CN117647678A - 用于使用四电极设备进行液体阻抗测量的方法和设备 - Google Patents

用于使用四电极设备进行液体阻抗测量的方法和设备 Download PDF

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CN117647678A CN202311130439.1A CN202311130439A CN117647678A CN 117647678 A CN117647678 A CN 117647678A CN 202311130439 A CN202311130439 A CN 202311130439A CN 117647678 A CN117647678 A CN 117647678A
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Abstract

提供了一种用于使用四电极设备进行液体阻抗测量的方法(100)，该四电极设备包括电极结构(210)。方法(100)包括在所述电极结构的第一外电极(202)和第二外电极(204)上施加(10)正弦电压信号并对该电极结构执行电流和电压测量。方法(100)进一步包括在参考阻抗(220)上施加(20)所述正弦电压信号并对该参考阻抗执行电流和电压测量。方法(100)进一步包括基于这些测量的子集计算所述第一外电极(202)与所述第二外电极(204)之间的外阻抗。方法(100)进一步包括基于这些测量的子集计算(40)所述第一内电极(206)与所述第二内电极(208)之间的内阻抗，其中，内阻抗表示液体阻抗。还提供了一种用于执行方法(100)的四电极设备(200)。

Description

用于使用四电极设备进行液体阻抗测量的方法和设备
技术领域
本发明构思涉及一种用于使用四电极设备测量液体阻抗的方法和设备。
背景技术
例如水等液体的阻抗可以提供其污染、盐度等信息，因为溶解的盐或其他类型的离子通常会影响水的电气特性。测量水的电导率通常涉及测量暴露在水中的一对电极之间的阻抗，其中，阻抗与电导率的倒数成比例。现有技术中已知的是使用两个或四个电极的阻抗测量技术。然而，这种适合在现场条件下使用的技术准确度低，而使用这种技术对液体进行准确的阻抗测量通常需要实验室条件。因此，需要一种用于在现场条件下进行两电极或四电极液体阻抗测量的改进方法。
发明内容
本发明构思的目的是提供一种用于在现场条件下进行液体阻抗测量的改进方法。
根据第一方面，提供了一种用于使用包括电极结构的四电极设备进行液体阻抗测量的方法。该方法包括在所述电极结构的第一外电极和第二外电极上施加正弦电压信号并执行第一组测量，该第一组测量包括：测量与通过所述第一外电极和所述第二外电极的电流成比例的值；测量与所述第一外电极和所述第二外电极上的电压降成比例的值；以及测量与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的电压降成比例的值。该方法进一步包括在参考阻抗上施加所述正弦电压信号并执行第二组测量，该第二组测量包括：测量与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；以及测量与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值。该方法进一步包括基于以下各项计算所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：所述参考阻抗；与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值；以及与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值。该方法进一步包括基于以下各项计算所述第一内电极与所述第二内电极之间的内阻抗：所计算的外阻抗；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；以及与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
电极结构可以浸没在液体中，以对液体进行阻抗测量。因此，结果是正弦电压信号可以施加在存在于第一外电极与第二外电极之间的液体上，通过第一外电极和第二外电极的电流可以是通过存在于第一外电极与第二外电极之间的液体的电流，第一外电极与第二外电极之间的电压降可以是通过存在于第一外电极与第二外电极之间的液体的电压降，外阻抗可以是存在于第一外电极与第二外电极之间的液体的阻抗，并且内阻抗可以是存在于第一内电极与第二内电极之间的液体的阻抗。如果要测量的液体与相对低的阻抗相关联，即，即使液体的测量阻抗与四电极设备的内部阻抗大小相当，该方法也可以促进准确地测量液体阻抗。在施加和/或放大正弦电压信号时，这样的内部阻抗可能会不期望地存在，从而导致测量量失真，因为例如在对低阻抗液体进行阻抗测量时，内部阻抗上可能存在明显的电压降。通过对四电极结构和参考阻抗的上述测量步骤，该方法可以考虑到这种内部阻抗，从而提高四电极设备的液体阻抗测量准确度。因此，该方法可能适合于在液体为要测量的水(确定水质为饮用水)的情况。这种水可能含有离子、盐等，这些离子、盐等可能会显著增加水的电导率，从而降低测量的阻抗。因此，该方法可以促进基于水的阻抗来准确地确定水质。与通常需要更临床的环境进行准确的液体阻抗测量的传统准确液体阻抗方法相比，四电极设备可以进一步适合在现场条件下使用，所需的维护和电力最少。
第一外电极和第二外电极负责电流注入，而其余的电极(即，第一内电极和第二内电极)被配置用于测量其间的电压。实际上，由于流经内电极的电流很小，因此这些电极上会存在有限量的电化学反应，比如电镀、腐蚀。这种电化学反应可能会影响电极的有效测量面积。因此，所提出的方法可以促进减少这种电化学反应，从而提高内电极之间测量电压准确度，进而提高阻抗。进一步地，四电极结构可以减少电极-电解质现象的影响。
贯穿本披露内容，对例如外阻抗和内阻抗的计算可以使用等式来披露。自然，对应的计算可以使用相应的等式来执行。然而，如技术人员将很容易认识到的，这种计算可以采用若干种不同的数学等价方式(例如，以不同的阶或类似方式)来执行。对应的计算通过相应的等式被描述为“可表示”应当被理解为涵盖了这种数学等价运算。
根据实施例，处理器或电路被配置为：计算所述外阻抗，如可表示为：
并且计算所述内阻抗，如可表示为：
其中，ZT为所述外阻抗，Zi为所述内阻抗，Zr为所述参考阻抗，～Ir为与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，～Vo为与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，～Vr为与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，～Is为与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，并且～Vi为与所述电极结构的所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
因此，促进了对内阻抗的直接计算，这可以降低四电极设备的功耗，从而促进该四电极设备在现场条件下使用的质量。
在上面的量和下面的量中的一些量前面的波浪号～表示“与......成比例”。因此，～X应当被理解为与X成比例的值，即，X乘以比例常数。
根据实施例，每一次所述施加所述正弦电压信号包括由数模转换器DAC施加所述正弦电压信号。
DAC可以提供具有明确定义的幅度、频率和相位的正弦电压信号，从而促进所测量/计算的液体阻抗的准确度。正弦电压信号可以由功率缓冲器(下文将进一步讨论)放大，该功率缓冲器中可能存在内部阻抗，该方法在确定液体阻抗时会考虑到该内部阻抗。
根据实施例，每一次所述测量包括由模数转换器ADC进行转换。ADC可以促进对测量数据的进一步分析。
根据实施例，每一次所述测量包括记录时间序列。
优选地，每个时间序列包括一个或多个周期的数据以形成(截断的)正弦函数以供进一步分析，这可能会促进该方法的准确度。
根据实施例，每一次所述测量进一步包括对所记录的时间序列应用离散傅里叶变换DFT。
DFT可以促进在计算上高效的方法以进一步分析所记录的(正弦)时间序列。
根据实施例，所述应用所述离散傅里叶变换包括将每个所记录的时间序列转换为对应的频谱，并且所述测量进一步包括：确定所述频谱的主导频率仓；以及根据所述主导频率仓确定测量值。这是在所记录的时间序列中去除的噪音或其他伪像的特别高效的方法。
根据第二方面，提供了一种用于液体阻抗测量的四电极设备。四电极设备包括电极结构，该电极结构包括第一外电极、第二外电极、第一内电极以及第二内电极。四电极设备进一步包括参考阻抗和信号发生器，该信号发生器被配置为生成正弦电压信号，其中，所述四电极设备被配置为测量：与通过所述第一外电极和所述第二外电极的电流成比例的值；与所述第一外电极和所述第二外电极上的电压降成比例的值；与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的电压降成比例的值；与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；以及与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值。四电极设备进一步包括处理器或电路，该处理器或电路被配置为基于以下各项计算所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：所述参考阻抗；与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值；以及与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值。四电极设备基于以下各项进一步包括所述第一内电极与所述第二内电极之间的内阻抗：所计算的外阻抗；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；以及与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
此方面总体上可以呈现与前一方面相同或对应的优点。与第一方面相关的上述特征在适用时也应用于此第二方面。
根据实施例，所述处理器或电路被配置为计算所述外阻抗，如可表示为：
并且计算所述内阻抗，如可表示为：
其中，ZT为所述外阻抗，Zi为所述内阻抗，Zr为所述参考阻抗，～Ir为与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，～Vo为与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，～Vr为与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，～Is为与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，并且～Vi为与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
根据实施例，四电极设备进一步包括第一开关和第二开关，该第一开关和该第二开关被配置为在生成所述正弦电压信号时，在跨所述电极结构与跨所述参考阻抗之间切换所述正弦电压信号能够穿越的路径。因此，第一开关和第二开关可以被布置为使得当正弦电压信号穿越电极结构时，参考阻抗与电极结构电解耦，并且反之亦然。这是使用单个电压源来测量不同部件的电气特性的特别有能效的方法。
根据实施例，该信号发生器包括数模转换器DAC。
根据实施例，四电极设备进一步包括：第一模数转换器ADC，该第一ADC被配置为测量与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值和与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；第二ADC，该第二ADC被配置为测量与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值；以及第三ADC，该第三ADC被配置为测量与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值和与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值。
根据实施例，四电极设备进一步包括第三开关和第四开关，该第三开关和该第四开关被布置为选择性地连接所述第一ADC。第三开关和第四开关可以是所谓的开-关类型。因此，当这些开关被设置为“关”模式时，第一ADC与四电极设备的其余电路电解耦。当开关被设置为开模式时，可以获取并记录有关外电极上或参考阻抗两端的电压降的数据。
根据实施例，处理器或电路进一步被配置为记录与以下各项中的每一项相关的时间序列：与所述第一外电极和该第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值；以及与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值。
根据实施例，该处理器或电路进一步被配置为对每个所记录的时间序列应用离散傅里叶变换DFT。
附图说明
参考附图，通过以下说明性且非限制性的详细描述，将更好地理解本发明构思的上述以及附加的目的、特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相似的附图标记将用于相似的元件。
图1示出了用于使用包括电极结构的四电极设备进行液体阻抗测量的方法的流程图。
图2A示意性地示出了用于液体阻抗测量的四电极设备。
图2B示意性地示出了四电极设备的电极结构。
具体实施方式
图1示出了用于使用包括电极结构210的四电极设备进行液体阻抗测量的方法100的流程图。示出了四电极设备的图2A和图2B可以有利地结合以下对图1的描述来查看。
作为该方法的一部分，四电极设备或至少电极结构可以浸没到要测量其阻抗的液体中。
方法100包括在所述电极结构210的第一外电极202和第二外电极204上施加10正弦电压信号并执行第一组测量12、14、16。正弦电压信号允许对电气部件进行如下所述的测量。第一组测量12、14、16包括：测量12与通过所述第一外电极202和所述第二外电极204的电流成比例的值；测量14与所述第一外电极202和所述第二外电极204上的电压降成比例的值；以及测量16与所述电极结构210的第一内电极206和第二内电极208上的电压降成比例的值。
方法100进一步包括在参考阻抗220上施加20所述正弦电压信号并执行第二组测量22、24。执行第二组测量22、24包括：测量22与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；以及测量24与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值。
参考阻抗220可以是具有已知阻抗的任何合适的部件，这可能取决于施加在该部件上的电压。举例来说，参考阻抗220可以是具有已知电阻的普通电阻器。可替代地，参考阻抗220可以是电容器、或电感器、或其组合。
方法100进一步包括基于以下各项计算30所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：所述参考阻抗220；与通过所述第一外电极202和所述第二外电极204的所述电流成比例的所述值；与所述第一外电极202和所述第二外电极204上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述参考阻抗220的所述电流成比例的所述值；以及与所述参考阻抗220两端的所述电压降成比例的所述值。
方法100进一步包括基于以下各项计算40所述第一内电极206与所述第二内电极208之间的内阻抗：所计算的外阻抗；与所述第一外电极202和所述第二外电极204的所述电压降成比例的所述值；以及与所述第一内电极206和所述第二内电极208上的所述电压降成比例的所述值。因此，该方法可以包括五次不同的测量12、14、16、22、24，这些测量可以是时间序列测量，用于确定第一内电极206与第二内电极208之间的阻抗，即，确定液体存在于第一电极206与第二电极208之间的阻抗。
第一内电极206与第二内电极208之间的测量阻抗指示溶解于水中的电载流子(离子)的数量。然而，如果施加的电压相对较高，则水本身也会产生离子。因此，水性溶液的阻抗一般不是线性的，并且超过某个潜在阈值时，水可能会解离并产生附加的载流子。因此，期望的是，控制施加的电压(外电极202、204之间)以防止反应失控。
对外阻抗的计算30可以表示为：
并且对所述内阻抗的计算40可以表示为：
其中，ZT为所述外阻抗，Zi为所述内阻抗，Zr为所述参考阻抗220，～Ir为与通过所述参考阻抗220的所述电流成比例的所述值，～Vo为与所述第一外电极202和所述第二外电极204上的所述电压降成比例的所述值，～Vr为与所述参考阻抗220两端的所述电压降成比例的所述值，～Is为与通过所述第一外电极202和所述第二外电极204的所述电流成比例的所述值，并且～Vi为与所述电极结构210的所述第一内电极206和所述第二内电极208的所述电压降成比例的所述值。
如上文所述，在上面的量和下面的量中的一些量前面的波浪号～表示“与......成比例”。因此，～X应当被理解为与X成比例的值，即，X乘以比例常数。进一步地，不同的量可以与不同的这种比例常数相关联。
相应的比例常数可以根据相应计算的需要进行调整，如技术人员通常所知的。
特别地，作为示例，～Vi和～Vo可以使用不同的差分放大器来测量。因此，这两个量可能与不同的增益相关联。因此，在应用用于获得Zi的上述公式之前，如已知的或例如在校准程序期间测得的，相应差分放大器的增益可以在这两个量之间进行均衡，即，使得比率中的这两个量具有相同的比例常数。上文同样可以适用于本文讨论的其他量，使得特定比率(即，公式中包括的用于计算Zi和/或ZT的比率)中的相关量具有相似的比例常数。特定比率中的不同比例常数可以在计算特定比率值之前或之后进行均衡，如技术人员很容易理解的。
施加10、20正弦电压信号可以包括由数模转换器DAC 230施加正弦电压信号。正弦电压信号可以由功率缓冲器235放大。功率缓冲器与内部阻抗236相关联。该内部阻抗236是由功率缓冲器235中存在的电气部件不期望地引起的，该内部阻抗在图2中的功率缓冲器235外部示意性地示出为框236。内部阻抗236可能会导致电极结构210或参考阻抗220上的阻抗测量出现明显失真，并且可能会导致阻抗测量不准确。这对于对导电性相对较强的液体(比如与高盐度相关联的水或被其他类型的离子污染的水)进行阻抗测量尤其如此。这是因为内部阻抗236上还会出现明显的电压降，从而导致所涉及的其他电气部件上出现错误的电压降。方法100可以例如通过在参考阻抗220上执行上述测量来减少或基本消除这种不准确的阻抗测量。
每次测量12、14、16、22、24可以包括由模数转换器ADC 240、250、260进行转换。第一ADC 240可以被配置为测量～Vo和～Vr。第二ADC 250可以被配置为测量～Vi。第三ADC260可以被配置为测量～Is和～Ir。
第一ADC 240、第二ADC 250和第三ADC 260可以分别对应于第一ADC通道、第二ADC通道和第三ADC通道。
第一差分放大器245可以电连接到第一ADC 240。第一差分放大器245可以记录在第一外电极202和第二外电极204上或在参考阻抗220上检测到的电压信号，并且对这些信号进行放大并将其转发到第一ADC 240。第一差分放大器245可以与第一增益相关联。因此，第一增益的大小可以为特定测量值设定特定比例常数。因此，如果在两次测量14、24期间都使用相似的增益进行测量，则～Vo和～Vr可以与相似的比例常数相关联。
第二差分放大器255可以电连接到第二ADC 250。第二差分放大器255可以记录从第一内电极206和第二内电极208输入的电压信号，并且对这些信号进行放大并将其转发到第二ADC 250。第二差分放大器255可以与第二增益相关联。第二增益不一定必须等于第一增益。因此，在测量期间，第一差分放大器245和第二差分放大器255可以与不同的增益相关联。在应用用于获得Zi的上述公式之前，可以对第一增益和第二增益进行均衡，即，使得比率中的这两个量具有相同的比例常数。上文同样可以适用于本文讨论的其他量，使得特定比率(即，公式中包括的用于计算Zi和/或ZT的比率)中的相关量具有相似的比例常数。特定比率中的不同比例常数可以在计算特定比率值之前或之后进行均衡，如技术人员很容易理解的。
跨阻放大器TIA 265可以电连接到第三ADC 260，以转换源自电极结构210或参考阻抗220的电流。因此，TIA 265可以实现通过第三ADC 260来测量～Is和～Ir。
每一次测量12、14、16、22、24可以包括记录时间序列。由于施加了正弦电压信号，因此，相应测量12、14、16、22、24的时间序列具有正弦特征。因此，优选地，测量值～Vo、～Vr、～Vi、～Is和～Ir可以以至少是所施加正弦电压信号频率的两倍的频率进行采样，以便记录测量值的时间序列。可以记录每个时间序列的多个周期。这是为了实现进一步的频率分析和可能的降噪/除噪(下文将进一步讨论)。
每一次测量12、14、16、22、24可以进一步包括对所记录的时间序列应用离散傅里叶变换DFT。应用离散傅里叶变换可以包括将每个所记录的时间序列转换为对应的频谱。因此，测量可以进一步包括：确定所述频谱的主导频率仓，以及根据所述主导频率仓确定测量值。因此，可以通过DFT分析确定单个频率或至少确定与主导频率仓相对应的相对较窄的频带。在实际情况中，和根据主导频率仓的测量值相关的傅里叶系数与其余频率仓的任何其他傅里叶系数相比，其大小可能相对较大。在将(经修改的)频谱变换回时域之前，可以将其他傅里叶系数设为零，或至少减小其大小。这是因为可以预期所记录的时间序列的正弦特征与和所确定的主导频率相对应的频率相关联。因此，可以抑制噪声或其他测量伪像，然后再对相应时间序列进行进一步分析。
DFT分析可以输出多个值，比如十个值；每个时间序列的大小和相位，使得与特定时间有关的量A可以表示为A＝|A|ej(ωt-θ)，其中，|A|为A的幅度的绝对值，θ为A的相移，并且ω为A的角频率。在执行DFT分析之后，所考虑的单个(角度)频率可以允许直接计算上述等式中的整体相移θ。通常，所记录的不同时间序列之间的相移彼此间可能不同。
可替代地，可以使用除DFT以外的算法(例如，格策尔(Goertzel)算法)来进行频率分析。
图2A示出了用于液体阻抗测量的四电极设备200。四电极设备200包括电极结构210，该电极结构包括第一外电极202、第二外电极204、第一内电极206以及第二内电极208。四电极设备200进一步包括参考阻抗210和信号发生器230，该信号发生器被配置为生成正弦电压信号。
图2B示意性地示出了四电极设备200的电极结构210。电极202、204、206、208可以是金属的，并且基本上相互平行。一对电极(即，第一外电极202和第二外电极204)负责电流注入，而其余一对(即，第一内电极206和第二内电极208)是电压测量电极。
四电极设备200或至少电极结构210可以被配置为浸没在要测量其阻抗的液体中。四电极设备200被配置为测量：与通过所述第一外电极202和所述第二外电极204的电流成比例的值；与所述第一外电极202和所述第二外电极204上的电压降成比例的值；与所述电极结构210的第一内电极206和第二内电极208上的电压降成比例的值；与通过所述参考阻抗210的电流成比例的值；以及与所述参考阻抗210两端的电压降成比例的值。
四电极设备200进一步包括处理器或电路，该处理器或电路被配置为基于以下各项计算所述第一外电极202与所述第二外电极204之间的外阻抗：所述参考阻抗210；与通过所述第一外电极202和所述第二外电极204的所述电流成比例的所述值；与所述第一外电极202和所述第二外电极204上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述参考阻抗210的所述电流成比例的所述值；以及与所述参考阻抗210两端的所述电压降成比例的所述值。该处理器或电路进一步被配置为基于以下各项计算所述第一内电极206与所述第二内电极208之间的内阻抗：所计算的外阻抗；与所述第一外电极202和所述第二外电极204的所述电压降成比例的所述值；以及与所述第一内电极206和所述第二内电极208上的所述电压降成比例的所述值。
特别地，参考图2A，四电极设备200可以包括处理器290。处理器290可以被配置为控制四电极设备200的电路部件。特别地，处理器290可以被配置为控制例如第一开关280、第二开关282、第三开关284、第四开关286、第一差分放大器245、第二差分放大器255、跨阻放大器TIA265、信号发生器230、第一模数转换器ADC 240、第二ADC 250和/或第三ADC 260。处理器290可以控制相应部件来执行所披露的方法。
处理器290(也可称为处理单元290)可以被实施为通用处理单元和/或通用处理器。然而，可替代地，处理器290可以被实施为例如布置在嵌入式系统中的固件，或者被实施为专门设计的处理单元，比如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。
进一步地，可以提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读指令，使得计算机程序产品当在处理器290上执行时将使得处理器控制四电极设备200来执行所披露的方法。
上文和下文披露的与四电极设备200有关的特征中的一些特征已经结合方法100进行了讨论并将其作为参考。
四电极设备200可以在适用于现场条件的设备中实施。因此，在这种设备中可以存在适当的密封件和其他耐候保护装置。电极结构210可以至少部分地可浸入要进行阻抗测量的液体环境250中。因此，在四电极设备200执行阻抗测量时，四电极结构210至少部分地浸入液体环境250中。因此，这四个电极202、204、206、208形成三个中间区域R1、R2、R3，其中，相应区域与特定阻抗相关联。具体地，第一内电极206与第二内电极208之间的区域R1与所考虑的液体阻抗Zi相关联。
进一步地，四电极设备200可以被配置为经由无线或有线方式监测正在进行的测量，从而提供对例如偏远地区的水质的监测。
处理器或电路可以被配置为计算所述外阻抗，如可表示为如下等式：
并且计算所述内阻抗，如可表示为如下等式：
其中，ZT为所述外阻抗，Zi为所述内阻抗，Zr为所述参考阻抗220，～Ir为与通过所述参考阻抗220的所述电流成比例的所述值，～Vo为与所述第一外电极202和所述第二外电极204上的所述电压降成比例的所述值，～Vr为与所述参考阻抗220两端的所述电压降成比例的所述值，～Is为与通过所述第一外电极202和所述第二外电极204的所述电流成比例的所述值，并且～Vi为与所述电极结构210的第一内电极206和第二内电极208的所述电压降成比例的所述值。
相应的比例常数可以根据相应计算的需要进行调整，如技术人员通常所知的。
特别地，作为示例，Vi和Vo可以使用不同的差分放大器来测量。因此，这两个量可能与不同的增益相关联。因此，在应用用于获得Zi的上述公式之前，如已知的或例如在校准程序期间测得的，相应差分放大器的增益可以在这两个量之间进行均衡，即，使得比率中的这两个量具有相同的比例常数。
四电极设备200可以进一步包括第一开关280和第二开关282，该第一开关和该和第二开关被配置为在生成所述正弦电压信号时，在跨所述电极结构210与跨所述参考阻抗220之间切换所述正弦电压信号可穿越的路径。也就是说，当第一开关280和第二开关282两者均处于位置A时，可以执行跨电极结构210的测量，而当第一开关280和第二开关282处于位置B时，可以执行跨参考阻抗220的测量。
信号发生器230可以包括数模转换器DAC。
四电极设备200可以包括第一模数转换器ADC 240、第二ADC 250和第三ADC 260。第一ADC 240可以被配置为测量～Vo和～Vr。第二ADC 250可以被配置为测量～Vi。第三ADC260可以被配置为测量～Is和～Ir。
第一ADC 240、第二ADC 250和第三ADC 260可以分别对应于第一ADC通道、第二ADC通道和第三ADC通道。
四电极设备200可以进一步包括第三开关284和第四开关286，该第三开关和该第四开关被布置为选择性地连接所述第一ADC 240。当第三开关284和第四开关286处于位置C时，第一ADC 240的连接由此建立。
处理器或电路可以进一步被配置为记录与～Vo、～Vr、～Vi、～Is和～Ir中的每一项相关的时间序列。
处理器或电路可以进一步被配置为对每个所记录的时间序列应用离散傅里叶变换DFT。
在上文中，已经主要参考有限数量的示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易了解的，在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内，除以上披露的示例之外的其他示例同样是可能的。

Claims (16)

1.一种用于使用四电极设备进行液体阻抗测量的方法，该四电极设备包括电极结构，该方法包括：
在所述电极结构的第一外电极和第二外电极上施加正弦电压信号并执行第一组测量，该第一组测量包括：
测量与通过所述第一外电极和所述第二外电极的电流成比例的值；
测量与所述第一外电极和所述第二外电极上的电压降成比例的值；
测量与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的电压降成比例的值；
在参考阻抗上施加所述正弦电压信号并执行第二组测量，该第二组测量包括：
测量与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；
测量与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值；
基于以下各项计算所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：
所述参考阻抗，
与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，
与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，
与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，以及
与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；并且
基于以下各项计算所述第一内电极与所述第二内电极之间的内阻抗：
所计算的外阻抗，
与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，以及
与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算所述外阻抗被表示为：
并且所述计算所述内阻抗被表示为：
其中，
ZT为所述外阻抗，
Zi为所述内阻抗，
Zr为所述参考阻抗，
～Ir为与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，
～Vo为与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，
～Vr为与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，
～Is为与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，并且
～Vi为与所述电极结构的所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，每一次所述施加所述正弦电压信号包括由数模转换器DAC施加所述正弦电压信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，每一次所述测量包括由模数转换器ADC进行转换。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，每一次所述测量包括记录时间序列。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，每一次所述测量进一步包括对所记录的时间序列应用离散傅里叶变换DFT。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述应用所述离散傅里叶变换包括将每个所记录的时间序列转换为对应的频谱，并且所述测量进一步包括：
确定所述频谱的主导频率仓，并且
根据所述主导频率仓确定测量值。
8.一种用于液体阻抗测量的四电极设备，所述四电极设备包括：
电极结构，该电极结构包括：
第一外电极；
第二外电极；
第一内电极；以及
第二内电极；
参考阻抗；以及
信号发生器，该信号发生器被配置为生成正弦电压信号，
其中，所述四电极设备被配置为测量：
与通过所述第一外电极和所述第二外电极的电流成比例的值；
与所述第一外电极和所述第二外电极上的电压降成比例的值；
与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的电压降成比例的值；
与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；以及
与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值，并且
其中，该四电极设备进一步包括：
处理器或电路，该处理器或电路被配置为：
基于以下各项计算所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：
所述参考阻抗，
与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，
与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，
与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，以及
与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；并且
基于以下各项计算所述第一内电极与所述第二内电极之间的内阻抗：
所计算的外阻抗，
与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，以及
与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
9.根据权利要求8所述的四电极设备，其中，所述处理器或电路被配置为计算所述外阻抗，如表示为：
并且计算所述内阻抗，如表示为：
其中，
ZT为所述外阻抗，
Zi为所述内阻抗，
Zr为所述参考阻抗，
～Ir为与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，
～Vo为与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，
～Vr为与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，
～Is为与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，并且
～Vi为与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。
10.根据权利要求8所述的四电极设备，进一步包括：
第一开关和第二开关，该第一开关和该第二开关被配置为在生成所述正弦电压信号时，在跨所述电极结构与跨所述参考阻抗之间切换所述正弦电压信号可穿越的路径。
11.根据权利要求8所述的四电极设备，其中，所述信号发生器包括数模转换器DAC。
12.根据权利要求8所述的四电极设备，进一步包括：
第一模数转换器ADC，该第一ADC被配置为测量
与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，以及
与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；
第二ADC，该第二ADC被配置为测量
与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值；以及
第三ADC，该第三ADC被配置为测量
与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，以及
与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值。
13.根据权利要求12所述的四电极设备，进一步包括：
第三开关和第四开关，该第三开关和该第四开关被布置为选择性地连接所述第一ADC。
14.根据权利要求8所述的四电极设备，其中，所述处理器或电路进一步被配置为记录与以下各项中的每一项相关的时间序列：
与所述第一外电极和该第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，
与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，
与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值，
与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，以及
与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值。
15.根据权利要求14所述的四电极设备，其中，所述处理器或电路进一步被配置为对每个所记录的时间序列应用离散傅里叶变换DFT。
16.一种计算机程序产品，包括计算机可读指令，使得该计算机程序产品在处理器上执行时使得该处理器执行根据权利要求1所述的方法。
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