CN111044581A - 可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置及方法，该测量装置包括绝缘测量管道、激励电极模块、接收电极模块、交流激励源、电压检测模块和控制单元，接收电极模块包括至少两个接收电极，激励电极模块中包括至少两个激励电极，激励电极的数量和接收电极的数量相同，测量装置还包括激励电极模拟开关和接收电极模拟开关，接收电极模拟开关连接控制单元和电压检测模块，激励电极模拟开关连接控制单元。控制单元依据电压检测模块输出的电压值，按照一定方法依次进行换挡测量或直接输出绝缘测量管道内溶液的电导值。与现有技术相比，本发明具有检测灵敏度高、测量范围大等优点，并可应用于多通道电导检测的场合。

Description

可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电导检测技术，尤其是涉及一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置及方法。

背景技术

电导率是液体的基本物理参数之一，电导率的检测对分析液体的组分、分布、浓度等其它特性参数起着重要的作用。

在现有电导检测方法中,按照电极是否与待测溶液接触,可分为接触式电导检测和非接触式电导检测，接触式电导检测法的检测电极与溶液接触,容易产生电极化和电化学腐蚀的问题，限制了此类检测方法的应用；非接触式电导检测法由于电极与溶液不接触，防止了电极极化和电化学腐蚀等问题的发生，有效解决了导电溶液对金属电极的污染问题，目前以电容耦合式非接触电导检测方法的研究较多，应用也较广泛。

然而，在目前的电容耦合式非接触电导检测器中，其金属电极-绝缘管壁-导电液体所形成的耦合电容对测量范围带来了不利影响。这是由于当溶液电导率增大时，溶液电阻减小，耦合电容在总阻抗中的贡献逐渐增大，电压检测模块输出信号变化变缓并趋于平稳，导致测量范围受到限制。因此此类检测器测量范围都较小，一般为检测限的二个数量级左右(CN 201410341459.8)。为解决这一问题，出现了基于串联谐振的电容耦合式非接触电导的测量装置及方法(CN200910099505.7，CN201010281706.1，CN201110119845.9，CN201410734121.9和CN201510873612.6)，该类装置及方法通过电感与电容的串联谐振，消除了耦合电容对测量范围的不利影响，提高了传感器的测量范围。但是，此类装置和方法只能工作于特定的谐振频率下，不仅频率选择受到一定限制而且谐振调节困难，当谐振点调节不准确时其实际增加的测量范围相当有限。另外，实验证明，此类装置和方法也不方便应用于多通道电导检测的场合。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，包括绝缘测量管道、激励电极模块、接收电极模块、交流激励源、电压检测模块和控制单元，所述的激励电极模块安装在绝缘测量管道的一端，所述的接收电极模块安装在绝缘测量管道的另一端，所述的交流激励源连接激励电极模块，互相连接的控制单元和电压检测模块连接接收电极模块，所述的接收电极模块包括至少两个接收电极，所述激励电极模块中包括至少两个激励电极，激励电极的数量和接收电极的数量相同，所述测量装置还包括激励电极模拟开关和接收电极模拟开关，每个激励电极均连接激励电极模拟开关，每个接收电极均连接接收电极模拟开关，所述接收电极模拟开关连接控制单元和电压检测模块，所述激励电极模拟开关连接控制单元。

进一步地，所述的激励电极沿绝缘测量管道中间向端部的方向依次命名为第一激励电极、第二激励电极、…、第N激励电极，N为激励电极的总数；所述的接收电极沿绝缘测量管道中间向端部的方向依次命名为第一接收电极、第二接收电极、…、第N接收电极，N为接收电极的总数；第一激励电极和第一接收电极组成第一档位电极对，第二激励电极和第二接收电极组成第二档位电极对，依次将所有激励电极和接收电极组成电极对。

进一步地，在每个电极对中，激励电极和接收电极的长度相同。

进一步地，所述的电极对中，第N档位电极对的电极长度不小于第N-1档位电极对的电极长度。

进一步地，激励电极和接收电极为金属材料电极或石墨导电材料电极，可以是采用金属薄片做成的环状电极，也可以是使用导电材料采用电镀或直接涂搽在绝缘测量管道外壁形成的环状电极。

进一步地，激励电极模块开关和接收电极模拟开关均采用多选一的电子模拟开关。

进一步地，控制单元为具备AD功能的嵌入式模块，也可是与电脑连接的带开关量的AD数据采集模块。

一种如上所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置的测量方法，通过激励电极模拟开关和接收电极模拟开关控制测量装置工作时每次只有一组电极对处于工作状态；对每组电极对进行测定，界定每组电极对的电导率测量区间，并且将对应的电压输出值区间存储在控制单元中；实际测量时，开启第一档位电极对，对通过绝缘测量管道的液体进行电导率测量；判断此时的电压输出值是否落入其储存的电压输出值区间之内，若是，则将此时的电压输出值转化为电导率值输出；若否，关闭当前电极对，按数字从小到大的顺序打开下一电极对，重复上述步骤，直至电压输出值落入当前电极对储存的电压输出值区间之内，然后将此时的电压输出值转化为电导率值输出。

进一步地，序号相邻的两个电极对的测量区间有一定的重叠，以方便后续控制单元进行判断。

一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，包括绝缘测量管道、激励电极模块、接收电极模块、交流激励源、电压检测模块和控制单元，所述的激励电极模块安装在绝缘测量管道的一端，所述的接收电极模块安装在绝缘测量管道的另一端，所述的交流激励源连接激励电极模块，互相连接的控制单元和电压检测模块连接接收电极模块，述的接收电极模块包括至少两个接收电极，所述激励电极模块只有一个激励电极，所述测量装置还包括接收电极模拟开关，每个接收电极均连接接收电极模拟开关，该接收电极模拟开关连接控制单元和电压检测模块。

进一步地，所述的接收电极沿绝缘测量管道中间向端部的方向依次命名为第一接收电极、第二接收电极、…、第M接收电极，M为接收电极的总数；激励电极和第一接收电极组成第一档位电极对，激励电极和第二接收电极组成第二档位电极对，由此依次将激励电极和所有接收电极组成电极对。

进一步地，所述接收电极模块中每个接收电极的长度相同，并且和激励电极的长度也相同。

进一步地，所述的第一档位电极对的电极长度小于其余电极对中的电极长度。

进一步地，激励电极和接收电极为金属材料电极或石墨导电材料电极，可以是采用金属薄片做成的环状电极，也可以是使用导电材料采用电镀或直接涂搽在绝缘测量管道外壁形成的环状电极。

进一步地，接收电极模拟开关采用多选一的电子模拟开关。

进一步地，控制单元为具备AD功能的嵌入式模块，也可是与电脑连接的带开关量的AD数据采集模块。

一种如上所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置的测量方法，其特征在于，通过接收电极模拟开关控制测量装置工作时每次只有一组电极对处于工作状态；对每组电极对进行测定，界定每组电极对的电导率测量区间，并且将对应的电压输出值区间存储在控制单元中；实际测量时，开启第一档位电极对，对通过绝缘测量管道的液体进行电导率测量；判断此时的电压输出值是否落入其储存的电压输出值区间之内，若是，则将此时的电压输出值转化为电导率值输出；若否，关闭当前电极对，按数字从小到大的顺序打开下一电极对，重复上述步骤，直至电压输出值落入当前电极对储存的电压输出值区间之内，然后将此时的电压输出值转化为电导率值输出。

进一步地，序号相邻的两个电极对的测量区间有一定的重叠，以方便后续控制单元进行判断。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

1、本发明能够不受特定的谐振频率的影响，有效地扩大对电导率的测量范围，当被测量液体的电导率值超出第一档位电极对的范围时，通过第二档位电极对或第N档位电极对的相应测量区间会对其进行拓展，使得该电导率值落入有效的测量范围内，与常规测量装置可扩展至检测限的四个数量级以上。

2、本发明通过增加电极对和模拟开关来实现不同电极对的切换，对测量的要求小，灵敏度高，能够方便地适用于多通道电导检测的场合。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图。

图2为实施例一的测量结果示意图。

图3为实施例一的简化等效电路模型及检测电路示意图。

图4为实施例二的结构示意图。

附图标记：

1、绝缘测量管道，2、激励电极，3、接收电极，4、交流激励源，5、电压检测模块，6、控制单元，7、接收电极模拟开关，8、激励电极模拟开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，包括绝缘测量管道1、激励电极模块2、接收电极模块3、交流激励源4、电压检测模块5、控制单元6、接收电极模拟开关7和激励电极模拟开关8。激励电极模块2安装在绝缘测量管道1的一端，接收电极模块3安装在绝缘测量管道1的另一端。激励电极模拟开关8的公共端与交流激励源4相连；激励电极模拟开关8的通道端与安装于绝缘测量管道1外壁的激励电极模块2依次相连；接收电极模拟开关7的通道端与安装于绝缘测量管道1外壁的接收电极模块3依次相连；接收电极模拟开关7的公共端与电压检测模块5相连；激励电极模拟开关8和接收电极模拟开关7的选通端与控制单元6相连；电压检测模块5的输出端与控制单元6相连。

接收电极模块3包括至少两个接收电极，激励电极模块2中包括至少两个激励电极，激励电极的数量和接收电极的数量相同。本实施例中采用了三个接收电极和三个激励电极。接收电极和激励电极分别沿着绝缘测量管道1从里向外成对对称安装于绝缘测量管道1的外壁，构成嵌套式电极排列形式。具体地说：激励电极沿绝缘测量管道1中间向端部的方向依次命名为第一激励电极、第二激励电极和第三激励电极。接收电极沿绝缘测量管道1中间向端部的方向依次命名为第一接收电极、第二接收电极和第三接收电极。第一激励电极和第一接收电极组成第一档位电极对，第二激励电极和第二接收电极组成第二档位电极对，第三激励电极和第二接收电极组成第三档位电极对。在每个电极对中，激励电极和接收电极的长度相同，并且第一档位电极对的电极长度小于第二档位电极对和第三档位电极对中的电极长度。

激励电极和接收电极为金属材料电极或石墨导电材料电极，可以是采用金属薄片做成的环状电极，也可以是使用导电材料采用电镀或直接涂搽在绝缘测量管道1外壁形成的环状电极。

激励电极模拟开关8和接收电极模拟开关7均采用多选一的电子模拟开关，用于控制测量装置工作时每次只有一组电极对处于工作状态。

控制单元6为具备AD功能的嵌入式模块，也可是与电脑连接的带开关量的AD数据采集模块。控制单元6控制接收模拟开关7和激励模拟开关8接通不同的电极对以实现挡位的切换，第一档位电极对构成低档位，越靠外的电极对构成越高的挡位，电极对的数量即是档位数。

本实施例采用外径1.6mm，内径0.8mm的Peek管作为绝缘测量管道1，采用德国康泰KONTAKT GRAPHIT 33石墨(导电)涂层剂直接在绝缘测量管道1上制作出如表一所示参数的嵌套式电极。

表一嵌套式电极参数表

参数	低挡位	中挡位	高档位
				电极长度(mm)	10.0	10.0	15.0
电极间距(mm)	2.0	30.0	55.0
				电极内径(mm)	1.6	1.6	1.6

采用Max038高速函数发生器芯片作为交流激励源4产生频率110KHz激励信号，通过由AD711AQ组成的放大电路将激励信号峰峰值放大到±10V；采用高性能CMOS模拟开关Max309作为激励电极模拟开关8和接收电极模拟开关7；采用宽带低偏置电流的操作放大器OPA606KP对接收信号进行转换和放大，并经二极管峰值检波将交流信号转变为直流信号，组成电压检测模块5；采用北京双诺公司的MP417数据采集卡和电脑作为控制单元6；利用0.01～25mMol/L的KCL溶液对此可换挡大范围嵌套式非接触电导测量装置进行了测试。

本实施例的测量方法为：

在使用前，先逐一对每个档位进行测定，界定每个档位的电导率测量区间，并且将对应的电压输出值区间存储在控制单元6中。

实际测量时，从低到高档位依次进行测量，控制单元6依据电压检测模块5输出的电压值进行判断，当此电压输出值落入相应的测量区间时停止测量并由控制单元6输出绝缘测量管道1内溶液的电导率值。测量装置中相邻的两个档位的测量区间有一定的重叠，方便后续控制单元6进行判断。

检测结果表明，低档位测量区间为：0.01～1mMol/L，中档位测量区间为：0.25～4mMol/L，高档位测量区间为：1～25mMol/L，测试结果如图2所示。从图2中可知，可换挡大范围电容耦合式非接触电导测量装置在保留了低档位的高灵敏度检测的优势基础上，大大增加了电容耦合式非接触电导测量装置的测量范围，扩展了此类电导检测器的应用范围。

如图3所示，本实施例的工作原理为：

在电极间距较大时，检测池(绝缘测量管道1、激励电极、接收电极和溶液)可简化为检测电极(激励电极和接收电极)与绝缘测量管道1内壁耦合的电容C和C’以及检测电极之间的绝缘测量管道1内溶液电阻R的串联形式等效电路。Ccom和Ron分别为接收电极模拟开关7的公共端对地电容和导通电阻，Cin为放大器的输入电容。从图4中可知，若接收电极模拟开关7的导通电阻Ron较小时，又由于放大器负输入端为虚地，固Ccom和Cin都没有电流流过，可以忽略此两个电容的影响。这样放大器检测的电流信号可用公式(1)表示。

其中，Vpp为加于激励电极上的电压，i为流过检测池的电流。为简化分析，假设C和C’相等，则进一步可简化为公式(2)的形式。

其中，ω为激励信号角频率，ε为绝缘测量管道1的介电常数，d为电极与绝缘测量管道1内壁的等效间距，A为电极或绝缘测量管道1内壁的等效面积。从公式(2)可知，若仅，当激励电极模块2和接收电极模块3中的电级间距增大时，对于同种浓度相同的溶液，则R也增大，而电容的容抗保持不变，相对来说电容的容抗在总阻抗中占比减小，因此能测到浓度更高的溶液的电导。另外由于R增大，同样对于同种浓度相同的溶液，电流i减小，所以检测电路灵敏度降低，即检测限提高。由公式(1)和(2)还可知道，当激励电极模块2和接收电极模块3中的电级间距增大时，适当增加检测电极长度也更有利于增加测量范围。

实施例二

本实施例的基本结构和原理和实施例一相同，其区别点在于：激励电极模块2只有一个激励电极，接收电极模块3采用三个接收电极。接收电极布置于激励电极的一侧，构成半嵌套式电极排列形式。任何时刻只有一个接收电极处于工作状态，控制单元6控制接收电极模拟开关7接通不同的接收电极以实现挡位的切换，紧靠激励电极的接收电极和该激励电极构成低档位，越远离激励电极的接收电极和激励电极构成越高的挡位，接收电极的数量即是档位数。电极模块中每个接收电极的长度相同，并且和激励电极的长度也相同。

本实施例的测量过程为：

测量前：对每组电极对进行测定，界定每组电极对的电导率测量区间，并且将对应的电压输出值区间存储在控制单元6中；

实际测量时：开启第一电极对，对通过绝缘测量管道1的液体进行电导率测量；判断此时的电压输出值是否落入其储存的电压输出值区间之内，若是，则将此时的电压输出值转化为电导率值输出；若否，关闭当前电极对，按数字从小到大的顺序打开下一电极对，重复上述步骤，直至电压输出值落入当前电极对储存的电压输出值区间之内，然后将此时的电压输出值转化为电导率值输出。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，包括绝缘测量管道、激励电极模块、接收电极模块、交流激励源、电压检测模块和控制单元，所述的激励电极模块安装在绝缘测量管道的一端，所述的接收电极模块安装在绝缘测量管道的另一端，所述的交流激励源连接激励电极模块，互相连接的控制单元和电压检测模块连接接收电极模块，其特征在于，所述的接收电极模块包括至少两个接收电极，所述激励电极模块中包括至少两个激励电极，激励电极的数量和接收电极的数量相同，所述测量装置还包括激励电极模拟开关和接收电极模拟开关，每个激励电极均连接激励电极模拟开关，每个接收电极均连接接收电极模拟开关，所述接收电极模拟开关连接控制单元和电压检测模块，所述激励电极模拟开关连接控制单元。

2.根据权利要求1所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于，所述的激励电极沿绝缘测量管道中间向端部的方向依次命名为第一激励电极、第二激励电极、…、第N激励电极，N为激励电极的总数；所述的接收电极沿绝缘测量管道中间向端部的方向依次命名为第一接收电极、第二接收电极、…、第N接收电极，N为接收电极的总数；第一激励电极和第一接收电极组成第一档位电极对，第二激励电极和第二接收电极组成第二档位电极对，依次将所有激励电极和接收电极组成电极对。

3.根据权利要求2所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于，在每个电极对中，激励电极和接收电极的长度相同。

4.根据权利要求2所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于，所述的电极对中，第N档位电极对的电极长度不小于第N-1档位电极对的电极长度。

5.一种如权利要求2～4任一所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置的测量方法，其特征在于，通过激励电极模拟开关和接收电极模拟开关控制测量装置工作时每次只有一组电极对处于工作状态；对每组电极对进行测定，界定每组电极对的电导率测量区间，并且将对应的电压输出值区间存储在控制单元中；实际测量时，开启第一档位电极对，对通过绝缘测量管道的液体进行电导率测量；判断此时的电压输出值是否落入其储存的电压输出值区间之内，若是，则将此时的电压输出值转化为电导率值输出；若否，关闭当前电极对，按数字从小到大的顺序打开下一电极对，重复上述步骤，直至电压输出值落入当前电极对储存的电压输出值区间之内，然后将此时的电压输出值转化为电导率值输出。

6.一种可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，包括绝缘测量管道、激励电极模块、接收电极模块、交流激励源、电压检测模块和控制单元，所述的激励电极模块安装在绝缘测量管道的一端，所述的接收电极模块安装在绝缘测量管道的另一端，所述的交流激励源连接激励电极模块，互相连接的控制单元和电压检测模块连接接收电极模块，其特征在于，所述的接收电极模块包括至少两个接收电极，所述激励电极模块只有一个激励电极，所述测量装置还包括接收电极模拟开关，每个接收电极均连接接收电极模拟开关，该接收电极模拟开关连接控制单元和电压检测模块。

7.根据权利要求6所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于，所述的接收电极沿绝缘测量管道中间向端部的方向依次命名为第一接收电极、第二接收电极、…、第M接收电极，M为接收电极的总数；激励电极和第一接收电极组成第一档位电极对，激励电极和第二接收电极组成第二档位电极对，由此依次将激励电极和所有接收电极组成电极对。

8.根据权利要求6所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置，其特征在于，所述接收电极模块中每个接收电极的长度相同，并且和激励电极的长度也相同。

9.一种如权利要求7或8所述的可换挡大范围的电容耦合式非接触电导测量装置的测量方法，其特征在于，通过接收电极模拟开关控制测量装置工作时每次只有一组电极对处于工作状态；对每组电极对进行测定，界定每组电极对的电导率测量区间，并且将对应的电压输出值区间存储在控制单元中；实际测量时，开启第一档位电极对，对通过绝缘测量管道的液体进行电导率测量；判断此时的电压输出值是否落入其储存的电压输出值区间之内，若是，则将此时的电压输出值转化为电导率值输出；若否，关闭当前电极对，按数字从小到大的顺序打开下一电极对，重复上述步骤，直至电压输出值落入当前电极对储存的电压输出值区间之内，然后将此时的电压输出值转化为电导率值输出。

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