410选择模型化学化合物与温度校正算法配合使用，其在步骤480应用于原始电导率值(GT)，以产生温度校正电导率值(GT25)。此外，还预期在一些实施例中，将准许用户将其自己的系数值输入控制单元151中，并且存储在存储器152中以用于在步骤410的多项式P。
在阶段485，单元125中的流体的原始电导率(GT)、温度和温度校正电导率(GT25)值经由显示器160向用户报告，并且存储在控制单元151中。
在阶段460，TIA增益、驱动频率、测量点和占空比的新方波脉冲串生成参数值基于在阶段445、450或455其中之一所计算的穿过单元125的流体的最近原始电导率(GT)值从查找表(上表1)中选择。通过方法400的下一迭代的恢复脉冲的持续期间(tR)的新值如上所述使用下式来得到：
新方波脉冲串参数值在阶段490存储在控制单元151中。在阶段490之后，下一个数据获取过程在阶段420由控制单元515来触发。控制单元151中存储的新方波脉冲串参数值在阶段425和430确定下一方波脉冲串的性质。在方法400的前一迭代期间所确定的原始电导率值(GT)确定阶段445、450或455的方程是否由控制单元151用来使用在阶段425的方波脉冲串测量脉冲期间所获取的在单元125中流动的净电流的值来确定下一原始电导率值。
相应地，如能够看到，在方法400的前一迭代期间所确定的原始电导率值用来确定增益控制电路开关130的位置，其确定单元电路跨阻抗放大器反馈电阻器值。此外，在方法400的前一迭代期间所确定的原始电导率值还用来在阶段425和430确定新方波脉冲串生成参数值以及下一方波脉冲串的性质。
虽然描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明并不局限于此，而是可进行修改，而没有背离本发明。本发明的范围由所附权利要求书来限定，以及字面上或者等价地落入权利要求的含意之内的所有装置、过程和方法预计包含在其中。

Claims (18)

1.一种用于测量流体的电导率的电导率计，包括：
单元电路和控制单元电路；
所述单元电路包括方波驱动放大器、单元和跨阻抗放大器；其中所述流体流经所述单元；
其中，所述控制单元电路和所述方波驱动放大器配置成将具有电压的方波脉冲串施加到所述单元的所述流体，由此引起电流流经所述单元中的所述流体；
其中，所述单元电路跨阻抗放大器和所述控制单元电路配置成得到流经所述单元中的所述流体的电流的多个测量，并且使用所述电流的多个测量来估计所述单元中的所述流体的原始电导率；
其中，所述控制单元电路通过将所述电流的多个测量拟合到双指数衰变函数，来估计所述单元中的所述流体的原始电导率值。
2.如权利要求1所述的电导率计，其中，所述方波脉冲串包括本底阶段、测量脉冲、恢复脉冲和基底阶段。
3.如权利要求2所述的电导率计，其中，所述方波脉冲串还包括静止阶段。
4.如权利要求2所述的电导率计，其中，所述测量脉冲具有通过先前原始电导率值来确定的持续期间。
5.如权利要求2所述的电导率计，其中，所述测量脉冲具有1/(2×驱动频率)的持续期间，其中所述驱动频率通过先前原始电导率值来确定。
6.如权利要求1所述的电导率计，其中，所述电流的多个测量是流经所述单元中的所述流体的净电流的值。
7.如权利要求1所述的电导率计，还包括热敏电阻电路，其中所述热敏电阻电路和所述控制单元电路配置成计算所述单元中的所述流体的温度，并且将温度校正应用于所述流体的所述原始电导率值，由此产生温度校正电导率值。
8.如权利要求7所述的电导率计，其中，所述热敏电阻电路包括热敏电阻开关、热敏电阻驱动器、热敏电阻器和跨阻抗放大器。
9.如权利要求1所述的电导率计，其中，所述单元电路跨阻抗放大器具有反馈电阻器值，其通过增益控制电路的位置来确定；其中所述增益控制电路的所述位置通过先前原始电导率值来确定。
10.如权利要求1所述的电导率计，其中，所述单元电路还包括极性切换电路，其中所述极性切换电路配置成将电压传递到所述方波驱动放大器，并且支配由所述方波驱动放大器施加到所述单元的所述电压的极性。
11.如权利要求10所述的电导率计，其中，所述极性切换电路还包括单元开关和极性开关。
12.如权利要求10所述的电导率计，其中，所述单元电路还包括配置成对所述跨阻抗放大器的输出进行整流的整流器。
13.一种用于测量流体的电导率的方法，包括：
提供单元电路，其具有包含流体的单元，所述流体具有电导率；
将方波脉冲串施加到所述单元，由此使电流流经所述单元中的所述流体；
得到流经所述单元中的所述流体的电流的多个测量；以及
通过经由所述电流的多个测量来拟合方程以估计所述流体的原始电导率值，其中所述方程包含项1/R，其中R等于所述单元中的所述流体的电阻，其中所述方程是双指数衰变函数。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述电流的多个测量是流经所述单元中的所述流体的净电流的值。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述方波脉冲串包括测量脉冲，在所述测量脉冲期间进行所述电流的多个测量。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述方波脉冲串还包括本底阶段、恢复脉冲和基底阶段。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述方波脉冲串还包括静止阶段。
18.如权利要求16所述的方法，还包括测量所述单元中的所述流体的温度，并且将温度校正应用于所述流体的所述原始电导率值，由此产生温度校正电导率值。
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