CN107003280B - 电流型氯传感器 - Google Patents

Abstract

包括第一和第二电极的传感器可以被用来确定受测流体样本中的至少一种化学组分的浓度。电极可以部署在流体样本中，并且预定电压可以被施加到第一电极。该电压可以使电流在第一和第二电极之间流动通过样本，电流依赖于流体样本中化学组分的浓度。感测电阻器耦接到第一电极，使得在电极之间流动的电流流过感测电阻器。与电极电隔离的处理器可以接收指示感测电阻器两端的电压降和在第一电极处施加的电压的数据信号。接收到的信号可以被用来确定流体样本中的组分的浓度。

Description

电流型氯传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年11月7日提交的美国专利申请序列号No.14/535,523的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及对流体样本的浓度监测，诸如监测水池或水疗中心(spa)中的氯的浓度。

背景技术

用于在流体(例如，诸如水池、水疗中心、水上乐园等再生水体)中配给某些物质(例如，氯)的分配系统常常需要感测物质的浓度。用于这种应用的一种类型的传感器是用于监测再生水体中的氯的水平的氧化还原电位(ORP)传感器。ORP传感器测量物质充当氧化剂或还原剂的能力。氯是氧化剂，因此可以通过ORP传感器间接测量氯在流体中的存在。由于ORP传感器成本较低，其被广泛使用。但是，ORP传感器可能有几个缺点。例如，ORP传感器可能对通常在再生水体中使用的氯浓度范围(例如，1至10ppm)内的氯浓度具有非线性信号响应。而且，ORP传感器的高阻抗特点可能对外部电气噪声(例如，杂散电流)敏感，由此降低了测量的准确度。而且，ORP传感器通常不直接感测氯浓度，而是感测氧化还原电位，这又可能受到各种参数(诸如pH、温度和流体中其它化学品种类的存在等)的影响。因此，ORP传感器可能需要校准过程来测量ORP传感器对给定水体中的氯浓度的响应。因此，必须根据ORP传感器所用于的每个水体中普遍的物理条件(例如，pH、温度等)对ORP传感器进行“手动调节”。由于水体中变化的状况，这种校准过程可能随时间变得不可靠，并且可能增加装备和维护成本。

用于测量流体(例如，水)中的某些物质(例如，氯)的浓度的另一种类型的传感器是电流型传感器。这种电流型传感器可以基于在一对电极之间流动的电流(或其中的变化)来测量离子的浓度。与ORP传感器不同，电流型传感器可以对氯浓度具有线性信号响应，并且具有低的电阻抗。其结果是，在电流型传感器中可能没有显著的电噪声干扰，从而导致比ORP传感器更好的测量准确度。这种传感器还具有简单的构造和低的成本。此外，电流型传感器对于各个传感器一般有可预测的响应，从而消除了对高成本校准过程的需求。

发明内容

本发明的实施例一般而言涉及用于水体的化学品监测系统，包括用于其中的传感器及其使用方法。示例性系统可以是电流型传感器，并且可以包括处理器、与处理器电隔离的第一电极以及被配置为在第一电极处提供预定电压的可调节电源。可调节电源可以与处理器电隔离并与处理器通信，用于在第一电极处维持电隔离的预定电压。传感器还可以包括串联连接在第一电极与可调节电源之间的感测电阻器，以及第二电极。

在一些示例中，第一和第二电极可以部署在受测流体样本中。施加到第一电极的预定电压可以使得电流从第一电极通过受测流体样本流到第二电极。电流可以从可调节电源提供，使得当电流朝第一电极行进时流过感测电阻器。

传感器可以包括与处理器通信并与处理器电隔离的模拟数字转换器(ADC)。ADC可以向处理器提供关于施加到第一电极的电压和由于电流流过感测电阻器而在感测电阻器两端引起的电压降的信息。示例性信息可以包括指示感测电阻器的第一侧处的电压的信号、感测电阻器的与第一侧相对的第二侧处的电压以及第一电极处的电压。在一些示例中，第一电极处的电压与感测电阻器的一侧处的电压相同或者能够根据感测电阻器的一侧处的电压以其它方式确定第一电极处的电压。

处理器可以从ADC接收信息。处理器可以基于第一电极处确定的电压来控制可调节电源。此外，处理器可以确定感测电阻器两端的电压降，并且基于所确定的电压降来确定流过感测电阻器的电流。在一些示例中，处理器可以使用检测到的电流来确定受测流体样本中的一种或多种化学成分(诸如氯或其它氧化剂)的浓度。处理器和其它传感器部件(例如，电源、ADC)之间的电隔离允许确定电极之间的电流流，同时将电子设备与水体环境的电气地隔离。这种隔离可以防止可能对靠近水体的人或装备造成危险的接地回路和杂散电流。

传感器和/或系统可以包括被配置为向处理器提供辅助数据的一个或多个辅助传感器，诸如温度、pH、流速、浊度或其它传感器。除了关于流过第一电极的电流的数据，处理器还可以使用辅助数据以补充确定流体样本的成分的浓度。

附图说明

以下附图例示本发明的特定实施例，并且因此不限制本发明的范围。附图不必然按比例绘制(除非说明如此)，并且意在与下面的具体实施方式中的解释结合使用。下文将结合附图描述本发明的实施例，其中相似的标号表示相似的元件。

图1是其中可以实现这种传感器的示例性系统的框图。

图2是示出示例性传感器内的部件的通信的示意图。

图3是示出包括感测电阻器和比较电路的示例性传感器的扩展框图。

图4是示出在诸如图3中所示的传感器中的示例性电力应用的示意图。

图5是示出处理器、电极和比较电路之间的通信的示例性示意图。

具体实施方式

本发明的各方面针对用于确定和/或控制水体中的化学品水平的传感器。图1是其中可以实现这种传感器的示例性系统的框图。图1的系统100包括水体102，诸如要处理的水池或水疗中心。该系统可以包括水泵104，水泵104用于使水循环通过包括系统的各个部件的水循环回路。例如，在所示的系统100中，水泵104可以在将水返回到水体102之前使水从水体102循环通过过滤器106和加热器108。常常用一种或多种化学品处理水体102，这些化学品可以储存在一个或多个化学品储存装置112中并经由一个或多个化学品泵114结合到水体102。待添加到水中的示例性化学品可以包括氯或酸性化学品，用于维持水体102中期望的化学性质。

系统100可以包括被配置为监测水体中的水的一个或多个特性的传感器110。在一些示例中，传感器或其它系统部件或配置可以诸如于2014年11月5日提交的美国专利申请No.14/533,343中所述，其中该申请转让给本申请的受让人并且其全部内容通过引用并入本文。在一些实施例中，传感器110可以与水泵104一起定位在回路中，使得传感器110接收由泵104泵送的水的至少一部分。在一些实施例中，传感器110可以与水泵104串行放置。在一些这样的实施例中，传感器接收流过水循环回路的所有流体。在所示实施例中，传感器110与水泵104并行定位，并且被配置为仅接收被泵送的水的一部分。在各种示例中，传感器110可以并行于流回路的任何部分定位并且接收流过回路的水的一部分。一些系统可以包括阀门，以控制从水循环回路到传感器110的流体流。

在一些系统中，传感器可以与一个或多个化学品泵114通信，化学品泵114可以被配置为将相应的一种或多种化学品从化学品储存装置112分配到水体102中。因而，传感器110可以基于感测到的一个或多个参数来控制一种或多种化学品向水体102的添加。例如，在传感器110检测到特定化学品(例如，氯)的水平低于期望水平的情况下，传感器110可以使化学品泵114将该化学品从化学品储存装置112配给到水体102中。

在一些示例中，传感器110可以包括电流型传感器。电流型传感器一般可以是两种类型之一。在第一种类型的无源流电电流型传感器中，由于水中的氧化剂的电化学作用，在两个电极的不同金属之间生成电压。所产生的电压可以被用来确定氧化剂的水平。在一些情况下，无源流电传感器可以具有有限的测量范围，因为电压可能在低的或高的浓度条件下饱和。第二种类型的电流型传感器是有源偏置传感器。在有源偏置传感器中，小的电压被施加到第一电极，这使得电流在第一电极和第二电极之间流动。该电流指示水中的氧化剂的水平。有源偏置传感器可能需要对所施加的偏置进行非常严格的控制，并且可能对流体的其它参数(诸如流速、温度、pH和流体中的总溶解固体(TDS)的量)敏感。

本发明的实施例涉及被配置为至少以有源偏置模式运行的电流型传感器。因此，图1的传感器110可以包括电流型传感器。电流型传感器可以包括用于向流体样本施加电压的第一电极，以及用于接收由于所施加的电压而产生的电流的第二电极。在一些实施例中，第一电极包括铂或金，而第二电极包括铜，但是可以使用各种合适的材料。传感器还可以包括用于向第一电极提供电压的电源、用于测量由于施加到第一电极的电压而在第二电极之间流动的电流的电路系统，以及用于控制施加到第一电极的电压并且确定在第二电极之间流动的电流的处理器。在一些实施例中，第二电极可以连接到系统地，从而使流到它的电流接地。

在一些应用中，例如在水池或水疗中心中，期望将传感器的部件与水体环境公共地电隔离。电隔离这种部件消除了传感器的电路系统中的各个点与周围环境之间的接地路径。这可以帮助减少在电极处检测到杂散电流并且减少杂散电流错误地影响信号。此外，缺乏隔离可能导致可能对电气部件或水体内或其周围的人员造成危险的接地回路。因而，系统可以包括传感器的各个部件之间的电隔离。例如，传感器可以包括处理器与电源之间的电隔离，使得电源与水体地隔离。系统还可以提供电流感测电路系统与处理器之间的电隔离。因而，处理器可以经由传统的非隔离电力供电，而与一个或多个电极接合的电路系统和电源与水体地隔离，其中该一个或多个电极与水体通信。

图2是示出示例性传感器内的部件的通信的示意图。图2的传感器包括经由隔离装置224与电源226通信的处理器220。隔离的电源226可以与一个或多个电极228以及电流感测电路系统230中的一个或二者通信。即，电源226可以被配置为根据期望向一个或多个电极228提供电压，向电路系统230提供电力，或二者兼有。在一些示例中，一个或多个电极228包括多个电极，并且电源226仅向这多个电极的子集提供电压。在一些这样的示例中，一个或多个未被供电的电极可以连接到隔离的地。电流感测电路系统230可以与一个或多个电极228接合，以接收指示流过一个或多个电极228的电流的信号。例如，在一些示例中，电流感测电路系统230可以与单个电极接合，从而接收指示在单个电极和第二电极之间流动的电流的信号，其中第二电极可以耦接到隔离的地。在一些实施例中，由电源226经由电路系统230向一个或多个电极228提供电力。电路系统230可以经由隔离装置232将信息传送回处理器220。在一些实施例中，可以经由变压器、光隔离器(opto-isolator)、光伏隔离器、电容性隔离器或任何其它适当的隔离通信来实现隔离装置224和/或232。

在一些布置中，被分析的水中的氯和/或其它化学品可以与第一电极相互作用并引起施加到样本上的电压的变化。但是，在至少一些运行中，期望恒定的偏置电压。因而，在一些实施例中，处理器220可以与隔离装置224和/或电源226一起运行，以在第一电极处提供恒定的偏置电压。在示例性实施例中，处理器220接收指示在第一电极处施加的偏置电压的信号，并且向隔离装置224和电源226中的一个或二者提供输出，以响应于任何检测到的偏差调整施加到第一电极的偏置电压。

在一些电流型配置中，诸如230的电路系统可以包括用于确定在第一电极和第二电极之间流动的电流-电压转换器电路。一些这样的配置包括运算放大器，其中第一电极耦接到反相输入端，并且输出端经由反馈电阻器耦接到反相输入端。在这种配置中，电流-电压转换器的反相性质导致负输出。为了这样运行运算放大器，需要正电力和负电力二者。因而，传感器需要用于同时的运算放大器和偏置电极运行的正电力和负电力二者。一些这样的配置需要两个电源来提供正电力和负电力二者。如前面所讨论的，如果需要电流感测电路系统的电隔离，则这可能变得昂贵和/或复杂。

在一些实施例中，电路系统230被配置为仅需要用于运行传感器的单个隔离的电源。在一些这样的实施例中，电路系统230可以包括耦接到第一电极的感测电阻器，使得在第一电极和第二电极之间流动的电流类似地流过感测电阻器。例如，电流可以从电源226通过感测电阻器流到第一电极，并且通过样本流到第二电极，其中第二电极可以耦接到隔离的地。感测电阻器两端的电压降可以被用来确定流过其中的电流，并且因而确定在第一电极和第二电极之间流动的电流。在一些示例中，感测电阻器可以是高精度电阻器。例如，感测电阻器可以具有40.2千欧姆±0.1％的电阻。可以使用具有相同或不同的准确度容差的各种电阻。在一些实施例中，感测电阻器的电阻可以在近似为1千欧姆至500千欧姆的范围内。在一些示例中，电阻的值可以存储在可由处理器220访问的存储器中，以供在各种计算和处理中使用。

电路系统230可以包括用于测量感测电阻器两端的电压降的一个或多个放大器(例如，运算放大器)。在一些示例中，放大器可以被配置为单位增益放大器或其它非反相放大器，因而不需要向其施加双极性电力。电路系统230可以包括比较电路，比较电路包括一对这样的放大器以确定感测电阻器两端的电压降，从而确定流过其中的电流。电路系统还可以包括用于向比较电路的部件(例如，放大器)供电的比较电源。在一些示例中，比较电源包括单个单极电源。在一些这样的实施例中，放大器可以由单极电源的输出和隔离的地供电。因而，可以在不需要双极性隔离电源的情况下执行对电压的测量并且因而执行对电流的测量。

图3是示出包括感测电阻器和比较电路的示例性传感器的扩展框图。图3的示意图包括第一电极344和第二电极346。在运行期间，电极可以部署在受测流体样本中。图3的传感器还包括经由隔离324耦接到隔离的电源326的处理器320。在一些情况下，隔离324可以包括光隔离器。电源326可以相对于隔离的地390向第一电极344提供隔离的电压。第一电极344处的电压可以使电流从电源326流出并且流动在第一电极344和第二电极346之间，流过受测流体样本，如虚线所示。第二电极346可以耦接到隔离的地390。在一些示例中，电源326可以经由感测电阻器340耦接到第一电极344，使得流过第一电极344到达第二电极的电流流过感测电阻器340，从而在电阻器两端产生电压降。因此，在一些这样的系统中，施加到第一电极344的电压可以导致电流从电源326通过感测电阻器340流到第一电极，流过受测流体样本，并且经由第二电极流到地。

在一些示例中，电源326可以被配置为向比较电路342提供电力。比较电路342可以被配置为测量或者以其它方式输出表示感测电阻器340两端的电压降的一个或多个信号。在一些示例中，比较电路342可以包括一对放大器。放大器可以相对于感测电阻器340定位，从而共同产生指示感测电阻器340两端的电压降的输出。例如，放大器可以被配置为在感测电阻器340的任一侧上具有相应输入的单位增益放大器。在这种配置中，相应的放大器的输出之间的差表示感测电阻器340两端的电压降。此外，可以使用非反相放大器来构造这种配置，因此不需要双极性电力以运行放大器。替代地，可以由单个单极隔离的电源和隔离的地来为放大器供电。在一些示例中，用于为运算放大器供电的隔离的电力可以由一个或多个隔离元件提供，包括光隔离器或变压器(例如，DC-DC转换器)。在一些实施例中，用于为运算放大器供电的隔离的电力可以从相同或不同的隔离元件提供，从而提供处理器与其它部件之间的隔离(例如，隔离324、332)。

如前面所讨论的，在一些示例中，系统可以包括用于向比较电路提供电力的比较电源348。例如，比较电路可以包括需要电力以运行的一个或多个放大器。出于上面给出的原因，比较电路可以包括非反相放大器，因而不需要相反极性的电力以便正常运行。如此，比较电源348可以包括单个单极电源。例如，比较电路342中的放大器可以相对于隔离的地390从单极电源接收电力。

比较电路342可以输出表示流过感测电阻器340的电流的一个或多个信号。例如，输出可以包括由比较电路342测量的感测电阻器340两端的电压降，或者表示感测电阻器340的每一侧上的电压的测量结果，其中根据该测量结果可以计算该电压降。在一些示例中，比较电路342可以包括用于输出表示流过感测电阻器340的电流的一个或多个数字信号的模拟数字转换器(ADC)。比较电路342的输出可以由处理器320接收，根据该输出可以确定感测电阻器340两端的电压降。为了维持电路系统的电隔离，比较电路342可以经由隔离332将信号输出到处理器320。在一些示例中，隔离332可以包括光隔离(例如，包括一个或多个光隔离器)。因而，在一些示例中，处理器320可以接收表示流过感测电阻器340的电流的一个或多个数字信号，这一个或多个数字信号与比较电路342和感测电阻器340电隔离。

处理器320可以基于从比较电路342接收的一个或多个信号来确定流过感测电阻器340的电流。在一些示例中，处理器320接收感测电阻器340两端的电压降的值，并基于接收到的电压计算流过感测电阻器340的电流。在其它示例中，处理器接收指示感测电阻器340的任一侧上的电压的数据，计算感测电阻器340两端的电压降，并确定流过其中的电流。在一些实施例中，处理器320被配置为基于流过感测电阻器340的电流来确定受测流体样本中的一种或多种成分的浓度。例如，在一些示例中，处理器320被配置为至少确定受测流体样本的氯浓度。

在一些实施例中，处理器320可以控制和/或监测施加到第一电极344的有源偏置电压。例如，比较电路可以检测来自感测电阻器340的耦接到第一电极344的一侧的电压，由此检测第一电极344处的电压。在这样的实施例中，处理器320可以从比较电路342接收表示施加到第一电极344的电压的输出。在一些示例中，处理器320可以基于在第一电极344处施加的电压和流过感测电阻器340的电流来确定流体样本的氯浓度。在示例性实施例中，处理器320接收指示感测电阻器340的每一侧上的电压的输出，其中一个这样的输出还指示施加到第一电极344的电压。处理器320可以利用这样的输出来确定流过感测电阻器340的电流和受测流体样本的氯浓度。

一些系统可以包括用于确定受测流体样本的一个或多个附加参数的一个或多个辅助传感器。示例性辅助传感器可以包括但不限于温度传感器、pH传感器、浊度传感器、电导率传感器、流量计或用于确定流体样本参数的任何适当的传感器。处理器320可以从一个或多个辅助传感器接收辅助数据，并且在一些情况下，可以使用辅助数据来确定流体样本的特性。例如，在计算流体样本中的一种或多种组分(例如，氯)的浓度时，辅助数据可以补充其它数据(例如，通过感测电阻器340的电流或第一电极344处的电压)。

在各种实施例中，辅助传感器可以与处理器320通信。在一些情况下，辅助传感器可以电耦接到处理器。附加地或可替代地，辅助传感器可以与处理器320通信但是与处理器320电隔离。一般而言，可以使用电隔离和电耦接的辅助传感器的任何组合。在图3所示的实施例中，传感器包括被示为与处理器320电通信的辅助传感器354。辅助传感器354可以将辅助数据直接提供给处理器320。传感器还包括经由辅助隔离352耦接到处理器320的辅助传感器350。辅助隔离352可以包括任何适当的隔离部件，包括变压器、光隔离器等。例如，辅助传感器350可以经由光隔离通信设备将辅助数据传送到处理器320。在一些情况下，一个或多个辅助传感器被供电。隔离的辅助传感器(例如，350)可以经由流电隔离的电源供电，而电耦接到处理器的辅助传感器可以由非隔离的电源供电。在示例性实施例中，传感器可以包括与处理器通信并与处理器隔离的pH探针，以及与处理器非隔离通信的电导率探针和温度探头。一般而言，可以通过与用来将电极与处理器隔离的相同或不同的隔离器来将隔离的辅助部件与处理器或其它非隔离的部件隔离。

图4是示出在诸如图3中所示的传感器中的示例性电力应用的示意图。图4的示例性传感器包括被配置为向传感器的任何数量的部件提供电力的电力总线456。在一些示例中，电力总线456被配置为向各个部件中的每一个输出恒定的电压。在一些示例中，电力总线456相对于非隔离的系统地提供3.3V，但是可以使用任何适当的电压。在所示示例中，电力总线456被配置为经由比较隔离装置458和比较电源448向比较电路442提供电力。在一些这样的示例中，电力总线456向比较隔离装置458提供非隔离的电力，比较隔离装置458可以经由比较电源向比较电路442提供隔离的电力。在一些情况下，比较隔离装置458包括比较电源448的功能并将电力直接输出到比较电路442。在一些示例中，比较隔离装置458包括DC-DC转换器。

电力总线456可以向被配置为向参考电源426提供隔离的电力的参考隔离装置424提供电力。参考电源426可以类似于图3的电源326起作用。参考电源426可以向感测电阻器以及比较电路的部分提供电力。与比较隔离装置458类似，参考隔离装置424可以承担参考电源426的功能，并将电力直接提供给系统的部件，诸如感测电阻器。在一些实施例中，参考隔离装置424可以从比较隔离装置458和处理器420中的一个或二者接收信号或电力。例如，在一些示例中，参考隔离装置424需要电力以运行，该电力其可以从比较隔离装置458提供。

在一些示例中，处理器420可以向参考隔离装置424提供关于从参考电源426提供的电力的量的信号。例如，参考隔离装置424可以包括光隔离器，光隔离器由来自比较隔离装置458的隔离的电力供电。光隔离器可以由来自电力总线456的电力和来自处理器420的信号在输入端(例如，二极管的阳极和阴极)处供电，从而允许处理器420控制从参考隔离装置424提供的电力(例如，经由占空比)。在所示实施例中，电力总线456被配置为向处理器420提供电力。来自电力总线456的电力可以被用来向处理器420供电或向其提供参考信号。

在所示实施例中，电力总线456向辅助传感器454提供电力。辅助传感器454可以包括例如温度传感器、pH传感器、流量传感器、浊度传感器或者用于确定流体样本的特性的任何其它适当的传感器中的任何一个。在一些示例中，电力总线456可以经由隔离元件向辅助传感器提供电力，使得辅助传感器可以与系统地电隔离。在其它示例中，辅助传感器454可以由电力总线456直接供电。

应当认识到，虽然在图4中电力总线456被示出为向几个部件中的每一个提供电力，但是，在各种实施例中，电力总线456可以向这种设备的任何子集提供电力。在一些情况下，一个或多个电力总线可以组合以向这种部件提供电力。一个或多个电力总线可以被配置为向与其电耦接的相关联的部件提供相同或不同的电压。此外，图4意在示出根据一些实施例的通信和耦接的部件的特定实例。因而，图4中所示的各种部件可以耦接到其它所示部件，而在图4中没有示出这二者之间的连接。一般而言，根据传感器的各种实施例，图4中所示的布置是示例性的，并且应当认识到，其它布置和实施例是可能的。

图5是示出处理器、电极和比较电路之间的通信的示例性示意图。图5示出了通过隔离装置524耦接到感测电阻器540的处理器520。感测电阻器540在其另一侧耦接到第一电极544。感测电阻器540的任一侧与运算放大器560、562的非反相输入端电连接。在所示实施例中，放大器被配置为单位增益放大器，但是其它传感器可以具有替代的放大器配置。例如，放大器可以输出不等于其输入的放大信号。在一些实施例中，可以根据实现期望范围内的输出(例如，ADC 564的输入范围)来使用各种放大率。放大器560和562可以被配置为具有相同或不同的放大率。在示例性实施例(未示出)中，第一放大器560可以是单位增益放大器，而第二放大器562的输出的幅度是其输入的两倍。

每个放大器的输出端电耦接到模拟数字转换器(ADC)564。ADC 564可以向处理器520提供表示在感测电阻器540的任一侧感测到的电压的数字信号。在所示示例中，ADC 564经由隔离装置532耦接到处理器520，从而使得处理器520和电耦接到流体样本的其它部件之间能够进行交互，同时维持它们之间的电隔离。虽然ADC被示出为向隔离器532和处理器520输出单个通道，但是ADC可以向处理器520输出两个或更多个数据流，例如，表示感测电阻器540的任一侧的电压的分开的信号。

在所示实施例中，运算放大器562的输入端耦接到第一电极544并且也耦接到感测电阻器540的一侧，其输出被输入到ADC 564，用于经由隔离装置532传输到处理器520。因而，除了关于感测电阻器540的任一侧的电压的数据，处理器520还可以接收指示第一电极544处的电压的数据。应当注意的是，虽然在图5所示的实施例中传感器的各种部件被示为直接连接，但是这种部件可以具有部署在其间的中间部件，诸如滤波器(高通、低通、带通等)、分压器或者将以可预测的方式影响电路的其它电路部件。一般而言，本文所使用的术语“耦接”是指可以直接连接或者可以在其间具有中间部件的部件。

在运行期间，第一电极544和第二电极546可以部署在受测流体样本中。处理器可以使得在感测电阻器540的顶部施加电压(+V)。该电压可以例如通过隔离装置524与处理器520电隔离。在一些实施例中，电压+V可以表示被配置为向电路提供隔离的电压并且由处理器520控制的可调节电源526。如关于图4所讨论的，在一些示例中，隔离装置524的输出可以充当向感测电阻器540的第一侧539提供电压的可调节电源526。电压+V的施加可以导致第一电极544处的电压，该电压的表示信号可以由处理器520经由ADC 564和隔离装置532来检测。在一些实施例中，处理器520可以调节其输出使得在第一电极544处存在预定电压。处理器520可以例如通过调节到隔离装置524的输出的占空比来调节第一电极处的电压。例如，在一些示例中，隔离装置524可以包括光隔离器，并且处理器520可以调节其到光隔离器的输出的占空比从而实现对第一电极544处的电压的调节。传感器可以包括滤波电路或者被配置为产生随着接收到的输入的占空比变化而变化的输出的其它部件。如上面所讨论的，然后，第一电极544上的电压可以经由例如ADC 564和隔离装置532被反馈到处理器520。

第一电极544上的电压可以使得电流从526处的电源流出，流过感测电阻器540、第一电极，流过受测流体样本，并流到第二电极546，在那里电流到达隔离的地590。流过的电流可以造成感测电阻器540两端的电压降，从而影响第一电极544处的电压。在一些实施例中，处理器520监测第一电极544处的电压的这种变化，并调节其输出以调节第一电极544处的电压。因而，处理器520可以维持对第一电极处的电压的严格控制，并且针对任何偏差进行调节，以维持恒定的预定电压。

如上所述，在第一电极544处维持的电压可以使电流从电源526流过样本并到达隔离的地590，从而导致流过感测电阻器540的电流流。流过感测电阻器540的电流流在感测电阻器540两端产生电压降。在所示示例中，感测电阻器540的第一侧539处的电压可以被施加到运算放大器560的非反相输入端，运算放大器560可以向ADC 564输出第一电压信号。类似地，电阻器540的第二侧541处的电压可以被施加到运算放大器562的非反相输入端，运算放大器562可以向ADC 564输出第二电压信号。

ADC 564可以分别从运算放大器560和562接收第一电压和第二电压，并将表示第一电压和第二电压或它们之间的差的一个或多个信号输出到处理器520(经由隔离装置532)。在一些示例中，ADC564输出表示第一电压的第一数字信号和表示第二电压的第二数字信号。数字信号可以由处理器520经由隔离装置532接收。在各种实施例中，第一数字信号和第二数字信号可以包括感测电阻器540的任一侧的电压的真实值。在可替代的实施例中，第一数字信号和第二数字信号中的一个或二者可以包括作为感测电阻器540的任一侧上的电压中的一个或二者的已知倍数的值。例如，如果放大器562被配置为增益为2，则来自ADC564的第二信号可以包括是感测电阻器540的第二侧541处的电压值的两倍的值。可以利用关于放大器560和562的放大率的数据来对处理器520进行编程，并且可以相应地计算感测电阻器540两端的真实电压降。一般而言，处理器可以接收表示第一电压与第二电压之间的差的信号，或者可以接收表示第一电压和第二电压的分开信号，其中处理器可以根据该分开信号确定第一电压与第二电压之间的差。

一般而言，传感器可以包括比较电路542，其被配置为确定并输出表示感测电阻器540两端的电压降的一个或多个信号。在所示实施例中，比较电路542包括运算放大器560和562以及ADC 564。示例性比较电路542接收来自感测电阻器540的任一侧的电压，并将指示感测电阻器540两端的电压降的一个或多个信号传送到处理器(经由隔离装置532)。在各种实施例中，比较电路执行对电压值的比较，而在其它实施例中，比较电路输出要比较的信号从而确定感测电阻器540两端的电压降。

在所示实施例中，第一电极544耦接到感测电阻器540的第二侧541。如此，根据一些实施例，处理器520运行以在第一电极544处维持恒定电压并且因而在感测电阻器540的第二侧541处维持恒定电压。在所示实施例中，在感测电阻器540的第二侧541处维持恒定电压导致运算放大器562的输出端处的恒定电压。因而，在一些这样的实施例中，仅运算放大器560的输出响应于流过感测电阻器540的电流而变化，并且感测电阻器540两端的电压降由运算放大器560的输出相对于运算放大器562的固定的输出的变化来表示。

在一些这样的实施例中，第一电极544处的电压与感测电阻器540的第二侧541处的电压相同，并且该电压可以根据来自运算放大器562的输出来确定。与其中第一电极独立于电流感测部件的系统相比，这种系统在电路与处理器520之间可以需要较少的隔离连接和ADC 564输入端，以及较少的处理器520输入端。这是因为第一电极544处的电压的测量结果可以同时被用作表示感测电阻器540的第二侧541上的电压的测量结果。因而，对于这种测量，到ADC 564和处理器520的分开的输入端以及分开的隔离元件或输入端是不必要的，而如果这两个电压彼此独立则会是必要的。这种配置可以降低系统的成本和复杂性。

处理器520可以基于从ADC 564接收到的一个或多个信号来确定感测电阻器540两端的电压降。根据该电压降和感测电阻器540的已知(例如，存储在存储器中的)电阻值，处理器520可以例如使用欧姆定律来确定流过感测电阻器540的电流并且因而确定流过受测流体样本的电流。如上所述，处理器520还控制/确定经由第一电极544施加到受测流体样本的电压。因而，在一些示例中，处理器可以基于在第一电极544处施加的电压以及由此产生的在第一电极544和第二电极546之间流动通过样本的电流来确定受测流体样本的一个或多个组分的浓度。例如，处理器可以使用这种数据来确定受测流体样本中的氯的浓度。在一些示例中，处理器可以以百万分之一(ppm)的准确度确定浓度。

如前所述，在一些系统或传感器中，处理器(例如，520)可以从一个或多个辅助传感器接收辅助数据。这种辅助传感器可以包括但不限于pH传感器、温度传感器、电导率传感器、浊度传感器、流量传感器和能够提供关于受测流体样本的辅助信息的其它传感器的任何组合。在一些实施例中，处理器可以使用来自一个或多个辅助传感器的辅助数据作为补充数据，以确定受测流体样本中的组分的浓度。例如，处理器可以接收辅助数据并将接收到的辅助数据与流过感测电阻器的电流组合，以确定受测流体样本中的氯的浓度。在各种实施例中，处理器还可以使用辅助数据来确定关于受测流体样本的其它参数。

回去参考图1，传感器110可以与例如化学品泵114通信，化学品泵114被配置为将化学品从化学品储存装置112配给到水体102中。在一些示例中，传感器110可以触发一个或多个化学品泵(例如，114)基于由处理器接收的数据将一种或多种化学品配给到水体102中。例如，传感器110可以将取自水体102的流体样本中所确定的氯的浓度与阈值进行比较，并且，在氯浓度低于阈值的情况下，传感器可以使化学品泵被配置为将氯源化学品配给到水体中。氯源化学品一般是已知的，并且可以包括例如次氯酸钙或液体漂白剂。

在一些示例中，传感器可以使化学品泵(例如，114)基于辅助数据将化学品配给到水体102中。例如，在辅助pH传感器确定pH高于预定阈值的情况下，传感器可以使化学品泵添加酸性或其它pH降低(pH-lowering)化学品(诸如盐酸)，以降低水体102中的流体的pH值。各种pH降低化学品(诸如酸)可以被稀释到各种程度以在水体102中实现适当的pH变化。相反，如果所确定的pH低于预定阈值，则传感器可以触发化学品泵添加pH升高(pH-raising)化学品，例如碳酸钠。在各种实施例中，传感器110还可以与水泵104或加热器108通信，以响应于检测到的辅助数据(诸如水流速率或温度)而调节运行。

在一些实施例中，传感器可以主动地监测受测流体样本(例如，来自水体102的水)，以基本实时地确定组分(诸如氯)的浓度。氯浓度和其它接收到的辅助数据中的任何一个或其组合可以被用来确定何时向水体102加入一种或多种化学品以及加入到什么程度，从而维持其中的流体的适当参数，诸如氯浓度、pH等。对这种参数的主动和准确的确定允许对水体102中流体的参数(诸如氯浓度、pH或其它期望的参数)的实时和严格控制。这种实时控制可以减少或消除在不太精确的系统中存在的过冲、过校正或欠校正。

已经描述了系统和传感器的各种实施例。这种示例是非限制性的，并且不以任何方式限定或限制本发明的范围。相反，这些和其它示例在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种化学品监测系统，包括传感器，所述传感器包括：

处理器；

第一电极，与所述处理器电隔离；

可调节电源，与所述处理器电隔离并与所述处理器通信，并且被配置为在所述第一电极处提供预定电压；

第二电极；

感测电阻器，在所述第一电极与所述可调节电源之间串联连接；

模拟数字转换器ADC，与所述处理器通信并与所述处理器电隔离，并且被配置为向所述处理器提供关于(i)所述第一电极处的电压以及(ii)所述感测电阻器两端的电压降的信息；其中

所述处理器从所述ADC接收关于所述第一电极上的电压的信息，确定所述第一电极处的电压，并且基于所确定的所述第一电极处的电压来控制所述可调节电源；

所述处理器从所述ADC接收关于所述感测电阻器两端的电压降的信息，确定所述感测电阻器两端的电压降，并且基于所确定的所述感测电阻器两端的电压降确定流过所述感测电阻器的电流；并且

所述处理器被配置为基于流过所述感测电阻器的电流和施加到所述第一电极的电压来确定流体样本中的一种或多种化学成分的浓度，其中所述第一电极和所述第二电极插入所述流体样本中。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述一种或多种化学成分包括氯。

3.如权利要求2所述的系统，还包括与所述处理器通信的至少一个辅助传感器，并且其中所述处理器从所述至少一个辅助传感器接收辅助数据，并且确定所述流体样本中的氯浓度还基于所述辅助数据。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述至少一个辅助传感器包括温度传感器、pH传感器和流量计中的至少一个。

5.如权利要求3所述的系统，其中所述至少一个辅助传感器由流电隔离的电源供电。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述至少一个辅助传感器经由光通信与所述处理器通信。

7.如权利要求2所述的系统，其中所述可调节电源包括隔离部件的输出端，并且其中所述可调节电源通过所述处理器调节施加到所述隔离部件的信号的占空比来调节。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述隔离部件包括光隔离器。

9.如权利要求2所述的系统，其中所述传感器还包括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器被配置为向所述ADC输出表示所述感测电阻器的第一侧上的电压的信号，并且所述第二放大器被配置为向所述ADC输出表示所述感测电阻器的与所述第一侧相对的第二侧上的电压的信号。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一放大器和所述第二放大器由单个隔离且单极的电源供电。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述第二放大器的输入端耦接到所述第一电极，并且所述第二放大器的输出端耦接到所述ADC，使得所述ADC接收表示所述感测电阻器的所述第二侧处的电压和所述第一电极处的电压二者的信号。

12.如权利要求2所述的系统，还包括：

水体，包含一定量的水；

水泵，被配置为使来自所述水体的水循环通过所述系统的部件；

化学品储存装置，包含化学品；以及

化学品泵，被配置为将所述化学品从所述化学品储存装置配给到所述水体；其中

所述传感器被配置为接收由所述水泵泵送的水的至少一部分。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述化学品储存装置中的所述化学品是次氯酸钙和液体漂白剂中的一种，并且其中所述传感器与所述化学品泵通信并且被配置为基于检测到的样本中的氯的水平来运行所述化学品泵。

14.一种化学品监测系统，包括：

处理器；

第一电极和第二电极，部署在流体样本中；

参考电源，被配置为在与所述处理器流电隔离的所述第一电极处提供预定电压；

感测电阻器，具有耦接到所述参考电源的第一侧以及耦接到所述第一电极的与所述第一侧相对的第二侧；

比较电路，具有耦接到所述感测电阻器的所述第一侧的第一输入端以及耦接到所述感测电阻器的所述第二侧和所述第一电极的第二输入端，并且被配置为向所述处理器输出指示所述电阻器两端的电压降和在所述第一电极处提供的电压的一个或多个信号；以及

比较电源，被配置为向所述比较电路提供电力；其中

所述比较电路电源是单个单极电源；并且

所述处理器被配置为(i)基于指示在所述第一电极处提供的电压的所述一个或多个信号来调节由所述参考电源提供的电压，使得所述第一电极处的电压为所述预定电压，并且(ii)基于所述感测电阻器两端的电压降和提供给所述第一电极的所述预定电压来确定所述流体样本中的氯的浓度。

15.如权利要求14所述的系统，还包括：

电力总线，所述电力总线电耦接到所述处理器；

参考隔离元件，在所述电力总线与所述参考电源之间提供隔离的电力的第一隔离元件；以及

比较隔离元件，在所述电力总线与所述比较电源之间提供隔离的电力的第二隔离元件。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述参考隔离元件包括光隔离器。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述处理器耦接到所述光隔离器，并且其中调节在所述参考电源处提供的电压包括：响应于指示在所述第一电极处提供的电压的所述一个或多个信号来调节所述光隔离器的占空比从而将所述第一电极维持在所述预定电压。

18.如权利要求15所述的系统，其中所述比较隔离元件包括DC-DC转换器。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述比较电路包括：

第一放大器，耦接到所述感测电阻器的所述第一侧并且由所述比较电源供电；以及

第二放大器，耦接到所述感测电阻器的所述第二侧并且由所述比较电源供电。

20.一种用于确定流体样本中的氯的浓度的方法，包括：

提供一种传感器，所述传感器包括：

处理器，

第一电极，与所述处理器电隔离，

第二电极，以及

感测电阻器，在所述第一电极与可调节电源之间串联连接；

引导所述流体样本同时接触第一电极和第二电极；

经由可调节电源将第一电压施加到感测电阻器；

经由处理器检测在所述第一电极处的第二电压；

基于所检测到的第二电压来调节所述第一电压，以在所述第一电极处实现并维持预定电压；

检测所述感测电阻器两端的电压降；

根据所检测到的所述感测电阻器两端的电压降来确定流过所述感测电阻器的电流的量；以及

根据所确定的流过所述感测电阻器的电流的量和所述第二电压来确定所述流体样本中的氯的浓度。