CN112526212A - 一种可补偿环境变化的电导率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可补偿环境变化的电导率测量装置及测量方法，该装置包括电导率传感器和信号处理电路，电导率传感器包括位于传感器外壳内的初级磁芯、次级磁芯和液体导流管，初级磁芯上绕有初级绕组，次级磁芯上绕有次级绕组，初级绕组和次级绕组的缠绕方向相反；初级磁芯和次级磁芯之间有液体回路和电阻回路，液体回路上存在液体电阻R_w，电阻回路的导线在初级磁芯和次级磁芯上各绕一圈并在两磁芯间隙处交叉，电阻回路中串入回路电阻R_r和模拟开关S1；信号处理电路包括依次连接的反相放大电路、积分电路、采样保持电路、A/D模块和MCU。本发明所公开的装置及方法可以补偿温度等外部环境变化引起的测量值漂移，实现液体电导率的精确测量。

Description

一种可补偿环境变化的电导率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及海洋监测技术领域，特别涉及一种可补偿环境变化的电导率测量装置及测量方法。

背景技术

电导率是液体的一项基本特性参数，电导率传感器在工业生产和海洋监测中得到了广泛应用。目前常用的电导率测量传感器有电极式、感应式两种。后者基于电磁感应原理，由初级线圈、次级线圈和导电液体回路组成。初级线圈绕组通以交变电流，产生的环形交变磁场通过导电液体回路在次级线圈中产生感应电动势，测量感应电动势，通过定标，即可获取液体的电导率。这种测量方法响应速度快，传感器不易被污染物附着。但是线圈的磁芯磁导率受温度等环境因素影响明显，从而导致线圈电感和感应电动势的变化，影响了测量精度。

为了解决上述问题，有必要在传感器中增加环境补偿功能，以改善感应式电导率传感器的环境适应性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可补偿环境变化的电导率测量装置及测量方法，以达到补偿温度等外部环境变化引起的测量值漂移，可以实现液体电导率的精确测量的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可补偿环境变化的电导率测量装置，包括电导率传感器和信号处理电路，所述电导率传感器包括位于传感器外壳内的初级磁芯、次级磁芯和液体导流管，所述液体导流管穿过初级磁芯和次级磁芯，所述初级磁芯上绕有初级绕组，所述次级磁芯上绕有次级绕组，所述初级绕组和次级绕组的缠绕方向相反；所述初级磁芯和次级磁芯之间有液体回路和电阻回路，所述液体回路上存在液体电阻R_w，所述电阻回路的导线在初级磁芯和次级磁芯上各绕一圈并在两磁芯间隙处交叉，所述电阻回路中串入回路电阻R_r和模拟开关S1；所述信号处理电路包括依次连接的反相放大电路、积分电路、采样保持电路、A/D模块和MCU，所述采样保持电路包括并联的采样保持电路I和采样保持电路II。

上述方案中，所述反相放大电路和积分电路之间设置模拟开关S2，所述积分电路的电容C1两端并联模拟开关S3，所述积分电路和采样保持电路I之间设置模拟开关S4，所述积分电路和采样保持电路II之间设置模拟开关S5。

一种可补偿环境变化的电导率测量方法，采用上述的一种可补偿环境变化的电导率测量装置，包括如下步骤：

步骤一，将电导率传感器浸入待测液体中，液体导流管的内部及传感器外壳的外部充满待测液体，形成液体回路；

步骤二，MCU控制产生激励信号，输入初级绕组，所述激励信号为标准方波信号；

步骤三，液体回路和电阻回路产生的锯齿波形感应电动势经反相放大电路放大后，由积分电路进行累加，而后进入采样保持电路I和采样保持电路II，等待A/D模块读取、转换；通过控制模拟开关S1～S5的开启和闭合，控制电信号的流向，分别测量液体回路产生的感应电动势V_w，和电阻回路产生的感应电动势V_r；

步骤四，计算液体回路的电导率k_w，

其中，k_r表示电阻回路的电导率，K_c表示电导率传感器的电导池常数，R_r为回路电阻，K_c和R_r均为定值。

上述方案中，所述步骤三的具体方法如下：

(1)在t₀～t₁时刻，S1断开，此时，仅有液体回路闭合，在激励信号的作用下，次级绕组上产生与待测液体电导率正比相关的感应电动势V_w，感应电动势V_w由反相放大电路放大后，经模拟开关S2，进入积分电路，在t₀时刻，模拟开关S3闭合1/10个方波周期，使得积分电路复位清零；在t₀～t₁时刻，模拟开关S2仅在激励方波输出高电平时闭合，积分电路的输出电压值在此段时间内直线增加，即输出为

在t₁时刻，积分电路的输出电压简记为V_w；在t₁时刻前的最后一个激励方波周期高电平输出时，模拟开关S4闭合半个方波周期，采样保持电路I10进行跟踪采样，S4断开后，采样保持电路I10进入电压保持状态，其输出电压V_w与液体电导率正比相关，经A/D模块转化为数字量，存入MCU；

(2)在t₁～t₂时刻，S1闭合；此时，在激励信号的作用下，次级绕组上产生与待测液体电导率和回路电阻值同时相关的感应电动势；在这一时段，模拟开关S2在激励方波输出低电平时闭合，进入积分电路的感应电动势包含V_w和V_r两部分，其中，V_w与t₀～t₁时刻的V_w方向相反；由于电阻回路是交叉缠绕，所以因其而产生的感应电动势V_r与V_w方向相反；因此，在这一时段积分电路的净输出为

由于t₀～t₁与t₁～t₂的时间间隔相同，所以在t₂时刻，积分电路的输出电压为

或

仅与电阻回路相关，简记为V_r；在t₂时刻前的最后一个激励方波周期低电平输出时，模拟开关S5闭合半个方波周期，采样保持电路II进行跟踪采样，S5断开后，采样保持电路II进入电压保持状态，输出电压V_r与电阻回路电导率正比相关；经A/D模块转化为数字量，存入MCU。

通过上述技术方案，本发明提供的一种可补偿环境变化的电导率测量装置及测量方法通过在电导率传感器中加入回路电阻，以待测液体构成的液体回路和电阻回路的感应电动势输出比值乘以电阻回路的电导率作为待测液体的电导率测量结果，完全补偿了温度等外部环境变化引起的测量值漂移，可以实现液体电导率的精确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种电导率传感器结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的一种可补偿环境变化的电导率测量装置示意图；

图3为本发明的电路时序图。

图中：1、初级磁芯；2、次级磁芯；3、传感器外壳；4、液体导流管；5、激励信号；6、初级绕组；7、次级绕组；8、反相放大电路；9、积分电路；10、采样保持电路I；11、采样保持电路II；12、A/D模块；13、MCU；14、电阻回路；15、液体回路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种可补偿环境变化的电导率测量装置，包括电导率传感器和信号处理电路，电导率传感器包括位于传感器外壳3内的初级磁芯1、次级磁芯2和液体导流管4，液体导流管4穿过初级磁芯1和次级磁芯2，初级磁芯1上绕有初级绕组6，次级磁芯2上绕有次级绕组7，初级绕组6和次级绕组7的缠绕方向相反；初级磁芯1和次级磁芯2之间有液体回路15和电阻回路14，液体回路15上存在液体电阻R_w，电阻回路14的导线在初级磁芯1和次级磁芯2上各绕一圈并在两磁芯间隙处交叉，电阻回路14中串入回路电阻R_r和模拟开关S1；信号处理电路包括依次连接的反相放大电路8、积分电路9、采样保持电路、A/D模块12和MCU13，采样保持电路包括并联的采样保持电路I10和采样保持电路I I 11。

反相放大电路8和积分电路9之间设置模拟开关S2，积分电路9的电容C1两端并联模拟开关S3，积分电路9和采样保持电路I10之间设置模拟开关S4，积分电路9和采样保持电路II 11之间设置模拟开关S5。

一种可补偿环境变化的电导率测量方法，采用上述的一种可补偿环境变化的电导率测量装置，包括如下步骤：

步骤一，将电导率传感器浸入待测液体中，液体导流管4的内部及传感器外壳3的外部充满待测液体，形成液体回路15；

步骤二，MCU 13控制产生激励信号5，输入初级绕组6，激励信号5为标准方波信号，频率为1KHz，方波高电平为正电压，低电平为绝对值相同的负电压；

步骤三，液体回路15和电阻回路14产生的锯齿波形感应电动势经反相放大电路8放大后，由积分电路9进行累加，而后进入采样保持电路I10和采样保持电路II 11，等待A/D模块12读取、转换；通过控制模拟开关S1～S5的开启和闭合，控制电信号的流向，分别测量液体回路15产生的感应电动势V_w，和电阻回路14产生的感应电动势V_r；完成一次电导率测量需要20个周期，约20ms。模拟开关S1～S5的控制、A/D值的读取及测量结果的计算输出均由MCU 13完成。

具体如下：

(1)在t₀～t₁时刻，S1断开，此时，仅有液体回路15闭合，在激励信号5的作用下，次级绕组7上产生与待测液体电导率正比相关的感应电动势V_w，感应电动势V_w由反相放大电路8放大后，经模拟开关S2，进入积分电路9，在t₀时刻，模拟开关S3闭合1/10个激励周期，使得积分电路9复位清零；模拟开关S2的作用是进行相位控制，在t₀～t₁时刻，模拟开关S2仅在激励方波高电平时闭合，仅允许激励方波高电平时产生的感应电动势进行积分，积分电路9的输出电压值在此段时间内直线增加，即输出为

在t₁时刻，积分电路9的输出电压简记为V_w；在t₁时刻前的最后一个激励方波周期高电平输出时，模拟开关S4闭合半个方波周期，采样保持电路I10进行跟踪采样，S4断开后，采样保持电路I10进入电压保持状态，其输出电压V_w与液体电导率正比相关，经A/D模块的CH1通道转化为数字量，存入MCU 13；

(2)在t₁～t₂时刻，S1闭合；此时，液体回路15和电阻回路14同时闭合，在激励信号5的作用下，次级绕组7上产生与待测液体电导率和回路电阻值同时相关的感应电动势；在这一时段，模拟开关S2在激励方波输出低电平时闭合，进入积分电路9的感应电动势包含V_w和V_r两部分，其中，V_w与t₀～t₁时刻的V_w方向相反；由于电阻回路14是交叉缠绕，所以因其而产生的感应电动势V_r与V_w方向相反；因此，在这一时段积分电路9的净输出为

由于t₀～t₁与t₁～t₂的时间间隔相同，均为10ms，所以在t₂时刻的电压包含t₀～t₁及t₁～t₂两个时间段的积分结果，也就是

即积分电路9的输出电压为

或

仅与电阻回路14相关，简记为V_r；在t₂时刻前的最后一个激励方波周期低电平输出时，模拟开关S5闭合半个方波周期，采样保持电路II 11进行跟踪采样，S5断开后，采样保持电路II 11进入电压保持状态，输出电压V_r与电阻回路14电导率正比相关；经A/D模块12的CH2通道转化为数字量，存入MCU 13。

步骤四，计算液体回路15的电导率k_w，

其中，k_r表示电阻回路14的电导率，K_c表示电导率传感器的电导池常数，R_r为回路电阻，K_c和R_r均为定值。

当磁芯磁导率因温度等外部环境变化而发生改变时，次级绕组7上产生的感应电动势V_w、V_r也会发生同比改变，但在本实施例中，由于V_w与V_r比值仍保持不变，所以液体电导率的测量结果不会因外部环境变化而改变。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种可补偿环境变化的电导率测量装置，其特征在于，包括电导率传感器和信号处理电路，所述电导率传感器包括位于传感器外壳内的初级磁芯、次级磁芯和液体导流管，所述液体导流管穿过初级磁芯和次级磁芯，所述初级磁芯上绕有初级绕组，所述次级磁芯上绕有次级绕组，所述初级绕组和次级绕组的缠绕方向相反；所述初级磁芯和次级磁芯之间有液体回路和电阻回路，所述液体回路上存在液体电阻R_w，所述电阻回路的导线在初级磁芯和次级磁芯上各绕一圈并在两磁芯间隙处交叉，所述电阻回路中串入回路电阻R_r和模拟开关S1；所述信号处理电路包括依次连接的反相放大电路、积分电路、采样保持电路、A/D模块和MCU，所述采样保持电路包括并联的采样保持电路I和采样保持电路II。

2.根据权利要求1所述的一种可补偿环境变化的电导率测量装置，其特征在于，所述反相放大电路和积分电路之间设置模拟开关S2，所述积分电路的电容C1两端并联模拟开关S3，所述积分电路和采样保持电路I之间设置模拟开关S4，所述积分电路和采样保持电路II之间设置模拟开关S5。

3.一种可补偿环境变化的电导率测量方法，采用如权利要求2所述的一种可补偿环境变化的电导率测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将电导率传感器浸入待测液体中，液体导流管的内部及传感器外壳的外部充满待测液体，形成液体回路；

步骤二，MCU控制产生激励信号，输入初级绕组，所述激励信号为标准方波信号；

步骤三，液体回路和电阻回路产生的锯齿波形感应电动势经反相放大电路放大后，由积分电路进行累加，而后进入采样保持电路I和采样保持电路II，等待A/D模块读取、转换；通过控制模拟开关S1～S5的开启和闭合，控制电信号的流向，分别测量液体回路产生的感应电动势V_w，和电阻回路产生的感应电动势V_r；

步骤四，计算液体回路的电导率k_w，

其中，k_r表示电阻回路的电导率，K_c表示电导率传感器的电导池常数，R_r为回路电阻，K_c和R_r均为定值。

4.根据权利要求3所述的一种可补偿环境变化的电导率测量方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：

(1)在t₀～t₁时刻，S1断开，此时，仅有液体回路闭合，在激励信号的作用下，次级绕组上产生与待测液体电导率正比相关的感应电动势V_w，感应电动势V_w由反相放大电路放大后，经模拟开关S2，进入积分电路，在t₀时刻，模拟开关S3闭合1/10个方波周期，使得积分电路复位清零；在t₀～t₁时刻，模拟开关S2仅在激励方波输出高电平时闭合，积分电路的输出电压值在此段时间内直线增加，即输出为

在t₁时刻，积分电路的输出电压简记为V_w；在t₁时刻前的最后一个激励方波周期高电平输出时，模拟开关S4闭合半个方波周期，采样保持电路I进行跟踪采样，S4断开后，采样保持电路I进入电压保持状态，其输出电压V_w与液体电导率正比相关，经A/D模块转化为数字量，存入MCU；

(2)在t₁～t₂时刻，S1闭合；此时，在激励信号的作用下，次级绕组上产生与待测液体电导率和回路电阻值同时相关的感应电动势；在这一时段，模拟开关S2在激励方波输出低电平时闭合，进入积分电路的感应电动势包含V_w和V_r两部分，其中，V_w与t₀～t₁时刻的V_w方向相反；由于电阻回路是交叉缠绕，所以因其而产生的感应电动势V_r与V_w方向相反；因此，在这一时段积分电路的净输出为

由于t₀～t₁与t₁～t₂的时间间隔相同，所以在t₂时刻，积分电路的输出电压为

或

仅与电阻回路相关，简记为V_r；在t₂时刻前的最后一个激励方波周期低电平输出时，模拟开关S5闭合半个方波周期，采样保持电路II进行跟踪采样，S5断开后，采样保持电路II进入电压保持状态，输出电压V_r与电阻回路电导率正比相关；经A/D模块转化为数字量，存入MCU。

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