CN105157554A - 一种测量金属表面水垢厚度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测量金属表面水垢厚度的装置及方法，涉及一种通过双频激励、三电极测量金属表面水垢厚度的装置及方法。本发明使用两个辅助电极与金属件构成三电极系统，通过测量恒流源激励下双频输出电压的差值，结合温度传感器测得的溶液温度信息，通过查表及插值，分析水垢厚度，并在仪器的显示屏上给出溶液温度及水垢厚度。以电学方法测量金属表面水垢厚度，便于和热水器等含有温控系统电路的装置相结合，实现水垢厚度的在线测量。

Description

一种测量金属表面水垢厚度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量金属表面水垢厚度的装置及方法。

背景技术

工业及生活用水中通常含有矿物质。在热交换系统，如锅炉、电热水器等设备中，经过长期加热、冷却的金属表面，常有水垢析出。现有的水垢厚度测量，常使用超声波测量法。超声波测量法通过测量超声波在水溶液-水垢界面及水垢-金属界面超声波反射的时间差，结合超声波传输的速度，分析得到水垢的厚度。

这种测厚方式需要检测仪器与待测件金属良好接触，以实现声耦合。对于水管壁等管内壁结垢情况，可在管外壁实现声耦合；而对于加热管等外表面结垢情况，由于水垢不断生长，厚度增加，良好的声耦合较难实现，特别是当管外壁结垢厚度变化时，无法实现水垢厚度的在线测量。

发明内容

本发明针对金属件表面水垢厚度的测量，提出一种双频、三电极测量金属表面水垢厚度的装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一种测量金属表面水垢厚度的装置，其特征在于：该装置包括第一辅助电极、第二辅助电极、温度传感器及测量主机；其中，测量主机包括显示模块、电缆接口、存储模块、控制计算单元、D/A模块、A/D模块、电流源电路和检波电路；金属件、第一辅助电极、第二辅助电极、温度传感器共同浸没在贮水容器中；温度传感器测得的溶液温度信号传输到控制计算单元；控制计算单元控制D/A模块产生交流电压信号，并将该电压信号发送至电流源电路，电流源电路将该电压信号转换为激励电流信号后，通过电缆接口输出到金属件及第一辅助电极上；从金属件及第二辅助电极之间得到响应电压信号，响应电压信号反馈至检波电路后，再经A/D模块转换输入到控制计算单元；控制计算单元结合存储模块中的数据，将分析并计算得到的测量结果发送到显示模块。

本发明提供的一种测量金属表面水垢厚度的方法，包括如下步骤：

1)对已知水垢厚度的金属件进行标定：

a.获取形状和材质相同、水垢厚度不同的一组金属件，并记录这些金属件的水垢厚度；

b.在溶液温度T从0℃到100℃范围内，选择一系列温度点T_i；对每一个温度点T_i依次将这些金属件作为测量电极，按照下述方法测量：

c.将测量电极、第一辅助电极、第二辅助电极以及温度传感器共同浸没于水溶液中，构建三电极测量系统；将温度传感器测得的溶液温度T信号传输到控制计算单元；选择两个频率f₁和f₂，其中f₁<f₂；控制计算单元控制D/A模块首先产生频率为f₁的交流电压信号，并将该电压信号发送至电流源电路，电流源电路将该电压信号转换成频率为f₁、有效值为I₀的激励电流信号后，输出到测量电极及第一辅助电极上；从测量电极和第二辅助电极之间得到响应电压信号V₁，经过检波电路和A/D模块，传输到控制计算单元；然后，类似地，控制计算单元切换频率，产生频率为f₂、有效值为I₀的激励电流信号；从测量电极和第二辅助电极之间得到电压响应信号V₂，传输到控制计算单元；

d.由控制计算单元计算电压差： $\mathrm{\&Delta;}V=V_1-V_2=I_0({\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_1\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}-{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_2\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})})Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2};$ 其中，α和Q为已知水垢厚度的待测金属与溶液之间极化阻抗的恒相位元件模型特征参数，该特征参数与金属件几何形状、水垢厚度及溶液温度T相关；

e.由此得到在一系列T_i下的ΔV-厚度关系数据；将数据储存于存储模块中；

2)测量某一待测金属件的水垢厚度：

a.将待测金属件作为测量电极；

b.按照1)c中所述方法，测量得到溶液温度T，频率为f₁、有效值为I₀的电流激励下的响应电压V₁，以及频率为f₂、有效值为I₀电流激励下的响应电压V₂，发送到控制计算单元；

c.由控制计算单元计算电压差：ΔV＝V₁-V₂；

d.控制计算单元查找存储模块中对应溶液温度T下的ΔV-厚度关系数据，查表并插值得到水垢厚度。

优选地，所述频率f₁和频率f₂的范围为：1Hz≤f₁<f₂≤100kHz。

本发明方法中，所述插值方法可选择一次插值法，该方法通过与溶液温度T最接近的温度标定点T_i所记录的ΔV-厚度数据，查找与ΔV最接近的ΔV_j和ΔV_j+1，其中ΔV_j≤ΔV＜ΔV_j+1，ΔV_j对应水垢厚度为t_j，ΔV_j+1对应水垢厚度为t_j+1，插值得到水垢厚度 $t=t_j+\frac{\mathrm{\&Delta;}V-{\mathrm{\&Delta;V}}_j}{{\mathrm{\&Delta;V}}_{j+1}-{\mathrm{\&Delta;V}}_j}(t_{j+1}-t_j).$

本发明方法中，所述插值方法可选择二次插值法，该方法首先查找存储模块中与溶液温度T相邻的两个温度标定点T_i和T_i+1，T_i≤T＜T_i+1；再以一次插值法分别计算T_i中ΔV对应的水垢厚度t_i，以及T_i+1中ΔV对应的水垢厚度t_i+1；最后插值计算水垢厚度 $t=t_i+\frac{T-T_i}{T_{i+1}-T_i}(t_{i+1}-t_i).$

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：将待测金属视为一个电极，使用电阻抗方法测量，对待测系统不造成损伤；使用双频测量方法，测量结果对水质的波动干扰不敏感；使用电学测量方法，只需要两个辅助电极和激励、检波电路，方便与已有电路进行融合。

附图说明

图1为本发明所提供的测量装置示意图。

图2为所述测量主机的功能模块示意图。

图3为某一特征参数下CPE阻抗随频率变化关系图。

图4a展示了在恒流电流源注入的情况下，Q值固定，α值变化时的两个不同频率激励的响应电压差值ΔV。

图4b展示了在恒流电流源注入的情况下，α值固定，Q值变化时的两个不同频率激励的响应电压差值ΔV。

图5为本发明所提供的测量装置电路模型。

图6为实测的溶液温度-厚度-ΔV曲线图。

图7为本发明的测量流程图。

图中，1-贮水容器；2-金属件；3-第一辅助电极；4-第二辅助电极；5-温度传感器；6-测量主机；7-显示模块；8-电缆接口；9-存储模块；10-控制计算单元；11-D/A模块；12-A/D模块；13-电流源电路；14-检波电路；15-激励电流信号；16-响应电压信号；17-溶液温度信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和具体实施进行详细说明。

图1为本发明所提供的测量装置的示意图。该装置包括第一辅助电极3、第二辅助电极4、温度传感器5及测量主机6；金属件2、第一辅助电极3、第二辅助电极4、温度传感器5共同浸没在贮水容器1中。

图2为所述测量主机6的功能模块示意图，测量主机包括显示模块7、电缆接口8、存储模块9、控制计算单元10、D/A模块11、A/D模块12、电流源电路13和检波电路14；温度传感器5测得的溶液温度信号17传输到控制计算单元10；控制计算单元10控制D/A模块11产生交流电压信号，并将该电压信号发送至电流源电路13，电流源电路13将该电压信号转换为激励电流信号15后，通过电缆接口8输出到金属件2及第一辅助电极3上；从金属件2及第二辅助电极4之间得到响应电压信号16，响应电压信号16反馈至检波电路14后，再经A/D模块12转换输入到控制计算单元10；控制计算单元10结合存储模块9中的数据，将分析并计算得到的测量结果发送到显示模块7。

下面结合图1和图2来说明上述测量主机6实现水垢厚度测量的具体流程及数据分析方法：

1)对已知水垢厚度的金属件进行标定：

a.获取形状和材质相同、水垢厚度不同的一组的金属件，并记录这些金属件的水垢厚度；

b.在溶液温度T从0℃到100℃范围内，选择一系列温度点T_i；对每一个温度点T_i依次将这些金属件作为测量电极，按照下述方法测量：

c.将测量电极、第一辅助电极、第二辅助电极以及温度传感器共同浸没于水溶液中，构建三电极测量系统；将温度传感器测得的溶液温度T信号传输到控制计算单元；选择两个频率f₁和f₂，其中f₁<f₂；控制计算单元控制D/A模块首先产生频率为f₁的交流电压信号，并将该电压信号发送至电流源电路，电流源电路将该电压信号转换成频率为f₁、有效值为I₀的激励电流信号后，输出到测量电极及第一辅助电极上；从测量电极和第二辅助电极之间得到响应电压信号V₁，经过检波电路和A/D模块，传输到控制计算单元；然后，类似地，控制计算单元切换频率，产生频率为f₂、有效值为I₀的激励电流信号；从测量电极和第二辅助电极之间得到电压响应信号V₂，传输到控制计算单元；

d.由控制计算单元计算电压差： $\mathrm{\&Delta;}V=V_1-V_2=I_0({\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_1\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}-{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_2\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})})Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2};$ 其中，α和Q为已知水垢厚度的待测金属与溶液之间极化阻抗的恒相位元件模型特征参数，该特征参数与金属件几何形状、水垢厚度及溶液温度T相关；

e.由此得到在一系列T_i下的ΔV-厚度关系数据；将数据储存于存储模块中。

以下解释水垢厚度与ΔV及溶液温度T的关系。

在电化学实验中，电极表面常有其它物质的覆盖。研究表明，电极和溶液之间的极化阻抗，可以用恒相位元件(ConstantPhaseElement,CPE)来表示，其特征参数α和Q与电极几何形状、覆盖物厚度及溶液温度T相关。图3展示了某一特征参数的恒相位元件，其电阻抗值与频率之间的关系。从图3中可见，恒相位元件的电阻抗值，随着频率的增大而降低，而在高频时变化趋缓。图4a展示了在恒流电流源注入的情况下，Q值固定，α值变化时的两个不同频率激励的响应电压差值ΔV；图4b展示了在恒流电流源注入的情况下，α值固定，Q值变化时的两个不同频率激励的响应电压差值ΔV。可见，两个不同频率激励的响应电压差值ΔV与α和Q存在关系。因此，可使用ΔV反映α和Q；而由于α和Q与电极几何形状、覆盖物厚度及溶液温度T相关，当电极几何形状选定、溶液温度T可测量时，则可用ΔV进一步反映覆盖物的厚度。以下通过公式推导进一步介绍ΔV与α和Q的关系。

图1中的电极-溶液体系，其电路模型可由图5表示。

其中，Z_PA表示第一辅助电极(记为A电极)与溶液之间的极化阻抗，Z_PB表示第二辅助电极(记为B电极)与溶液之间的极化阻抗，Z_PC表示金属件(记为C电极)与溶液之间的极化阻抗，I0为激励电流信号有效值，R0为串联电阻，ZAB为第一辅助电极与第二辅助电极之间的溶液阻抗，ZBC为第二辅助电极与金属件之间的溶液阻抗。

B电极与C电极之间的溶液阻抗可以等效为电阻

Z_BC＝R_W(1)

电极与溶液之间的极化阻抗可用恒相位元件与电阻的串联表示

Z_PC＝R+(j2πf)^-(1-α)Q(2)

这里α为无量纲参数，其值在0和1之间，Q的量纲为Ωcm²s^-(1-α)。α和Q与电极几何形状、覆盖物厚度及溶液温度T相关。

根据欧拉公式，C电极与溶液之间的极化阻抗可以写为

$Z_{PC}=R+{\left(2\mathrm{\&pi;}f\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}Q(sin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2}-jcos\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2})---\left(3\right)$

当测量电路的输入阻抗远大于B电极与溶液之间的极化阻抗，则B电极和C电极之间的测量电压可以表示为：

V_BC＝I₀(Z_PC+R_W)＝I₀Z_apr(4)

这里Z_apr为B电极和C电极之间的测量电阻；

若Z_apr满足条件：

Re(Z_apr)>>Im(Z_apr)(5)

则在求模时其虚部可以忽略，而模值近似等于实部：

$\left|Z_{apr}\right|=R_W+R+{\left(2\mathrm{\&pi;}f\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2}---\left(6\right)$

因此，当系统在两个不同频率f₁,f₂(f₁<f₂)激励电流分别输入时，B电极和C电极之间的响应电压可以表示为：

$V_1=I_0(R_W+R+{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_1\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2})---\left(7\right)$

$V_2=I_0(R_W+R+{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_2\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2})---\left(8\right)$

因此以上两式的差可以表示为：

$\mathrm{\&Delta;}V=V_1-V_2=I_0({\left(2\mathrm{\&pi;}f\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}-{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_2\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})})Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2}---\left(9\right)$

可见，两个不同频率电流激励的响应电压差值ΔV，与C电极的CPE参数α和Q相关，而与溶液电阻R_W无关，因此，ΔV反映了电极与溶液之间的极化阻抗随频率的变化。而由于α和Q与电极几何形状、覆盖物厚度及溶液温度T相关，当电极选定、溶液温度T可测量时，则可用ΔV进一步反映覆盖物的厚度。

以清风F1防干烧热得快的U型加热管作为金属件，在其表面覆盖水垢。实测ΔV与溶液温度、水垢厚度的曲线如图6所示。可见，随溶液温度增高，ΔV值单调下降；随水垢厚度增加，ΔV单调上升。在某一确定溶液温度下，ΔV与水垢厚度呈单调关系，因此若通过标定获得一系列溶液温度T_i下的ΔV-厚度数据，则可通过测量溶液温度T和ΔV值，进一步通过查表和插值，分析水垢厚度。

2)测量某一待测金属件的水垢厚度：

a.将待测金属件作为测量电极；

b.按照1)c中所述方法，测量得到溶液温度T，频率为f₁、有效值为I₀的电流激励下的响应电压V₁，以及频率为f₂、有效值为I₀电流激励下的响应电压V₂，发送到控制计算单元；

c.由控制计算单元计算电压差：ΔV＝V₁-V₂；

d.控制计算单元查找存储模块中对应溶液温度T下的ΔV-厚度关系数据，查表并插值得到水垢厚度。

上述测量频率，1Hz≤f₁<f₂≤100kHz。

上述插值方法可选择一次插值法，该方法通过与溶液温度T最接近的温度标定点T_i所记录的ΔV-厚度数据，查找与ΔV最接近的ΔV_j和ΔV_j+1，其中ΔV_j≤ΔV＜ΔV_j+1，ΔV_j对应水垢厚度为t_j，ΔV_j+1对应水垢厚度为t_j+1，插值得到水垢厚度

上述插值方法也可选择二次插值法，该方法首先查找存储模块中与溶液温度T相邻的两个温度标定点T_i和T_i+1，T_i≤T＜T_i+1；再以上述一次插值法分别计算T_i中ΔV对应的水垢厚度t_i，以及T_i+1中ΔV对应的水垢厚度t_i+1；最后插值计算水垢厚度

上述测量主机6可由一个以单片机为核心的嵌入式系统来实现。电流源电路及检波电路可以通过运放来实现。

上述第一辅助电极和第二辅助电极可以使用不锈钢棒作为电极实现。测量时须保证辅助电极、金属件、温度传感器浸没于水溶液中。

实施例：

金属件为清风F1防干烧热得快的U型加热管，第一辅助电极与第二辅助电极均为不锈钢棒，将它们连同温度传感器浸没于自来水中。对厚度分别为0μm、137μm、267μm、413μm、588μm、643μm的U型加热管做标定，溶液温度范围为0-100℃，间隔为2℃，将标定数据存储于表格中。

对某一未知水垢厚度的U型加热管测量，测得溶液温度为22.5℃，ΔV为16mV。采用一维插值，查找存储表中，对应溶液温度为22℃时的厚度—ΔV数据，如表1所示。

表1.22℃时厚度‐ΔV数据

	1	2	3	4	5	6	7
								厚度/μm	0	137	267	413	475	588	643
ΔV/mV	2	4	10	12	20	34	36

则通过一维插值，得到待测U型加热管水垢厚度为

$413+(475-413)\&times;\frac{16-12}{20-12}=444\mathrm{\&mu;}m.$

Claims (5)

1.一种测量金属表面水垢厚度的装置及方法，其特征在于：该装置包括第一辅助电极(3)、第二辅助电极(4)、温度传感器(5)及测量主机(6)；其中，测量主机包括显示模块(7)、电缆接口(8)、存储模块(9)、控制计算单元(10)、D/A模块(11)、A/D模块(12)、电流源电路(13)和检波电路(14)；金属件(2)、第一辅助电极(3)、第二辅助电极(4)和温度传感器(5)共同浸没在贮水容器(1)中；温度传感器(5)测得的溶液温度信号(17)传输到控制计算单元(10)；控制计算单元(10)控制D/A模块(11)产生交流电压信号，并将该电压信号发送至电流源电路(13)，电流源电路(13)将该电压信号转换为激励电流信号(15)后，通过电缆接口(8)输出到金属件(2)及第一辅助电极(3)上；从金属件(2)及第二辅助电极(4)之间得到响应电压信号(16)，响应电压信号(16)反馈至检波电路(14)后，再经A/D模块(12)转换输入到控制计算单元(10)；控制计算单元(10)结合存储模块(9)中的数据，将分析并计算得到的测量结果发送到显示模块(7)。

2.采用如权利要求1所述装置的一种金属表面水垢厚度的测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)对已知水垢厚度的金属件进行标定：

a.获取形状和材质相同、水垢厚度不同的一组金属件，并记录这些金属件的水垢厚度；

b.在溶液温度T从0℃到100℃范围内，选择一系列温度点T_i；对每一个温度点T_i依次将这些金属件作为测量电极，按照下述方法测量：

c.将测量电极、第一辅助电极、第二辅助电极以及温度传感器共同浸没于水溶液中，构建三电极测量系统；将温度传感器测得的溶液温度T信号传输到控制计算单元；选择两个频率f₁和f₂，其中f₁<f₂；控制计算单元控制D/A模块首先产生频率为f₁的交流电压信号，并将该电压信号发送至电流源电路，电流源电路将该电压信号转换成频率为f₁、有效值为I₀的激励电流信号后，输出到测量电极及第一辅助电极上；从测量电极和第二辅助电极之间得到响应电压信号V₁，经过检波电路和A/D模块，传输到控制计算单元；然后，类似地，控制计算单元切换频率，产生频率为f₂、有效值为I₀的激励电流信号；从测量电极和第二辅助电极之间得到电压响应信号V₂，传输到控制计算单元；

d.由控制计算单元计算电压差： $\mathrm{\&Delta;}V=V_1-V_2=I_0({\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_1\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})}-{\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_2\right)}^{-(1-\mathrm{\&alpha;})})Qsin\frac{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&pi;}}{2};$ 其中，α和Q为已知水垢厚度的待测金属与溶液之间极化阻抗的恒相位元件模型特征参数，该特征参数与金属件几何形状、水垢厚度及溶液温度T相关；

e.由此得到在一系列T_i下的ΔV-厚度关系数据，将数据储存于存储模块中；

2)测量某一待测金属件的水垢厚度：

a.将待测金属件作为测量电极；

b.按照1)c中所述方法，测量得到溶液温度T，频率为f₁、有效值为I₀的电流激励下的响应电压V₁，以及频率为f₂、有效值为I₀电流激励下的响应电压V₂，发送到控制计算单元；

c.由控制计算单元计算电压差：ΔV＝V₁-V₂；

d.控制计算单元查找存储模块中对应溶液温度T下的ΔV-厚度关系数据，查表并插值得到水垢厚度。

3.根据权利要求2所述的一种金属表面水垢厚度的测量方法，其特征在于，所述频率f₁和频率f₂的范围为：1Hz≤f₁<f₂≤100kHz。

4.根据权利要求2所述的一种金属表面水垢厚度的测量方法，其特征在于，所述插值方法选择一次插值法，该方法通过与溶液温度T最接近的温度标定点T_i所记录的ΔV-厚度数据，查找与ΔV最接近的ΔV_j和ΔV_j+1，其中ΔV_j≤ΔV＜ΔV_j+1，ΔV_j对应水垢厚度为t_j，ΔV_j+1对应水垢厚度为t_j+1，插值得到水垢厚度

5.根据权利要求2所述的一种金属表面水垢厚度的测量方法，其特征在于，所述插值方法选择二次插值法，该方法首先查找存储模块中与溶液温度T相邻的两个温度标定点T_i和T_i+1，T_i≤T＜T_i+1；再以权利要求书第4条中的一次插值法分别计算T_i中ΔV对应的水垢厚度t_i，以及T_i+1中ΔV对应的水垢厚度t_i+1；最后插值计算水垢厚度