CN117054749A - 一种多电极液体电导率传感器数据采集装置及电导率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多电极液体电导率传感器数据采集装置及电导率测量方法，首先信号发生器模块生成波形和频率可调的交流电压信号；压控电流源模块接收输出的交流电压信号并变换为交流电流信号，将其作为多电极电导率传感器的激励输入信号；多通道数据采集模块采集多电极电导率传感器的激励输入信号，将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出；控制解算模块接收数字信号，通过输出的电流值除以各电极对之间的电压值得到多个电极对之间的电导值，用最小二乘法拟合出被测液体的电导率。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体地，涉及一种多电极液体电导率传感器数据采集装置及电导率测量方法。
背景技术
液体电导率是电解质溶液一个重要的物理化学特性，它表征溶液传送电流的能力。液体电导率测量在环境监测、化学工程、微电子行业、生物制药、食品加工、电分析化学、临床医学、海洋、水文、轻工、冶金等领域具有十分重要的地位。电极式电导率传感器测量法是目前最常用的电导率测量方法。应用较多的电极式电导率传感器主要有两电极、三电极、四电极和七电极电导率传感器。为了解决某个技术问题和获得某种技术性能，在这些常用的电极式电导率传感器的基础上又发展了六电极、七电极、八电极和九电极电导率传感器等。每种电导率传感器的配套测量电路都各不相同。市场现有的液体电导率传感器测量仪器仅针对单一类型电导率传感器配套相应的信号处理电路，而且不同电极数的液体电导率传感器需要匹配不同类型的测量仪器。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种多电极液体电导率传感器数据采集装置及电导率测量方法，根据实际使用的不同电极数量的液体电导率传感器自行搭建信号处理电路，满足教学实验和科研实践的多样性使用需求。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多电极液体电导率传感器数据采集装置：
所述采集装置包括信号发生器模块A、压控电流源模块B、多电极电导率传感器、多通道数据采集模块C和控制解算模块D；
所述信号发生器模块A具有数字接口，根据控制解算模块D的控制命令生成波形和频率可调的交流电压信号；
所述压控电流源模块B接收信号发生器模块A输出的交流电压信号变换为交流电流信号，所述交流电流信号作为多电极电导率传感器的激励输入信号；
所述多电极电导率传感器放在被测液体中时，由于被测液体里的离子导电特性，各电极对之间的被测液体形成导电体；
所述多通道数据采集模块C包括多通道差分信号测量电路，用于测量电导率传感器的电极对之间电压信号，多通道数据采集模块C将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出；
所述控制解算模块D向信号发生器模块A发送波形控制参数，控制解算模块D具有数字接口，接收多通道数据采集模块C的数字信号并计算电导率。
一种多电极液体电导率传感器数据采集装置的电导率测量方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，信号发生器模块A生成波形和频率可调的交流电压信号；
步骤2，压控电流源模块B接收步骤1输出的交流电压信号并变换为交流电流信号，将其作为多电极电导率传感器的激励输入信号；
步骤3，多通道数据采集模块C采集多电极电导率传感器的激励输入信号，将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出；
步骤4，控制解算模块D接收步骤3的数字信号，通过步骤2输出的电流值除以各电极对之间的电压值得到多个电极对之间的电导值，用最小二乘法拟合出被测液体的电导率。
进一步的，多电极电导率传感器放在被测液体中时，由于被测液体里的离子导电特性，各电极对之间的被测液体形成导电体；这些导电体的电导可以定义为G＝1/R＝(1/ρ)×A/l＝K×(1/J)
其中，ρ是电阻率，K＝(1/ρ)是电导率，J＝l/A是电极常数；电导率的基本单位是西门子/米(S/m)；
进一步的，在步骤4中，
所述压控电流源模块输出的激励电流的有效值为I；
在激励电流从多电极电导率传感器的一端电极输入，从传感器另一端电极流出；将各电极对之间的电势差输入到多通道数据采集模块C的差分电压信号测量通道，得到多个电压值Ui，
所以，各电极对之间的被测液体形成导电体的电导值Gi，
Gi＝I/Ui＝＝Ki×(1/Ji)
其中，Ki＝是电极对之间待测液体电导率，Ji＝l/Ai是电极对之间电极常数，i与多电极电导率传感器的电极对数有关；
进而可以得到，
Ki＝I×Ji/Ui
由于电导池结构设计和极化效应等原因，计算得到的电极对之间待测液体电导率Ki与待测液体的真实电导率K存在误差；利用最小二乘法从多个Ki值中得到待测液体电导率的最优估计值。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明有益效果
市场现有的液体电导率传感器测量仪器仅针对单一类型电导率传感器配套相应的信号处理电路，而且不同电极数的液体电导率传感器需要匹配不同类型的测量仪器；而利用本发明可以根据实际使用的不同电极数量的液体电导率传感器自行搭建信号处理电路，满足教学实验和科研实践的多样性使用需求。
附图说明
图1为本发明的液体多电极电导率数据采集装置的示意图。
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，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。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。
一种多电极液体电导率传感器数据采集装置：
所述采集装置包括信号发生器模块A、压控电流源模块B、多电极电导率传感器、多通道数据采集模块C和控制解算模块D；
所述信号发生器模块A具有数字接口1，接收控制解算模块D接口4输出的控制命令，根据控制命令，由接口2输出生成波形和频率可调的交流电压信号；
所述压控电流源模块B的接口3接收信号发生器模块A输出的交流电压信号变换为交流电流信号并通过接口5输出，所述交流电流信号作为多电极电导率传感器的激励输入信号；
所述多电极电导率传感器放在被测液体中时，由于被测液体里的离子导电特性，各电极对之间的被测液体形成导电体；
当激励电流流过多电极电导率传感器时，由于被测液体的电导作用，多电极电导率传感器各电极对之间会产生差分电压信号；这些差分电压信号与被测液体的电导率、电极之间距离、电导池的截面积和激励电流大小有关；
所述多通道数据采集模块C包括多通道差分信号测量电路8和9，用于测量电导率传感器的电极对之间电压信号，多通道数据采集模块C将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出到接口10；
所述控制解算模块D的数字接口4向信号发生器模块A发送波形控制参数，控制解算模块D具的数字接口7接收多通道数据采集模块C的数字信号并计算电导率。
一种多电极液体电导率传感器数据采集装置的电导率测量方法：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，信号发生器模块A生成波形和频率可调的交流电压信号；
步骤2，压控电流源模块B接收步骤1输出的交流电压信号并变换为交流电流信号，将其作为多电极电导率传感器的激励输入信号；
步骤3，多通道数据采集模块C采集多电极电导率传感器的激励输入信号，将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出；
步骤4，控制解算模块D接收步骤3的数字信号，通过步骤2输出的电流值除以各电极对之间的电压值得到多个电极对之间的电导值，用最小二乘法拟合出被测液体的电导率。
得出电导率值后，控制解算模块D将数据存储在内部存储器中，并可以通过通信接口将数据发送到外部设备，以便进一步分析或显示。
多电极电导率传感器放在被测液体中时，由于被测液体里的离子导电特性，各电极对之间的被测液体形成导电体；这些导电体的电导可以定义为
G＝1/R＝(1/ρ)×A/l＝K×(1/J)
其中，ρ是电阻率，K＝(1/ρ)是电导率，J＝l/A是电极常数；电导率的基本单位是西门子/米(S/m)；
在步骤4中，所述压控电流源模块输出的激励电流的有效值为I；
在激励电流从多电极电导率传感器的一端电极输入，从传感器另一端电极流出；根据电路原理，流过传感器两端电极之间的电流处处相等，各电极对之间的电势差与电极对之间被测液体形成的电导体有关；将各电极对之间的电势差输入到多通道数据采集模块C的差分电压信号测量通道，得到多个电压值Ui，
所以，各电极对之间的被测液体形成导电体的电导值Gi，
Gi＝I/Ui＝＝Ki×(1/Ji)
其中，Ki＝是电极对之间待测液体电导率，Ji＝l/Ai是电极对之间电极常数，i与多电极电导率传感器的电极对数有关；
进而可以得到，
Ki＝I×Ji/Ui
由于电导池结构设计和极化效应等原因，计算得到的电极对之间待测液体电导率Ki与待测液体的真实电导率K存在误差；利用最小二乘法从多个Ki值中得到待测液体电导率的最优估计值。
在执行本发明的方法之前，还应该在已知电导率的标准溶液运行装置，以进行前期校准；
因为电导率和温度有关，所以实际应用中还应对电导率进行温度校准，以适配于特定的应用需求；
同时还应做到无菌实验，以避免液体的成分发生变化。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器read only memory，ROM、可编程只读存储器programmable ROM，PROM、可擦除可编程只读存储器erasablePROM，EPROM、电可擦除可编程只读存储器electrically EPROM，EEPROM或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器random access memory，RAM，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器static RAM，SRAM、动态随机存取存储器dynamic RAM，DRAM、同步动态随机存取存储器synchronous DRAM，SDRAM、双倍数据速率同步动态随机存取存储器doubledata rate SDRAM，DDR SDRAM、增强型同步动态随机存取存储器enhanced SDRAM，ESDRAM、同步连接动态随机存取存储器synchlinkDRAM，SLDRAM和直接内存总线随机存取存储器direct rambus RAM，DR RAM。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线例如同轴电缆、光纤、数字用户线digital subscriber line，DSL或无线例如红外、无线、微波等方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质例如，软盘、硬盘、磁带、光介质例如，高密度数字视频光盘digital video disc，DVD、或者半导体介质例如，固态硬盘solid state disc，SSD等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种多电极液体电导率传感器数据采集装置及电导率测量方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种多电极液体电导率传感器数据采集装置，其特征在于：
所述采集装置包括信号发生器模块A、压控电流源模块B、多电极电导率传感器、多通道数据采集模块C和控制解算模块D；
所述信号发生器模块A具有数字接口，根据控制解算模块D的控制命令生成波形和频率可调的交流电压信号；
所述压控电流源模块B接收信号发生器模块A输出的交流电压信号变换为交流电流信号，所述交流电流信号作为多电极电导率传感器的激励输入信号；
所述多电极电导率传感器放在被测液体中时，由于被测液体里的离子导电特性，各电极对之间的被测液体形成导电体；
所述多通道数据采集模块C包括多通道差分信号测量电路，用于测量电导率传感器的电极对之间电压信号，多通道数据采集模块C将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出；
所述控制解算模块D向信号发生器模块A发送波形控制参数，控制解算模块D具有数字接口，接收多通道数据采集模块C的数字信号并计算电导率。
2.一种多电极液体电导率传感器数据采集装置的电导率测量方法，其特征在于：
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，信号发生器模块A生成波形和频率可调的交流电压信号；
步骤2，压控电流源模块B接收步骤1输出的交流电压信号并变换为交流电流信号，将其作为多电极电导率传感器的激励输入信号；
步骤3，多通道数据采集模块C采集多电极电导率传感器的激励输入信号，将各通道的差分电压信号转换为数字信号输出；
步骤4，控制解算模块D接收步骤3的数字信号，通过步骤2输出的电流值除以各电极对之间的电压值得到多个电极对之间的电导值，用最小二乘法拟合出被测液体的电导率。
3.根据权利要求2所述的电导率测量方法，其特征在于：
多电极电导率传感器放在被测液体中时，由于被测液体里的离子导电特性，各电极对之间的被测液体形成导电体；这些导电体的电导可以定义为
G＝1/R＝(1/ρ)×A/l＝K×(1/J)
其中，ρ是电阻率，K＝(1/ρ)是电导率，J＝l/A是电极常数；电导率的基本单位是西门子/米(S/m)。
4.根据权利要求3所述的电导率测量方法，其特征在于：在步骤4中，
所述压控电流源模块输出的激励电流的有效值为I；
在激励电流从多电极电导率传感器的一端电极输入，从传感器另一端电极流出；将各电极对之间的电势差输入到多通道数据采集模块C的差分电压信号测量通道，得到多个电压值Ui，
所以，各电极对之间的被测液体形成导电体的电导值Gi，
Gi＝I/Ui＝＝Ki×(1/Ji)
其中，Ki＝是电极对之间待测液体电导率，Ji＝l/Ai是电极对之间电极常数，i与多电极电导率传感器的电极对数有关；
进而可以得到，
Ki＝I×Ji/Ui
由于电导池结构设计和极化效应等原因，计算得到的电极对之间待测液体电导率Ki与待测液体的真实电导率K存在误差；利用最小二乘法从多个Ki值中得到待测液体电导率的最优估计值。
5.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至4中任意一项所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求2至4中任意一项所述方法的步骤。
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