CN1104332A - 测量液体电特性的电极技术 - Google Patents

Abstract

本发明电极技术是应用于低频段液体的电特性 测量。该电极采用四电极测量方法，四个电极嵌入中 间空心部分为倒圆台形的杯状结构中，液体试样置入 空心部分内测量，该电极技术使在测量电极处液体内 电场的分布有规则，排除外在因素对测量的影响，测 量的精度高，使用、操作方便。

Description

本发明电极技术适用于低频频段液体的电特性测量。

中国专利“测量生物介电特性的六环电极技术”（88100107.4）叙述了一种测量生物组织介电特性的六环电极技术，该专利采用四电极测量方法将生物组织置于测量电极和保护电极之间，使测量电流密度在组织中的分布均匀，并有规则，提高了测量精度，但该专利主要用于有形体组织的电特性测量，如用于液体，则不够方便，所需的被测试样较多。而目前用于液体电特性测量的电极，是采用二电极法测量，在棒体结构的顶端嵌入两个电极，使用时插入液体中测量。两个电极是将激励电极与测量电极共用，从两个电极施加激励于液体，并从两个电极之间取出因液体电特性而产生的测量信号。由于激励电极与液体的极化作用，产生极化电位，当测量电极与激励电极共用时，极化电极也被作为测量信号，因此产生较大的误差，这是二电极法存在的不足。并且棒状结构的电极在测量时插入液体中，由于装液体的容器大小结构的不同，电场在液体中的分布也会不同，因此影响了测量的精度和可靠性。

本发明的目的在于寻求一种使用操作方便，测量精度高的液体电特性测量的电极技术。

本发明的目的是以下述方式实现的：采用四电极测量方法，其中三个电极为圆环片状电极，一个电极为片状电极，四个电极置于一中间空心部分为倒园台形的杯状结构中，片状电极置于空心部分的底部，三个圆环片状电极分别以一定距离向上排列在杯状结构内，电极圆环的内径等于所在位置杯状结构横切面圆环的内径。最上的一个圆环电极和底部的片状电极为激励电极，中间的两个圆环电极为测量电极。被测的液体试样置于空心部分内且试样量超出最上一个圆环形电极。为了便于操作，空心倒圆台的上端，采用喇叭状，使液体容易流入四个电极的测量部位。四个电极通过导线分别接激励恒流源和测量电路。

液体的电特性包括导电特性和介电特性，分别用导电系数δ和介电常数ε表示，如果液体满足各向同性和均匀性（这一点对液体是很容易满足的），外加频率的ω的激励，则液体中的电场将由δ和ε两个参数决定。由电场理论，以上空心圆台电极结构内液体中的电场分布是有规则，设外加激励电流为I₀，则在两测量电极之间左右的区域内，电流密度为：

J＝I₀/πR²（1）

其中R为两激励电极环之间空心园台横切面的内径。在均匀的液体内电流密度J与电场强度E的关系为：

J＝（δ+iωε）E  （2）

那么，两测量电极环之间的电压为沿轴向X方向电场强度的积分。

$V={\∫}_{d_1}^{d_1}\mathrm{Edx}---\left(3\right)$

式中，d₁，d₂为两测量电极环至原点的距离，将（1）、（2）式代入上式得：

$V=\frac{I_o}{\mathrm{\δ}+\mathrm{i\ω\ϵ}}\·\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{d_1}^{d_1}\frac{1}{R^2}\mathrm{dx}---\left(4\right)$

假设园台的锥度不大，两测量电极环之间的距离较小，则用两电极环的半径R₂和R₁的平均代替R，有R≈（R₁+R₁）/2，代入上式得：

V＝ (I_o)/(δ + iωε) · (4(d₂- d₁))/(π(R₂+ R₁)²) = (I_o)/(δ + iωε) · (4d)/(π(R₂+ R₁)²) (5)

式中d的两侧量电极环之间的距离，由上式可得两测量电极之间液体的导纳为：

Y＝ (I_o)/(V) = Re( (I_o)/(V) ) + iIm( (I_o)/(V) ) (6)

= (π(R₂+ R₁)²)/(4d) (δ + iωε)

因此可得液体的导电系数δ和介电常数ε

δ＝ (4d)/(π(R₂+ R₁)²) Re( (I_o)/(V) ) （7）

ε＝ (4d)/(πω(R₂+ R₁)²) Im ( (I_o)/(V) ) （8）

可见，测量激励电流I₀和两测量电极之间的电压V的幅值及两者的相位差，就可方便地求出液体的导电系数和介电常数。

图1为本发明的结构图，并作为摘要附图;

图2为本发明测量液体电特性的原理框图。

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1中，（1）、（4）为激励电极，（2）、（3）为测量电极，四个电极嵌入中间为空心倒园台的杯状结构（5）内，电极（4）为片状电极，置于底部，电极（1）、（2）、（3）为园环片状。四个电极通过导线或多芯插头座引出，电极（1）、（4）与激励恒流源（6）相连，电极（2）、（3）与电压测量电路（7）相连在激励恒流源回路中还接有电流测量电路（8），（7）和（8）将电压和电流放大到一定幅度，经检波（9）、（10）后得到幅度的大小，经相位测量电路（11）后得到两者的相位差。电压，电流幅度和相位差经A/D转换（12）后，输入微型计算机（13），计算机就可根据式（7）式（8）计算出液体的导电系数和介电常数。

电极采用不锈钢材料制造，空心倒园台上端的开口处呈喇叭形，便于操作，电极的整体采用注塑制造。

如上所述，本发明的电极技术在测量电极处液体内的电场分布有规则，由电压和电流的测量，就可精确的求得液体试样的电特性，杯状结构的倒园台空心部分，排除了外在因素对测量的影响，且使用操作方便。

Claims (2)

1、一种测量液体电特性的电极技术，由电极和测量电路构成，其特征在于中间空心部分为倒园台形的杯状结构内嵌有四个电极，一个片状电极位于倒园台的底部，其它三个电极为园环片状电极，以一定的距离排列在杯状结构内，园环电极的内径等于所在位置杯状结构横切面园环的内径。

2、根据权利要求1所述的电极技术，其特征在于杯状结构的中间空心部分的开口处呈喇叭状。

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