CN111751625B - 一种基于lc电路的非接触式电导测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LC电路的非接触式电导测量装置及方法，装置包括交流激励源、LC电路、环状两电极传感器、电流转电压模块、信号处理模块、数据采集模块以及微型计算机。其中，环状两电极传感器由金属屏蔽罩、激励电极、检测电极和绝缘管道组成，可实现非接触式测量。金属屏蔽罩放置于传感器周围，用于屏蔽外部电磁干扰。交流激励源提供正弦激励信号，LC电路包括电感模块和电容，电感模块中的实际电感两端分别与交流激励源和激励电极相连，检测电极与电流转电压模块相连。本发明通过合理选择LC电路的电感L和电容C的值，使得整个测量电路工作在低频状态，即在较低的工作频率下，也可以获得较大的流体电导测量范围和灵敏度，为较低工作频率下的管道中导电流体电导测量提供了有益借鉴。

Description

一种基于LC电路的非接触式电导测量装置及方法
技术领域
本发明涉及流体电导检测技术，尤其涉及一种基于LC电路的非接触式电导测量装置及方法。
背景技术
管道中的流体广泛存在于冶金、化工工程、生物医药、环境保护和治理等工业过程中。电导作为流体最基本的物性参数之一，其变化反映了流体的许多物理、化学特性差异。因此，电导的在线检测对其他流体特性参数如浓度、组分、化学反应速率等的分析和测量有着重要的作用，相关测量装置和方法的研究也有着重要的科学意义和工业应用价值。
电容耦合式非接触电导检测技术(C4D)是一种新型非接触电导测量技术，与传统的接触式电导检测技术不同，这种检测技术中传感器的金属电极安装在绝缘管道外壁，电极通过管壁和管内的导电流体形成耦合电容，这种方式令非接触式电导测量成为可能。由此，可以避免电极极化、电化学腐蚀和电极污染对测量结果的影响。然而，其电极、绝缘管壁、导电液体所形成的耦合电容以及电极间形成的杂散电容会对测量范围和测量灵敏度造成不利影响。近年来，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，该装置及方法在保留电容耦合式非接触式电导检测技术优点的同时，消除了耦合电容对测量范围以及灵敏度的不利影响，进一步提高了传感器的测量性能。1998年，do Lago等人提出了轴向两环形构型的C4D传感器。为了减小两个金属电极之间杂散电容的影响，该研究首次提出了在两电极之间增加一块接地板的方法。经过理论分析，这种接地屏蔽可以有效地削弱杂散电容对测量带来的不利影响但并不能完全消除。而同时，为消除耦合电容带来的影响，他们采用了高频法，也就是通过提高激励信号的频率来降低耦合电容的容抗，这种方法要求的频率非常高，这就对相应的检测装置提出了较高的要求。虽然高频法能够有效克服耦合电容的影响且操作相对较为方便，但是存在两个缺陷。第一个缺陷是高频法提高了对后续检测电路元器件的要求，例如对运放的带宽有要求；第二个缺陷是从严格意义上看，高频法的使用会使得两电极间的导电溶液不能再等效为一个电阻。有研究表明，当激励频率高于1MHz时，导电溶液本身的容性成分就不可忽略，此时两电极间的导电溶液不能再等效为一个电阻，相应的测量模型将变得十分复杂。考虑到后续检测电路的运行性能以及有效消除耦合电容的影响等因素，目前，大多数C4D传感器的激励信号频率在100kHz-600kHz之间，仅有少数采用了频率高于2MHz的激励信号。
因此，本发明通过在实际电感后增加一个接地电容来降低对激励源频率的要求，与此同时消除其中一部分杂散电容的影响，本发明设计了一种新的流体电导检测装置及方法，在具备基于串联谐振的电容耦合式非接触电导测量技术优点的同时使得其适用于较低的工作频率，降低了对后续信号处理电路的设计要求，并且可以获得较大的流体电导测量范围和灵敏度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于LC电路的非接触式电导测量装置及方法。具体技术方案如下：
一种基于LC电路的非接触式电导测量装置，包括交流激励源、电感模块、电容、金属屏蔽罩、激励电极、检测电极、绝缘管道、电流转电压模块、信号处理模块、数据采集模块、计算机；激励电极、检测电极均布置在绝缘管道的外壁；金属屏蔽罩布置在激励电极和检测电极外围用于屏蔽电磁影响；交流激励源与电感模块的一端相连接，电感模块的另一端与激励电极相连，同时还与电容的一端相连，电容的另一端与地相连；检测电极与电流转电压模块的输入端相连，电流转电压模块、信号处理模块、数据采集模块、计算机顺次相连。
设所述的激励电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘管道内两个电极间的导电流体等效成电阻R0，检测电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，三者串联构成传感器的等效模型；
则交流激励源的激励电压uin(t)的频率f为f0，
Figure BDA0002560368380000021
其中，
Figure BDA0002560368380000022
C1为电容的值。
所述的激励电极和检测电极通过空气分别与金属屏蔽罩耦合形成杂散电容Cp1和杂散电容Cp2；其中，检测电极与杂散电容Cp2相连的那一端连接电流转电压模块中的运算放大器的反相端，根据运算放大器虚短的特性，Cp2相当于两端接地不影响测量；杂散电容Cp1与LC电路中的电容并联，由于Cp1＜＜C1，C1为LC电路中电容的值，Cp1对电路测量的影响可以忽略，克服了杂散电容对电导测量的影响。
作为本发明实施例的优选方案，所述的电感模块的电感值和电容的值可调。可以通过选择LC电路的电感L和电容C的值，使得电源激励频率为低频状态。
本发明还公开了一种使用所述装置的降低激励频率的流体电导测量方法，具体方法如下：
1)对于绝缘管道内的导电流体，激励电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘管道内两个电极间的导电流体等效成电阻R0，检测电极与绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，三者串联构成传感器的等效模型；
2)令
Figure BDA0002560368380000031
LC电路中电容的值为C1，将激励频率为f，输出幅值为Uin的交流激励电压uin(t)施加在电感模块上，整个检测电路的等效阻抗为
Figure BDA0002560368380000032
Figure BDA0002560368380000033
其中，L为电感模块的电感值；令等效阻抗Z的虚部为零，即
Figure BDA0002560368380000034
得到电路的频率
Figure BDA0002560368380000035
设置交流激励源的激励电压uin的频率f为电导检测电路的频率f0，在该交流激励信号的作用下，检测电路等效阻抗中的虚部被消除，消除了耦合电容的影响，此时电路的等效阻抗为
Figure BDA0002560368380000036
3)将电流转电压模块获得的输出电流
Figure BDA0002560368380000037
依次进行电流电压转换、整流、滤波、放大处理后得到有效信号，根据得到的有效信号得到流体的等效电导。
通过合理选择LC电路的电感L和电容C的值，可以使得检测电路等效阻抗中的虚部得以消除，整个测量电路工作在低频状态，相较于传统的非接触式电容耦合电导检测装置(激励信号频率在100kHz-600kHz之间)，本发明中激励信号的频率大大降低(激励信号频率低于100kHz)。实现了在低频状态下的非接触式电导在线测量。
本发明与现有技术相比具有优异效果：
1)通过合理选择LC电路的电感L和电容C的值，使得整个测量电路工作在低频状态，为较低工作频率下的管道中导电流体电导测量提供了有益借鉴；
2)激励电极通过空气与金属屏蔽罩耦合形成的杂散电容与LC电路中的电容并联，由于杂散电容远小于LC电路中电容的值，杂散电容的影响可以忽略，克服了杂散电容对电导测量的影响；
3)测量电路工作在低频状态，降低了对后续检测电路元器件的要求，例如对运放的带宽要求降低等，有利于后续检测电路的设计。
附图说明
图1是一种基于LC电路的非接触式电导测量装置的结构示意图；
图2是本发明的电容耦合式非接触电导测量装置的等效电路图；
图中：交流激励源1、电感模块2、电容3、金属屏蔽罩4和5、激励电极6、检测电极7、绝缘管道8、电流转电压模块9、信号处理模块10、数据采集模块11、计算机12。
具体实施方式
如图1所示，一种基于LC电路的非接触式电导测量装置，包括交流激励源1、电感模块2、电容3、金属屏蔽罩4、激励电极5、检测电极6、绝缘管道7、电流转电压模块8、信号处理模块9、数据采集模块10、计算机11；激励电极5、检测电极6均布置在绝缘管道7的外壁；金属屏蔽罩4布置在激励电极5和检测电极6外围用于屏蔽电磁影响；交流激励源1与电感模块2的一端相连接，电感模块2的另一端与激励电极5相连，同时还与电容3的一端相连，电容3的另一端与地相连；检测电极6与电流转电压模块8的输入端相连，电流转电压模块8、信号处理模块9、数据采集模块10、计算机11顺次相连。
其中，环状两电极传感器由金属屏蔽罩4、激励电极5、检测电极6和绝缘管道7组成，可实现非接触式测量。金属屏蔽罩4放置于传感器周围，用于屏蔽外部电磁干扰。交流激励源1提供正弦激励信号，LC电路包括电感模块2和电容3，电感模块2中的实际电感两端分别与交流激励源1和激励电极5相连，检测电极6与电流转电压模块8相连。
如图2所示，所述的一种基于LC电路的非接触式电导传感器的等效电路为交流激励源1一端接地，另一端与电感模块2的一端相连接，电感模块2的另一端与环状两电极传感器的激励电极6相连，同时还与电容3的一端相连，电容3的另一端与地相连。激励电极6、绝缘管道8和管道内导电溶液形成第一耦合电容Cx1，检测电极7、绝缘管道8和管道内导电溶液形成第二耦合电容Cx2，绝缘管道8内导电溶液形成的电阻的两端分别与第一耦合电容Cx1的另一端、第二耦合电容Cx2的一端相连接，第二耦合电容Cx2的另一端接入电流转电压模块9，电流转电压模块9、信号处理模块10、数据采集模块11、计算机12顺次相连最终输出等效电导信号。
一种使用所述装置的流体电导测量方法，它的步骤如下：
1)对于绝缘管道内的导电流体，激励电极5与绝缘管道7内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘管道7内两个电极间的导电流体等效成电阻R0，检测电极6与绝缘管道7内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，三者串联构成传感器的等效模型；
2)令
Figure BDA0002560368380000041
电容3的值为C1，将激励频率为f，输出幅值为Uin的交流激励电压uin(t)施加在电感模块(2)上，则有：
Figure BDA0002560368380000042
Figure BDA0002560368380000043
Figure BDA0002560368380000044
将(2)代入(3)得：
Figure BDA0002560368380000045
Figure BDA0002560368380000051
Figure BDA0002560368380000052
整理得：
Figure BDA0002560368380000053
其中i为LC电路中流过电容C1的电流，u为LC电路中C1两端的电压，iin为流过传感器等效模型(即耦合电容Cx1和Cxz以及导电流体等效电阻R0的电流)，j为电阻抗虚部单位。
于是，整个检测电路的等效阻抗(激励电压与电流转电压模块输入电流之比)为
Figure BDA0002560368380000054
其中，L为电感模块2的电感值；令等效阻抗Z的虚部为零，即
Figure BDA0002560368380000055
得到电路的频率
Figure BDA0002560368380000056
设置交流激励源1的激励电压uin的频率f为电导检测电路的频率f0，在该交流激励信号的作用下，检测电路等效阻抗中的虚部被消除，消除了耦合电容的影响，提高了电导测量的分辨率。此时电路的等效阻抗为
Figure BDA0002560368380000057
3)将电流转电压模块9获得的输出电流
Figure BDA0002560368380000058
依次进行电流电压转换、整流、滤波、放大处理后得到有效信号，根据得到的有效信号得到流体的等效电导。
通过选择LC电路的电感L和电容C的值，使得非接触式流体电导测量装置的交流激励源工作在低频状态，实现了在低频状态下的非接触式电导在线测量。
通过选择LC电路不同的电容C值在水平有机玻璃管道(内径1mm、外径1.5mm)上对本发明中所提及的装置与方法进行了初步试验，验证了本发明的可行性。传感器激励电极和检测电极的长度为15mm，两个电极之间的间隙长度为30mm。实验介质为不同浓度的KCl溶液，其参考电导率由商业型接触式电导率仪(梅特勒-托利多FE30-FiveEasyTM)测定，电导率的变化范围为0.2mS/cm-80mS/cm。三组实验中LC电路中电感L为23.5mH，电容C分别为100pf、63pf和22pf，电源激励频率分别为63.6kHz、74.1kHz和90.54kHz。
用电导率测量相对误差eσ作为性能指标，eσ定义如下所示：
Figure BDA0002560368380000059
其中σm为新型传感器测量电导率的值，σr为电导率参考值。相关实验结果如下：
KCl溶液电导率测量结果(f0＝63.6kHz，其中LC电路中L＝23.5mH，C＝100pf)
Figure BDA00025603683800000510
Figure BDA0002560368380000061
KCl溶液电导率测量结果(f0＝74.1kHz，其中LC电路中L＝23.5mH，C＝63pf)
Figure BDA0002560368380000062
KCl溶液电导率测量结果(f0＝90.54kHz，其中LC电路中L＝23.5mH，C＝22pf)
Figure BDA0002560368380000063
在相同管径条件且保证流体电导率测量灵敏度不变的情况下，相较于传统的非接触式电容耦合电导检测装置，本发明中激励信号的频率大大降低。试验结果表明：利用本发明中所提及的装置与方法可以实现对单相导电流体的电导率的测量并能取得较好的测量结果，相应的电导率测量最大相对误差小于5％。

Claims (6)

1.一种基于LC电路的非接触式电导测量装置，其特征在于包括交流激励源(1)、电感模块(2)、电容(3)、金属屏蔽罩(4)、激励电极(5)、检测电极(6)、绝缘管道(7)、电流转电压模块(8)、信号处理模块(9)、数据采集模块(10)、计算机(11)；激励电极(5)、检测电极(6)均布置在绝缘管道(7)的外壁；金属屏蔽罩(4)布置在激励电极(5)和检测电极(6)外围用于屏蔽电磁影响；交流激励源(1)与电感模块(2)的一端相连接，电感模块(2)的另一端与激励电极(5)相连，同时还与电容(3)的一端相连，电容(3)的另一端与地相连；检测电极(6)与电流转电压模块(8)的输入端相连，电流转电压模块(8)、信号处理模块(9)、数据采集模块(10)、计算机(11)顺次相连。
2.根据权利要求1所述的基于LC电路的非接触式电导测量装置，其特征在于，设所述的激励电极(5)与绝缘管道(7)内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘管道内两个电极间的导电流体等效成电阻R0，检测电极(6)与绝缘管道(7)内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，三者串联构成传感器的等效模型；
则交流激励源(1)的激励电压uin(t)的频率f为f0，
Figure FDA0002945540660000011
其中，
Figure FDA0002945540660000012
C1为电容(3)的值。
3.根据权利要求1所述的基于LC电路的非接触式电导测量装置，其特征在于，所述的激励电极(5)和检测电极(6)通过空气分别与金属屏蔽罩(4)耦合形成杂散电容Cp1和杂散电容Cp2；其中，检测电极(6)与杂散电容Cp2相连的一端连接电流转电压模块(8)中的运算放大器的反相端，根据运算放大器虚短的特性，Cp2相当于两端接地不影响测量；杂散电容Cp1与电容(3)并联，由于Cp1＜＜C1，C1为电容(3)的值，Cp1对电路测量的影响可以忽略。
4.根据权利要求1所述的基于LC电路的非接触式电导测量装置，其特征在于，所述的电感模块(2)的电感值和电容(3)的值可调。
5.一种使用如权利要求1所述装置的非接触式流体电导测量方法，其特征在于它的步骤如下：
1)对于绝缘管道内的导电流体，激励电极(5)与绝缘管道(7)内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx1，绝缘管道(7)内两个电极间的导电流体等效成电阻R0，检测电极(6)与绝缘管道(7)内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cx2，三者串联构成传感器的等效模型；
2)令
Figure FDA0002945540660000013
电容(3)的值为C1，将激励频率为f，输出幅值为Uin的交流激励电压uin(t)施加在电感模块(2)上，整个检测电路的等效阻抗为
Figure FDA0002945540660000014
Figure FDA0002945540660000021
其中，L为电感模块(2)的电感值；令等效阻抗Z的虚部为零，即
Figure FDA0002945540660000022
得到电路的频率
Figure FDA0002945540660000023
设置交流激励源(1)的激励电压uin的频率f为电导检测电路的频率f0，在该交流激励信号的作用下，检测电路等效阻抗中的虚部被消除，消除了耦合电容的影响，此时电路的等效阻抗为
Figure FDA0002945540660000024
3)将电流转电压模块(9)获得的输出电流
Figure FDA0002945540660000025
依次进行电流电压转换、整流、滤波、放大处理后得到有效信号，根据得到的有效信号得到流体的等效电导。
6.根据权利要求5所述的非接触式流体电导测量方法，通过选择LC电路的电感L和电容C的值，使得非接触式电导测量装置的交流激励源工作在低频状态。
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