CN113325045A - 一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置、制作方法及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置、制作方法及检测方法，本发明基于电容电桥原理，通过调节可调电阻R_x、可调电阻R₁及可调电阻R₂，使得电容电桥回路达到平衡，输出电压信号U初始值为零。以标准样本为参考量，以待测样本为检测量，由于待测样本和标准样本介电常数不同，输出电压信号U发生变化。基于此比较法，能达到较高的检测精度，减小温度、湿度等环境因素对检测结果的影响。本发明以微流体芯片为载体，可实现许多石油化工液体成分测试认定以及制冷系统、润滑体统、液压系统工质含水量在线监测预警。本发明技术方案解决了现有的液体检测方法检测准确性低、检测效率低、检测设备体积大、易受到外界环境因素影响等问题。

Description

一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置、制作方法及 检测方法

技术领域

本发明涉及液体检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置、制作方法及检测方法。

背景技术

石油化工品包括制冷剂、原油、汽油、机油、润滑脂、天然气、石化产品，在上述石油化工品被制作成产品前均需要对其进行成分测试认定，尤其对商品中的水含量进行测试，或在使用过程中，对其成分进行监测预警。另外，在汽车工业、船舶制造、建筑工程机械、矿山机械、农业机械、塑料机械、冶金机械、航空、等行业润滑系统、液压系统中油液含水量以及制冷系统中制冷剂的含水量也均需要测试。液体检测技术主要包括：红外光谱法、蒸馏法、卡尔.费休法。其中：

红外光谱法应用于油液水分检测，其油液中存在的污染物会影响检测结果的准确性，因此需要对油液样本进行预处理，来提高检测结果的准确性。

蒸馏法需要采用的体积大的检测设备，导致其无法实现对现场的实时监测。另外，待测样品中水分的蒸凝过程需要耗费大量的时间，大大的降低了检测效率。

卡尔.费休法大多应用在实验室，其通过油液中水分与卡尔费休试剂发生氧化还原反应，并根据法拉第定律计算水分含量。该方法虽然具有较高的检测效率，但其检测结果容易受到外界环境因素的影响。

发明内容

为解决现有的液体检测方法检测准确性低、检测效率低、检测设备体积大、易受到外界环境因素影响等问题。本发明提供一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置、制作方法及检测方法。本发明基于电容电桥原理设计了一种电容式液体检测方法，以标准样本为参考量，以待测样本为检测量，将二者进行比较达到较高的检测精度，减小温度、湿度等环境因素对检测结果的影响。以微流控芯片为载体，实现对制冷系统、润滑系统以及液压系统中工质含水量的在线监测预警。

本发明采用的技术手段如下：

一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，包括：微流控芯片以及外围元件；

微流控芯片包括平面基底、设置在平面基底上的检测单元和参考单元；检测单元包括检测微通道以及检测电容C₁，检测微通道置于检测电容C₁的两极板之间；参考单元包括参考微通道以及参考电容C₂，参考微通道置于参考电容C₂的两极板之间；

外围元件包括电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂；

电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂、检测电容C₁以及参考电容C₂构成电容电桥回路。

进一步地，所述电容电桥回路具体的连接关系如下：

电阻R₀和可调电阻Rx串联形成第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口；检测电容C₁和可调电阻R₁串联，一端形成第四接线端口，另一端连接第一接线端口；可调电阻R₂和参考电容C₂串联，一端连接第三接线端口，另一端连接第四接线端口；交流电源U_i连接在第一接线端口和第三接线端口上，在其激励下，第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口、第四接线端口形成电容电桥回路，第二接线端口和第四接线端口输出电压信号U。

进一步地，所述检测电容C₁和参考电容C₂通过漆包引线与电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂按照所述电容电桥回路的方式连接。

进一步地，所述可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂用于调节所述电容电桥回路的平衡，使得输出电压信号U初始值为零。

进一步地，所述微流控芯片还包括连通检测微通道的检测流道入口和检测流道出口；连通参考微通道的参考流道入口和参考流道出口。

进一步地，所述桥式电容测量装置还包括用于固定微流控芯片的模。

一种基于上述用于液体污染物检测的桥式电容测量装置的制作方法，包括如下步骤：

S1、将检测电容C₁和参考电容C₂固定于平面基底上；

S2、将两根流道模具分别置于检测电容C₁和参考电容C₂两极板之间；

S3、浇注模型材料，将检测电容C₁和参考电容C₂的四根漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S4、采用注模材料浇铸成型；

S5、模型凝固后，抽出流道模具，形成微流体芯片；

S6、将检测电容C₁和参考电容C₂的四根漆包引线和电阻R₀、可调电阻 R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂元器件按照所述电容电桥回路的方式连接。

一种基于上述用于液体污染物检测的桥式电容测量装置的检测方法，包括如下步骤：

在交流电源U_i的激励下，调节可调电阻R_x、可调电阻R₁以及可调电阻 R₂，使得电容电桥回路达到平衡，输出电压信号U为零；

将待测样本从检测流道入口流入，经检测微通道至检测电容C₁，再从检测流道出口流出；

将标准样本从参考流道入口流入，经参考微通道至参考电容C₂，再从参考流道出口流出；

由于待测样本和标准样本介电常数不同，输出电压信号U发生变化，输出电压信号U发生变化的大小为待测溶质含量的信息。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，检测准确性高、检测效率高、检测设备体积小、不易受到外界环境因素影响。

2、本发明提供的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，以微流控芯片为载体，实现对制冷系统、润滑系统以及液压系统中工质含水量的在线监测预警。

基于上述理由本发明可在液体检测等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明桥式电容测量装置结构图。

图2为本发明电容电桥回路电路图。

图1中：1、参考流道入口；2、模；3、参考电容C2；4、参考微通道； 5、参考流道出口；6、平面基底；7、检测流道出口；8、检测微通道；9、检测电容C1；10、检测流道入口。

图2中：a、第一接线端口；b、第二接线端口；c、第三接线端口；d、第四接线端口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，包括：微流控芯片以及外围元件；

微流控芯片包括平面基底6、设置在平面基底6上的检测单元和参考单元；检测单元包括检测微通道8以及检测电容C₁9，检测微通道8置于检测电容C₁9的两极板之间；参考单元包括参考微通道4以及参考电容C₂3，参考微通道4置于参考电容C₂3的两极板之间；

外围元件包括电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂；

电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂、检测电容C₁以及参考电容C₂构成电容电桥回路。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，电阻R₀和可调电阻Rx串联形成第一接线端口a、第二接线端口b、第三接线端口c；检测电容C₁9和可调电阻R₁串联，一端形成第四接线端口d，另一端连接第一接线端口a；可调电阻R₂和参考电容C₂3串联，一端连接第三接线端口c，另一端连接第四接线端口d；交流电源U_i连接在第一接线端口a和第三接线端口c上，在其激励下，第一接线端口a、第二接线端口b、第三接线端口c、第四接线端口d形成电容电桥回路，第二接线端口b和第四接线端口d输出电压信号U。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述检测电容C₁9和参考电容C₂3通过漆包引线与电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂按照如图2所示的电容电桥回路连接。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述可调电阻R_x、可调电阻 R₁、可调电阻R₂用于调节所述电容电桥回路的平衡，使得输出电压信号U初始值为零。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述微流控芯片还包括连通检测微通道8的检测流道入口10和检测流道出口7；连通参考微通道4的参考流道入口1和参考流道出口5。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，继续参见图1，所述桥式电容测量装置还包括用于固定微流控芯片的模2。

本发明装置的工作原理如下：

待测样本通过检测电容C₁9的两极板之间，标准样本通过参考电容C₂3 的两极板之间。由于待测样本和标准样本所含检测的溶质含量不同，样本介电常数不同。因此，检测电容C₁9和参考电容C₂3电容值发生不同程度的变化，输出电压信号U发生变化。例如，标准样本为未使用过的油液，待测样本为使用过的油液。若该使用过的油液的含水量较未使用过的油液高(油液的介电常数为2.6，水的介电常数为80)，则输出电压信号U发生变化。

实施例：

以油液中含水量检测为实施例。首先在交流电源U_i的激励下，调节可调电阻R_x、可调电阻R₁以及可调电阻R₂，电容电桥回路达到平衡，输出电压信号U为零。标准样本为未使用过的油液，将其置于参考电容C₂3的两极板之间；待测样本为使用过的油液，将其置于检测电容C₁9的两极板之间，检测使用过油液相较于未使用过油液中的含水量。油液的介电常数为2.6，水的介电常数为80。若使用过油液中含水量较未使用过油液中的含水量高，检测电容C₁9电容值较参考电容C₂3电容值高，检测电容C₁9电压值较参考电容 C₂3电压值低。电容电桥回路失去平衡，输出电压信号U发生变化。输出电压信号U变化越大，使用过油液中含水量越高，则该油液被水污染。

本发明还提供了一种基于上述用于液体污染物检测的桥式电容测量装置的制作方法，包括如下步骤：

S1、将检测电容C₁9和参考电容C₂3固定于平面基底上；

S2、将两根流道模具分别置于检测电容C₁9和参考电容C₂3两极板之间；

S3、浇注模型材料，将检测电容C₁9和参考电容C₂3的四根漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S4、采用注模材料浇铸成型；

S5、模型凝固后，抽出流道模具，形成微流体芯片；

S6、将检测电容C₁9和参考电容C₂3的四根漆包引线和电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂元器件按照所述电容电桥回路的方式连接。

本发明还提供了一种基于上述用于液体污染物检测的桥式电容测量装置的检测方法，包括如下步骤：

在交流电源U_i的激励下，调节可调电阻R_x、可调电阻R₁以及可调电阻 R₂，使得电容电桥回路达到平衡，输出电压信号U为零；

将待测样本从检测流道入口流入，经检测微通道至检测电容C₁，再从检测流道出口流出；

将标准样本从参考流道入口流入，经参考微通道至参考电容C₂，再从参考流道出口流出；

由于待测样本和标准样本介电常数不同，输出电压信号U发生变化，输出电压信号U发生变化的大小为待测溶质含量的信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，其特征在于，包括：微流控芯片以及外围元件；

微流控芯片包括平面基底、设置在平面基底上的检测单元和参考单元；检测单元包括检测微通道以及检测电容C₁，检测微通道置于检测电容C₁的两极板之间；参考单元包括参考微通道以及参考电容C₂，参考微通道置于参考电容C₂的两极板之间；

外围元件包括电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂；

电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂、检测电容C₁以及参考电容C₂构成电容电桥回路。

2.根据权利要求1所述的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，其特征在于，所述电容电桥回路具体的连接关系如下：

电阻R₀和可调电阻Rx串联形成第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口；检测电容C₁和可调电阻R₁串联，一端形成第四接线端口，另一端连接第一接线端口；可调电阻R₂和参考电容C₂串联，一端连接第三接线端口，另一端连接第四接线端口；交流电源U_i连接在第一接线端口和第三接线端口上，在其激励下，第一接线端口、第二接线端口、第三接线端口、第四接线端口形成电容电桥回路，第二接线端口和第四接线端口输出电压信号U。

3.根据权利要求1所述的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，其特征在于，所述检测电容C₁和参考电容C₂通过漆包引线与电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂按照所述电容电桥回路的方式连接。

4.根据权利要求3所述的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，其特征在于，所述可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂用于调节所述电容电桥回路的平衡，使得输出电压信号U初始值为零。

5.根据权利要求1所述的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，其特征在于，所述微流控芯片还包括连通检测微通道的检测流道入口和检测流道出口；连通参考微通道的参考流道入口和参考流道出口。

6.根据权利要求1所述的用于液体污染物检测的桥式电容测量装置，其特征在于，所述桥式电容测量装置还包括用于固定微流控芯片的模。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项权利要求所述用于液体污染物检测的桥式电容测量装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将检测电容C₁和参考电容C₂固定于平面基底上；

S2、将两根流道模具分别置于检测电容C₁和参考电容C₂两极板之间；

S3、浇注模型材料，将检测电容C₁和参考电容C₂的四根漆包引线布置在模型材料外部，使其不被模型材料浇注；

S4、采用注模材料浇铸成型；

S5、模型凝固后，抽出流道模具，形成微流体芯片；

S6、将检测电容C₁和参考电容C₂的四根漆包引线和电阻R₀、可调电阻R_x、可调电阻R₁、可调电阻R₂元器件按照所述电容电桥回路的方式连接。

8.一种基于权利要求1-6中任意一项权利要求所述用于液体污染物检测的桥式电容测量装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

在交流电源U_i的激励下，调节可调电阻R_x、可调电阻R₁以及可调电阻R₂，使得电容电桥回路达到平衡，输出电压信号U为零；

将待测样本从检测流道入口流入，经检测微通道至检测电容C₁，再从检测流道出口流出；

将标准样本从参考流道入口流入，经参考微通道至参考电容C₂，再从参考流道出口流出；

由于待测样本和标准样本介电常数不同，输出电压信号U发生变化，输出电压信号U发生变化的大小为待测溶质含量的信息。

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