CN105866158B - 基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用磁共振耦合无线能量传输检测浓度，具体涉及基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置及检测方法，包括温度监测及控制装置、与计算机连接的网络分析仪，还包括与所述网络分析仪连接的测试设备，所述测试设备包括磁共振耦合系统，所述磁共振耦合系统包括发射端和接收端。该装置克服了普通传感器来测量溶液的浓度时由于溶液会在传感器上产生结晶甚至腐蚀传感器，而在普通传感器表明添加防腐材料又会大大影响测量精度，从而影响仪器的使用的缺陷。在谐振线圈的表面添加涂层，有效防止了溶液结晶和被腐蚀，谐振线圈可以长时间测量且可以被抽出清洗，实现溶液的无损检测，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于利用磁共振耦合无线能量传输检测浓度技术领域，特别涉及基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置及检测方法。
背景技术
浓度是表征介质溶液特征的重要参量之一。对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、食品、制药等行业中有着广泛的应用，它是保证产品质量和提高产品质量的重要技术手段。而采用普通传感器来测量溶液的浓度时由于溶液会在传感器上产生结晶甚至腐蚀传感器，如果在普通传感器表明添加防腐材料又会大大影响测量精度，从而影响仪器的使用。
发明内容
本发明的目的是提出一种灵敏地检测溶液浓度，且在使用后经过清洗可以多次使用的溶液浓度检测装置，避免了利用传统的传感器来测量溶液的浓度时由于溶液会在传感器上产生结晶甚至腐蚀传感器的弊端，使溶液浓度检测装置更为可靠方便。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置，包括温度监测及控制装置、与计算机连接的网络分析仪，还包括与所述网络分析仪连接的测试设备，所述测试设备包括磁共振耦合系统。
进一步地，所述磁共振耦合系统包括发射端和接收端。
进一步地，所述发射端包括直流电源、高频逆变器和发射线圈；所述接收端包括接收线圈、整流器和负载。
更进一步地，所述发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，且所述发射线圈和接收线圈上均涂有耐酸陶瓷。
利用上述基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置检测溶液浓度的方法，包括以下步骤：
（1）取样品溶液，采用温度监测及控制装置测量样品溶液的温度，记录下温度值，将测试设备的发射线圈和接收线圈插入到样品溶液中；
（2）保持步骤（1）记录的温度值恒定，用网络分析仪测量发射线圈和接收线圈浸泡在不同浓度的样品溶液中的散射矩阵参数，以下称S参数；
（3）建立步骤（2）所测量的S参数与样品溶液浓度的关系，存入计算机系统作为比对参数；
（4）测量待测溶液的浓度，取待测溶液，用温度监测及控制装置将待测溶液的温度调控为测量样品溶液比对参数时相同的温度，使用步骤（1）中相同的发射线圈和接收线圈插入待测溶液中，再利用网络分析仪测量S参数，并传送至计算机进行处理，根据比对参数进行比对分析，得出待测溶液的浓度。
磁共振耦合无线能量传输技术，就是利用两个具有相同谐振频率的线圈，在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生谐振，进行能量传递。一般来说，两个有一定距离的LC 谐振线圈，相互之间是弱耦合，但若两个具有相同的谐振频率，则会产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统。所谓“磁耦合谐振式”，是指空间进行能量交换的媒介是交变磁场，每个线圈的电磁谐振是由线圈中的磁场与分布电容的电场实现的。在系统进行无线电能的传输时，主要是通过发射端的发射线圈激发的高频磁场在接收端的接收线圈中引起电磁感应，从而使接收线圈产生电压，接收能量并转化为电能，并通过整流滤波成恒定的直流电后向负载供电。
磁共振耦合无线能量传输方案可以通过二端口网络理论来分析，对于二端口网络可以通过不同的等效电路参数来表征，在高频时，由于网络分析仪的存在，散射矩阵成为首选，它可以测量在较宽频率范围内的S参数。S参数可以反映磁共振耦合谐振线圈能量的传输特性，由于磁共振耦合利用空间交变磁场传递能量，空间介质的属性必然会影响到磁共振耦合无线能量传输的特性，据此可以建立起溶液浓度和谐振线圈S参数的对应关系，通过比对来测量溶液的浓度。
本发明基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置是在保持温度恒定的条件下，将两个磁共振耦合的发射线圈和接收线圈插入到浓度待测的溶液中，将磁共振耦合的发射线圈、接收线圈看成二端口网络，利用网络分析仪测量浸泡在溶液中两线圈的S参数。由于磁共振耦合利用空间交变磁场传递能量，空间介质的属性必然会影响到磁共振耦合无线能量传输的特性，据此可以建立起溶液浓度和谐振线圈S参数的对应关系，将网络分析仪测得的S参数送至计算机进行系统处理，根据比对溶液浓度和谐振线圈S参数的对应关系可以得到待测溶液的浓度。
本发明的有益效果：本发明利用磁共振耦合空间交变磁场传递能量，空间介质的属性必然会影响到磁共振耦合无线能量传输的特性，据此建立起溶液浓度和谐振线圈S参数的对应关系，将网络分析仪得到的S参数送至计算机进行系统处理，根据比对对应关系得到待测溶液的浓度。为防止线圈与溶液的直接接触，在谐振线圈的表面添加涂层，由于谐振线圈的能量仅通过空间电磁场传输，因此在谐振线圈的表面添加涂层并不会影响谐振线圈参数的测量，只需要保持使用的线圈与建立S参数与溶液浓度关系时使用的线圈一致即可，有效防止了溶液结晶和被腐蚀，避免了普通传感器表面添加防腐材料会大大影响测量精度的问题。谐振线圈可以长时间测量且可以被抽出清洗，实现溶液的无损检测，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的结构示意图；
图2是本发明一个实施方式中基于磁共振耦合的无线能量传输示意图；
图3是本发明一个实施方式中网络分析仪测量S参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。如图1所示，本发明的实施方式技术方案如下：基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置，包括温度监测及控制装置、与计算机连接的网络分析仪，还包括与所述网络分析仪连接的测试设备，所述测试设备包括磁共振耦合系统。
所述磁共振耦合系统包括发射端和接收端。
所述发射端包括直流电源、高频逆变器和发射线圈；所述接收端包括接收线圈、整流器和负载。
所述发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，且所述发射线圈和接收线圈上均涂有耐酸陶瓷。
利用上述基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置检测溶液浓度的方法，包括以下步骤：
（1）取样品溶液，采用温度监测及控制装置测量样品溶液的温度，记录下温度值，将发射线圈和接收线圈插入到样品溶液中；
（2）保持步骤（1）记录的温度值恒定，用网络分析仪测量发射线圈和接收线圈浸泡在不同浓度的样品溶液中的散射矩阵参数，以下称S参数；
（3）建立步骤（2）所测量的S参数与样品溶液浓度的关系，存入计算机系统作为比对参数；
（4）测量待测溶液的浓度，取待测溶液，用温度监测及控制装置将待测溶液的温度调控为测量样品溶液比对参数时相同的温度，使用步骤（1）中相同的发射线圈和接收线圈插入待测溶液中，再利用网络分析仪测量S参数，并传送至计算机进行处理，根据比对参数进行比对分析，得出待测溶液的浓度。
图1中的温度监测及控制装置用于使溶液温度保持恒定，发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统，发射线圈和接收线圈为磁共振耦合谐振线圈；利用磁共振耦合无线能量传输特性受到空间介质变化的影响这一特点，在磁共振耦合谐振线圈固定，且在某一恒定温度的条件下，利用网络分析仪测量谐振线圈浸泡在不同浓度的溶液中时的S参数，并建立起溶液浓度和谐振线圈S参数的关系作为测量浓度时的比对参数；当需要测量某一溶液的浓度时，保持待测溶液的温度与获取比对参数时的温度相同，保持与建立比对参数时使用的谐振线圈一致，将上述的两个磁共振耦合谐振线圈插入到浓度待测的溶液中，将磁共振耦合的谐振线圈看成二端口网络，利用网络分析仪测量浸泡在溶液中的谐振线圈的S参数，并将网络分析仪得到的S参数送至计算机进行系统处理，与已知浓度的谐振线圈对应的S参数进行比对分析，得到待测溶液的浓度。另一方面，对于易结晶的溶液如尿素溶液等，可以适当升高温度以增加溶质的溶解度以防止结晶，同样只需要通过温度监测及控制装置保持测量时与建立S参数和溶液浓度关系时的温度一致即可，可以有效防止结晶。
为了防止谐振线圈与溶液的直接接触，进而防止溶液结晶和谐振线圈被腐蚀，在谐振线圈的表面添加如耐酸陶瓷之类的新材料作为涂层，耐酸陶瓷几乎能耐受所有腐蚀介质，包括浓热硝酸、盐酸、王水、盐溶液、有机溶液等，适用于300°C以下的防腐。因为谐振线圈的能量仅通过空间电磁场传输，所以谐振线圈添加涂层后不会影响空间的交变磁场，从而也不会影响谐振线圈的测量。谐振线圈可以长时间测量且可以被抽出清洗，实现溶液浓度的无损检测。
如图2所示，基于磁共振耦合的无线能量传输示意图，利用两个具有相同谐振频率的线圈，在相距一定的距离时，由于磁场耦合产生谐振，进行能量传递。一般来说，两个有一定距离的LC 谐振线圈，相互之间是弱耦合，但若两者具有相同的谐振频率，则会产生电磁谐振，构成一个电磁谐振系统。在系统进行无线能量的传输时，图2所示的直流电源发出的直流电经过高频逆变器逆变成高频电流，高频电流通过发射端的发射线圈激发出高频磁场，从而在接收端的接收线圈中引起磁共振，使接收线圈产生电压，接收能量并转化为电能，通过整流器整流滤波成恒定的直流电后，向负载供电。
如图3所示，两个磁共振耦合线圈可以看成双边的二端口网络，所以磁共振耦合无线能量传输方案可以通过二端口网络理论来分析，对于二端口网络可以通过不同的等效电路参数来表征，在高频时，由于网络分析仪的存在，散射矩阵成为首选，它可以测量在较宽频率范围内的散射矩阵参数，即所谓的S参数。如图3所示，只需将网络分析仪连接在测试设备的两端，就可以读出测试设备所代表的二端口网络的S参数，并可以将读取的数据送至计算机进行系统处理。S参数可以反映磁共振耦合谐振线圈能量的传输特性，由于磁共振耦合利用空间交变磁场传递能量，空间介质的属性必然会影响到磁共振耦合无线能量传输的特性，据此可以建立起溶液浓度和谐振线圈S参数的对应关系作为比对参数存入计算机，将待测溶液S参数进行比对即可测出待测溶液的浓度。
综上所述，本发明的实施方式在特定的温度下，将两个磁共振耦合的谐振线圈插入到浓度待测的溶液中，将磁共振耦合的谐振线圈看成二端口网络，利用网络分析仪测量浸泡在溶液中的谐振线圈的S参数。由于磁共振耦合利用空间交变磁场传递能量，空间介质的属性必然会影响到磁共振耦合无线能量传输的特性，据此可以建立起溶液浓度和谐振线圈S参数的对应关系，将网络分析仪得到的S参数送至计算机进行系统处理，根据对应关系可以得到待测溶液的浓度。还可以在谐振线圈的表面添加新材料，防止线圈与溶液的直接接触，进而防止溶液结晶和线圈被腐蚀，且不会影响空间的交变磁场从而不会影响谐振线圈的测量，谐振线圈可以长时间测量且可以被抽出清洗，实现溶液的无损检测。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (2)
1.基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置，包括温度监测及控制装置、与计算机连接的网络分析仪，还包括与所述网络分析仪连接的测试设备，所述测试设备包括磁共振耦合系统；所述磁共振耦合系统包括发射端和接收端；所述发射端包括直流电源、高频逆变器和发射线圈；所述接收端包括接收线圈、整流器和负载；其特征在于：所述发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，且所述发射线圈和接收线圈上均涂有耐酸陶瓷。
2.一种利用权利要求1所述基于磁共振耦合的无损溶液浓度检测装置检测溶液浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取样品溶液，采用温度监测及控制装置测量样品溶液的温度，记录下温度值，将测试设备的发射线圈和接收线圈插入到样品溶液中；
(2)保持步骤(1)记录的温度值恒定，用网络分析仪测量发射线圈和接收线圈浸泡在不同浓度的样品溶液中的散射矩阵参数；以下散射矩阵参数称S参数；
(3)建立步骤(2)所测量的S参数与样品溶液浓度的关系，存入计算机系统作为比对参数；
(4)测量待测溶液的浓度，取待测溶液，用温度监测及控制装置将待测溶液的温度调控为测量样品溶液比对参数时相同的温度，使用步骤(1)中相同的发射线圈和接收线圈插入待测溶液中，再利用网络分析仪测量S参数，并传送至计算机进行处理，根据比对参数进行比对分析，得出待测溶液的浓度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171215 |