CN2681144Y - 基于双极性脉冲电流激励的电导/电压转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双极性脉冲电流激励的多电极电导/电压转换器。激励电流源为双向脉冲电流源，被测电阻R_X (电阻即为电导的倒数)为两个被测电极之间的电阻，在测量的时间间隔内，被测电阻可视为受到恒定直流电流源的激励，其两端的电位差满足欧姆定律，因此只要测量其电位差的改变就可以测得电导率的变化。本实用新型采用了双极性脉冲电流源作为电导数据采集传感器的激励源，激励源的改进直接导致了电导测量电路的结构简化，成本的降低。同时在电导测量电路中采取了一系列措施，如并行测量、采用高频屏蔽线传输等进一步提高系统数据采集速度和抗干扰性能。

Description

基于双极性脉冲电流激励的电导/电压转换器

                           技术领域

本实用新型涉及测量电变量，尤其涉及一种基于双极性脉冲电流激励的电导/电压转换器。

                           背景技术

工程电导测试技术作为直接或间接了解测试对象内在运动规律的手段，已广泛应用于科研、生产各领域中。尤其在研究含液物系时，这种检测手段是其它方法所无法取代的。电导测试技术在化工、生医、环保、水利、冶金、电力等方面有着非常广泛的应用。如气/液两相物系的各种化学反应过程监测，搅拌器中气/液混合过程；液/固两相物系的采矿、冶金中的选矿，矿石(渣)的液力输送；环保中的水质监测、污水处理和排放，水利工程的泥沙运动和治理，化工中的液固流化床等等。

电导测试技术用于实际含液物系参数测量目前存在的问题主要在于电导测试系统的数据采集速度仍有待提高，传统的电导测试系统为了削弱测试电极的极化效应，基本上都是采用的高频的正弦波作为激励源对电导数据采集传感器进行触发，这就不可避免地需要引入一系列的环节(如滤波)对交流信号进行处理，耗费了很多的数据采集时间，单位时间内获得的数据有限，其实时性不尽人意。

虽然现有的交流激励的电导测试系统对加快数据采集速度提出了很多改进和优化措施，如采用并行测量、改进滤波器的滤波时间等，但由于其设计原理的局限，数据采集速度的提升空间已经不大。针对这一问题，本系统采用了不同的设计原理，利用双向脉冲电流作为转换器的激励源，在测量的一段时间内，被测介质可以看作是受到了直流信号的激励，这样，一些传统的电导测量系统中耗时极大的环节就可以省略，同时系统还可采用了并行测量的方法，以较大地提高多电极测量数据的采集速度。

                            发明内容

本实用新型的目地是提供了一种基于双极性脉冲电流激励的多电极电导/电压转换器。

它的电路为：激励电流源I₁和I₂为双向脉冲电流源，其两端与被测阻抗相连，被测阻抗由C_X和R_S1、R_S2、R_X并联而成，C_X为被测电极间的耦合电容，R_S1，和R_S2为多通道选择器的导通电阻以及电极片与高频屏蔽线之间的接触电阻等。被测电阻R_X(电阻即为电导的倒数)为两个被测电极之间的电阻，其两端通过高频屏蔽线分别与R₁和R₃相连。电阻R₁、R₂和运放U₁，电阻R₃、R₄和运放U₂分别构成两个电压跟随器，被测电极对的两端电位分别通过两个电压跟随器传递到采样/保持器C₁和C₂进行采样保持。多向开关S₁、S₂、S₃、S₄的两端与电压跟随器和采样/保持器连接，控制着采样/保持的开闭。U₃和U₄为电压缓冲器，其输入分别与采样/保持器C₁和C₂的输出相连；接着，将电流激励源进行反向，同样这时的被测电阻R_X的两端电压再通过高频屏蔽线和电压跟随器分别送入两个采样保持器C₃和C₄进行采样保持，U₆和U₇为电压缓冲器。最后再将C₁和C₂、C₃和C₄的电压差分别通过差动比较器U₅和U₈进行差动，U₅和U₈的输出电压由仪表放大器U₉差动放大即得反映电导率变化的电压值。

本实用新型的优点：

1)转换器激励信号的改进

本转换器采用双向脉冲电流源作为系统的激励源，削弱了采用直流信号作为系统激励源时难以解决的电极化问题。从激励信号上对现有的电导测试系统进行一些改进尝试。

2)较高的数据采集速度

由于在数据采集时间间隔内激励电流相当于直流信号，传统的采用高频交流正弦波信号作为激励源的电导测试系统中必需的一些耗时的环节就可以省略，这样大大简化了系统结构。同时，为了进一步的提高数据采集速度，在电导测量电路中采用了并行测量的方法，只需在某一激励电极对上激励一次即可获得其余检测电极上的电压值。

                             附图说明

图1是基于双极性脉冲电流激励的电导/电压转换器电原理图；

图2是电导测量系统方框图；

图3是电导测量系统原理图；

图4是电导数据采集传感器结构示意图。

                           具体实施方式

传统的电导/电压转换器中通常采用的激励源均为高频交流正弦波，其主要目的是为了防止电极的极化效应，在本系统中，采用了双极性脉冲电流作为激励源，在每个半周期内，通入激励电极的电流保持恒定，其激励电流源为一方波信号，如图3中所示。本系统中从两方面来尽可能的减少脉冲激励源所带来的极化问题：第一是采用了双向的脉冲电流激励，这样在一个周期内，其电极化效应基本可以抵消；第二是在测量中采用两次差动的方法，如图3(c)中所示，检测电极的输出电压近似于一个方波信号，在a时刻测出测量电极对的电压之差，在b时刻再测量电极对的电压之差，a和b两次测量值的差值即为测量序列的一数据点。

由于a和b两次测量的时间间隔很短(＜0.17ms，激励电流脉冲频率3kHz)，其时间间隔主要取决于激励脉冲电流信号的频率，A/D采样的时间基本可以忽略。因此，采用直流激励的系统中常见的低频噪声可以通过差动测量的方法来消除，而系统中的高频噪声则可以通过多次读取数据并取平均值来减弱。同时电导数据采集传感器与电导数据采集系统之间通过高频屏蔽线连接。可有效的消除系统高频干扰。

如图3(b)中所示，当激励电极上通入图中所示的方波信号后，其电压波形如图所示为一近似的方波信号，产生这种信号的原因在于当激励电流激励电极时，导致了介质中的电荷的移动，在电极的表面聚集了大量的电荷，引起边界层效应。激励电极的电压波形与电流的强度、介质中电荷种类、电极的形状等因素有关。而在检测电极对，由于介质和电极表面间的电流可以忽略，不会造成边界层效应，其电压波形为一近乎完美的方波信号，其电压幅值与驱动电流及介质中的电导分布成正比。如图3(c)中所示。A/D采样点是在检测电极的电压波形稳定后的平坦部位进行测量，因此，在这一段时间内，系统相当于受到了一个恒定的直流电流信号的激励。不再需要采用传统采用交流激励信号时的一些耗时很长的处理过程，如滤波环节就不再需要。这样极大的提高了数.据的采集速度，降低了系统的复杂程度。

该基于双极性脉冲电流激励的电导/电压转换器由电导数据采集传感器(图4)和电导测量单元(图1)两大部分组成。

电导数据采集传感器如图4示，传感管段2材质为聚乙烯(PE)，其两端通过连接法兰1与被测管道相连，N个电极7以不锈钢为材料，根据传感管段2的内径加工成矩形电极，可根据应用要求选择电极个数N，并将这N个矩形电极依次等间距的排列在传感管段2内壁上。传感器管段2内壁开有与矩形电极片大小厚度相同的槽，矩形电极片7嵌入槽内，并在矩形电极片的几何中心凿一个螺孔，然后用相同直径的不锈钢螺杆4旋入，构成一个电极。电极表面与传感器腔内壁持平，既使流体与电极有连续的接触，又不会使传感器对流体有扰动。电极通过传感管段的螺孔引出，用垫圈3和不锈钢螺母5旋紧固定，在电极和传感管段螺孔之间填充防漏填充料6以防渗漏，电极的输出端通过高频屏蔽线与电导测量模块相连。

电导测量单元如图1所示：双极性脉冲电流源连接到被测电极上，被测电极对间的等效电阻R_X为被测电阻。R_X的两端分别连接到电阻R1和R3的一端。电阻R1的另一端接运放U1的正输入端，并与R2的一端连接，R2的另一端接U1的输出端，U1的负输入端接地。R1，R2及U1构成电压跟随器一。电阻R3的另一端接运放U2的正输入端，并与R4的一端连接，R4的另一段接U2的输出端，U2的负输入端接地。R3，R4及U2构成电压跟随器二。电压跟随器输出端到采样保持器的输入端。在双极性脉冲电流源正向激励时，采样保持器S1、S3选通，采保电容C1，C2充电，U3输入端电压等于U1输出端电压，U4输入端电压等于U2输出端电压。在双极性脉冲电流源反向激励时，采样保持器S2、S4选通，U6输入端电压等于U2输出端电压，U7输入端电压等于U1输出端电压。U3的输出端接放大器U5的正输入端，U4的输出端连接到U5的负输入端。U6的输出端接放大器U8的正输入端，U7的输出端连接到U8的负输入端。放大器U5的输出端接放大器U9的正输入端，放大器U6的输出端接放大器U9的负输入端。U9的输出端电压为Rx在正激励期间的压降和在负激励期间的压降的差值。

激励电流源为双向脉冲电流源，被测电阻R_X(电阻即为电导的倒数)为两个被测电极之间的电阻，在测量的时间间隔内，被测电阻可视为受到恒定直流电流源的激励，其两端的电位差满足欧姆定律，因此只要测量其电位差的改变就可以测得电导率的变化。RS₁和RS₂为多通道选择器的导通电阻以及电极片与高频屏蔽线之间的接触电阻等。被测电极的两端电位V_X1和V_Y1通过电压跟随器U₁和U₂传递到采样/保持器进行采样保持，U₃和U₄电压缓冲器。最后将其通过仪表放大器U₅进行差动放大。当将电流激励源进行反向后，由于选择通道的改变，R_S1和R_S2也将发生改变，变成R′_S1和R′_S2，被测电极两端的电位也相应的改变为V_X2和V_Y2，测量的方程为：

V_X＝(V_X1-V_A)-(V_X2-V_B)

V_Y＝(V_Y1-V_A)-(V_Y2-V_B)

经推导得

V＝V_X-V_Y＝[(V_X1-V_A)-(V_X2-V_B)]-[(V_Y1-V_A)-(V_Y2-V_B)]＝(V_X1-V_X2)-(V_Y1-V_Y2)

即获得需要测量的电压值。通过这种方法，可以排除R_S1和R_S2的改变对测量误差的影响。

本转换器较传统的电导/电压转换器而言结构简单，成本低，体积小巧，采集速度高，抗干扰能力强。经实验测试，采用该转换器的电导测试系统的数据采集速度有了明显的提高，尤其对于电极数目多，采集数据量大的系统，可采用并行测量的方法。只需在某一激励电极对上激励一次即可获得其余检测电极上的电压值，其速度提高更为明显。以16电极的电导测量系统为例，测量传感管段一组数据量104个点，仅需15ms，若不计数据通讯时间，每秒约可测得6000多个电导数据。若加上数据通讯时间，每秒也可测得大约5500多个数据。大大提高了电导测量系统的实时性能。

Claims (1)

1.一种基于双极性脉冲电流激励的电导/电压转换器，其特征在于它的电路为：激励电流源(I₁)和(I₂)为双向脉冲电流源，其两端与被测阻抗相连，被测阻抗由(C_X)和(R_S1)、(R_S2)、(R_X)并联而成，(C_X)为被测电极间的耦合电容，(R_S1)和(R_S2)为多通道选择器的导通电阻以及电极片与高频屏蔽线之间的接触电阻，被测电阻(R_X)为两个被测电极之间的电阻，其两端通过高频屏蔽线分别与(R₁)和(R₃)相连，电阻(R₁)、(R₂)和运放(U₁)，电阻(R₃)、(R₄)和运放(U₂)分别构成两个电压跟随器，被测电极对的两端电位分别通过两个电压跟随器传递到采样/保持器(C₁)和(C₂)进行采样保持。多向开关(S₁)、(S₂)、(S₃)、(S₄)的两端与电压跟随器和采样/保持器连接，控制着采样/保持的开闭，(U₃)和(U₄)为电压缓冲器，其输入分别与采样/保持器(C₁)和(C₂)的输出相连；接着，将电流激励源进行反向，同样这时的被测电阻(R_X)的两端电压再通过高频屏蔽线和电压跟随器分别送入两个采样保持器(C₃)和(C₄)进行采样保持，(U₆)和(U₇)为电压缓冲器，最后再将(C₁)和(C₂)、(C₃)和(C₄)的电压差分别通过差动比较器(U₅)和(U₈)进行差动，(U₅)和(U₈)的输出电压由仪表放大器(U₉)差动放大即得反映电导率变化的电压值。

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