CN2261625Y - 一种电磁式酸碱浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种采用可变谐振式励磁方式和峰值检波技术的电磁式酸碱浓度检测装置，充分利用了检测变压器在LC并联谐振状态时输出电压最大的特性，在单片机的控制下，自动跟踪检测变压器的谐振频率变化趋势并及时调节励磁频率，使检测灵敏度大为提高，零点十分稳定。在水样入口处装有气水分离器，避免了水样中夹带气泡的影响，防磁防腐双重外壳使其能在铁磁性物质附近和腐蚀性气氛中正常使用，适合连续检测各种强电解质溶液浓度。

Description

一种电磁式酸碱浓度检测装置

本实用新型涉及到一种电磁式酸碱浓度检测装置，特别是涉及到工业自动化连续检测某些强电解质溶液，如强酸、强碱、盐类溶液浓度的检测装置。

公知的电磁式酸碱浓度检测装置，皆采用测试溶液的电导率的方法来间接测试溶液的浓度；即已知某种溶液在标准温度(通常为25℃)下，不同浓度时相对的电导率及其电导率随溶液温度变化的规律，建立一个标准的电导率——浓度曲线。对一个未知浓度的该种溶液，用某种方法测得该溶液的电导和温度，通过温度补偿运算，折算成在标准温度下的电导率，对照前述的标准曲线，换算为该溶液的浓度数值。

公知的电磁式酸碱浓度检测装置，主要有以下两种结构形式：

1、工频电磁式：由电导发送器和自动平衡仪表两部分组成，其中的电导发送器使用50Hz工频电压为装有环形铁芯的励磁变压器的励磁线圈励磁，由外部引入的被测水样在穿过励磁变压器环形铁芯的闭合的塑料空心腔体内形成闭合的导电的溶液环，该溶液环可等效为串有一个电阻的单匝环形线圈，溶液环内被励磁变压器诱导出一个50Hz的交变电流，该电流与被测溶液的电导成正比，这个环形塑料空心腔体(即溶液环)，还同时穿过另一个具有环形铁芯的检测变压器的铁心窗口，溶液环内的交变电流在检测变压器的线圈内感生一个与溶液电导成比例的交变电压，通过自动平衡显示仪表测量这个交变电压，在显示仪表的标尺上直接标注出对应的溶液浓度数值。这种结构因灵敏度低，精度差，调零困难，易受干扰，已基本被淘汰。

2、音频电磁式：由电导发送器和转换电路两部分组成，原理结构与工频电磁式相似，但是改用较高的固定频率(通常为8KHz)励磁，使用运算放大器或单片机测量检测变压器的感生交变电压和进行运算显示，灵敏度比工频电磁式有所提高，但是易受水样中夹带气泡对检测结果的影响，零点易变化而且调整零点很困难，外壳为耐蚀性很差的防磁铁壳(如国产CYN-1A～1C型)，在腐蚀性气氛的使用环境中很快被腐蚀损坏。如采用防腐塑壳(如国产CYN-9300型)，则不能防止使用环境中铁磁性物质对仪表零点的影响，常常造成零点过高、线性变差且不可调整，影响测量精度。

本实用新型旨在提供一种可克服公知电磁式酸碱浓度检测装置不足的新型检测装置，本实用新型采用了先进的可变谐振式励磁方式和峰值信号检测技术，灵敏度提高了几百倍，零点十分稳定；使用了内衬铁磁屏蔽的防磁防腐双重外壳，不受安装地点铁磁性物质对仪表零点的影响，在强腐蚀性气氛中可长期正常使用；在水样入口处加入气水分离器，避免了被测水样中夹带气泡的影响；使用单片机及其专用软件，进行精确的温度补偿和非线性补偿运算以及谐振状态的检测和自动频率调节。

本实用新型采用可变谐振式励磁方式的理由是：众所周知，LC并联谐振电路在谐振时呈现最大阻抗，输出电压最高，而公知的音频电磁式酸碱浓度检测装置的检测变压器，是在铁芯上绕线做成的一个高Q值的电感元件，其电感量与分布电容参数共同形成的谐振频率与励磁电源的固定频率相差甚远，所以检测变压器输出的电压信号较小。如果采用与检测变压器的谐振频率相同的励磁电源为励磁变压器励磁，在谐振状态下检测变压器输出的电压信号是非常大的。与公知的音频电磁式酸碱浓度检测装置的对照实验表明：在励磁电压仅为公知装置的1/2，检测变压器线圈匝数仅为公知装置的1/10，在测量5％的HCl溶液时，非谐振的公知装置检测变压器线圈输出电压为0.4V(峰峰值，下同)，而谐振状态下的本实用新型的检测变压器线圈输出电压可达12V以上，效果十分显著。但是采用与检测变压器的电感量与分布电容参数共同形成的谐振频率相同的固定频率的励磁电源为励磁变压器励磁也是不可取的，因为分布电容参数是可能变化的，例如检测变压器的输出电缆(分布电容参数的一部分)可能在安装时被剪短，更主要的是，被检测的溶液浓度或温度发生变化时，即相当于检测变压器的单匝线圈的溶液环的等效电阻发生变化时，检测变压器的电感量与Q值都会发生变化，谐振频率与输出电压也相应改变，必须采取有效措施使励磁电源的频率能够自动跟踪这种变化，才能保证检测装置的精度和稳定性。

本实用新型采用硬件与软件结合的方法，能够自动跟踪检测变压器的谐振频率的变化趋势，并及时改变励磁电源的频率，使检测变压器始终处于谐振状态。具体的方法为：

1、单片机直接输出或通过V/F转换电路间接输出一个频率高低变化的扫频信号电压为励磁变压器励磁，这个扫频信号的频率变化范围应覆盖检测变压器的谐振频率的变化范围，由峰值检波电路检出扫频周期内检测变压器输出的谐振电压的峰值。

2、单片机直接输出或通过V/F转换电路间接输出一个预定频率电压为励磁变压器励磁，同时由峰值检波电路检出检测变压器的输出电压和相位，单片机根据该电压的大小变化趋势和相位的变化对输出频率进行跟踪调整，直至输出电压最大。

3、上述两种方法的结合，即先用扫频信号找到谐振频率后再进行微调。

本实用新型在检测过程中，不断进行上述频率调整，使检测变压器的输出为被测溶液该浓度、温度下的最大值。

本实用新型由电磁式电导变送器和转换电路两大部分组成，它们分别安装在两个密闭外壳中，两者间由专用电缆连接，电导变送器将非电量的水样浓度按前述原理转变为可测量的电信号，由转换电路完成温度补偿运算和显示浓度数值，同时输出标准信号电流至远传显示仪表，转换电路还负责为电导变送器的励磁变压器提供励磁电流。

下面结合附图进行详细的说明。

附图1为电导变送器的示意图。安装有励磁变压器2和检测变压器3的空心塑料腔体1安装在铁磁材料制成的屏蔽外壳4中间，励磁变压器2和检测变压器3都是使用闭合的铁氧体磁芯绕上线圈制成的，空心塑料腔体1穿过励磁变压器2和检测变压器3的磁芯窗口后形成环形，通过实验在两个变压器之间，选择零点电压最小的一个相对角度和环形的空心塑料腔体一起加以封固。导电的被测水样充满环形空心塑料腔体后形成单匝线圈(如附图1中斜线部分所示)，参与励磁变压器和检测变压器之间的电磁耦合过程。屏蔽外壳4的外层还有防腐塑料外壳5，塑料外壳5有可密封的上盖(图中省略)，保证电导变送器处于良好密封状态，塑料外壳5上还装有水样进水接头6和排水接头7，用以接进水管和排水管。屏蔽外壳4中还装有气水分离器8，气水分离器8也是塑料制成，壳体为直立的园筒形，气水分离器的水样入口管10一端与水样进水接头6连接，另一端连接在气水分离器的壳体中部，但是偏离园筒形壳体的中心线，出口管11一端连接在气水分离器壳体的下部，另一端与电导变送器塑料腔体1的下部的入口连接，气水分离器的最高点装有排气管12，与塑料腔体1上部的出口管13通过三通14连接后接到排水接头7。温度传感元件9装在气水分离器下部的防腐套管内。使用时具有一定压力的水样经过入口管10进入气水分离器的园筒形壳体，沿壳体内壁产生旋转，质量较小的气泡被分离在壳体中央，和部分水样一起向上经排气管12和三通14从排水接头7排出，除掉气泡的水样由下部的出口管11送至电导变送器的环形空心塑料腔体，经出口管13和三通14从排水接头7排出。励磁变压器线圈、检测变压器线圈和温度传感器的引出线都通过一根多芯电缆15引出至转换电路部分。

附图2为转换电路部分的一个非限定性最佳实施例。

附图2中16为绕在检测变压器3上的检测线圈，它并接有比分布电容参数大得多的、专用的谐振电容17，运算放大器18、二极管19、20和电阻21、22构成的半波精密检波器，连接在单片机(CPU本实施例使用带有4路A/D输入的芯片，型号为8098)23的A/D输入端上，CPU的总线上接有锁存译码驱动器24(型号为CD4511)和数码显示单元25，还胺有专用多功能芯片26(本实施例采用PSD3××或PSD4××系列芯片)，提供锁存、ROM、GAL等操作功能，并将数据传输给D/A转换芯片27和运算放大器44，经接线端子45、46提供模拟量输出。温度传感器28(即附图1中的9)如使用频率输出型或电压输出型的，可直接连接在CPU上，如附图2中所示，如果用常规电流输出型(例如LM334或AD590)或电阻输出型的(例如Pt100)，则应增加相应的变换电路。

CPU的一个输出口上接有功率放大器29，它将CP输出的可变频率方波放大后经电容30耦合至绕在励磁变压器2上的励磁线圈31，电阻32、33用于调整放大器增益。整个电路通过接线端子34、35由直流24V电源供电，37为开关式稳压电源专用芯片MC34063，供给数字电路部分的+5V供电，它接有振荡电容43、电感38、续流二极管39和滤波电容40，以及采样电阻41、42。

本实施例的工作过程为：开机后，CPU输出一个频率，经放大后去激励励磁变压器2，在空心塑料腔体1内的被测水样内诱导出交变电流，这个交变电流在检测变压器3的检测线圈16上产生一个感生电势，经检波后送入CPU，CPU对这个感生电势的相位、幅度进行分析，再去修改输出频率，使感生电势为最大。同时，根据温度传感器28测得的溶液温度，进行温度补偿运算和非线性校正运算，算得的浓度数值通过译码驱动器24在数码显示单元25上显示出来，同时由D/A转换器27和运算放大器44转换为标准电流或电压输出，供远传显示。附图2中为电压输出方式，如果换成其它芯片，也可以用串行数字输出方式。

如果不采用CPU调整励磁频率，而是采用专用锁相环芯片(例如CD4046)来比较、输出一个可变频率，也能达到相同效果，但是不及本实施例电路简洁。

本实用新型将单片机软硬件技术与改进后的电磁式电导变送器结合起来，不仅具有良好的防腐防磁性能，还将感生电势增大上百倍，提高了分辨率和精度，零点稳定，同时消除了气泡干扰问题，为工业流程检测各种强电解质溶液浓度提供了一种理想的检测装置。

Claims (3)

1.一种电磁式酸碱浓度检测装置，其特征是：在铁磁材料制成的屏蔽外壳〔4〕和塑料外壳〔5〕构成的防磁防腐双重外壳中间，放置有由励磁变压器〔2〕和检测变压器〔3〕及穿过这两个变压器的磁芯窗口的环形的空心塑料腔体〔1〕构成的电导变送器，其中的励磁变压器〔2〕连接在可变频率励磁电源的功率放大器〔29〕上，采用可变谐振式励磁方式为励磁变压器励磁，空心塑料腔体〔1〕的水样入口连接在气水分离器〔8〕的出口管〔11〕上，气水分离器〔8〕的入口管〔10〕与水样进水接头〔6〕连接。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征是：可变频率励磁电源使用了单片机或专用锁相环芯片。

3.如权利要求1所述的检测装置，其特征是：电导变送器的励磁变压器〔2〕和检测变压器〔3〕都使用了闭合的铁氧体磁芯。

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