基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置及方法。該裝置包括傳感器模塊、交流激勵(lì)源、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)。傳感器由激勵(lì)電極、絕緣管道和檢測(cè)電極構(gòu)成，信號(hào)處理模塊由電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊和相敏解調(diào)模塊構(gòu)成。交流激勵(lì)源提供參考輸入信號(hào)，當(dāng)對(duì)激勵(lì)電極施加交流激勵(lì)信號(hào)時(shí)，檢測(cè)電極流出反映溶液電導(dǎo)信息的微弱電流信號(hào)。電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊將該微弱電流轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電壓信號(hào)，相敏解調(diào)模塊將該電壓分解得到兩路直流電壓，計(jì)算出電極間等效電導(dǎo)和耦合電容。本發(fā)明利能夠獲得等效耦合電容的電容值，擴(kuò)大了電導(dǎo)的測(cè)量范圍，提高了電導(dǎo)的測(cè)量精度，為解決管道內(nèi)液體電導(dǎo)的測(cè)量問(wèn)題提供了一條有效的途徑。
【專利說(shuō)明】基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電導(dǎo)檢測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]管道中的液相體系廣泛存在于冶金、化學(xué)化工、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)和污水處理等工業(yè)領(lǐng)域。電導(dǎo)率是液體的基本物理參數(shù)之一，通過(guò)對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)量，不僅可以了解液體的導(dǎo)電能力，還可以得到液體的其他特性參數(shù)，如濃度、液體組分、化學(xué)反應(yīng)速率等，這些參數(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。正是因?yàn)橐后w的很多特性參數(shù)都會(huì)反映為其電導(dǎo)率的變化，所以管道中液體電導(dǎo)率的測(cè)量在科研和生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用和重要的研究意義。
[0003]電極電導(dǎo)率測(cè)量法因其電極結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，測(cè)量范圍廣泛而成為一種普遍的電導(dǎo)率測(cè)量方法。電極電導(dǎo)率測(cè)量法又可分為接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)兩種。接觸式電導(dǎo)檢測(cè)需要將電極浸沒(méi)于液體中，在電極上施加電壓，流過(guò)電極之間的電流和被測(cè)液體的電導(dǎo)率成正比，通過(guò)測(cè)量電流值得到電導(dǎo)率的數(shù)值。這種方式由于電極直接與溶液接觸，易存在電極極化效應(yīng)和電化學(xué)腐蝕等問(wèn)題，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，縮短電極的使用壽命。1998年,Zemann等和Fracassi da Silva等分別提出了用于毛細(xì)管道上的電容f禹合式非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法，這種非接觸式電導(dǎo)測(cè)量方法在絕緣管道外壁安裝兩個(gè)間隔一定距離的環(huán)狀電極，即激勵(lì)電極和檢測(cè)電極，電極與管道中的溶液形成耦合電容，管道中的導(dǎo)電液體等效為電阻，他們共同構(gòu)成了電容-電阻-電容串聯(lián)的等效電路。當(dāng)對(duì)激勵(lì)電極施加交流電壓時(shí)，檢測(cè)電極就可以得到可以反映管道溶液電阻大小的交流電流。這種非接觸電導(dǎo)測(cè)量方法避免了電極與管道中的溶液接觸，彌補(bǔ)了接觸式電導(dǎo)測(cè)量方法存在缺陷，從而使這種方法受到越來(lái)越多的關(guān)注。
[0004]現(xiàn)有的電容耦合式非接觸電導(dǎo)裝置由于耦合電容的影響，所能測(cè)量的電導(dǎo)率范圍較小，分辨率不高，不適宜用于濃度較高溶液電導(dǎo)率的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服當(dāng)前技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定、可靠的基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置及方法。
[0006]基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置包括電導(dǎo)傳感器、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)，所述的電導(dǎo)傳感器包括絕緣測(cè)量管道、激勵(lì)電極和檢測(cè)電極，激勵(lì)電極和檢測(cè)電極安裝在絕緣測(cè)量管道的外壁上，激勵(lì)電極與信號(hào)發(fā)生器相連接，信號(hào)處理模塊包括電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊和相敏解調(diào)模塊，檢測(cè)電極與信號(hào)處理模塊的電流信號(hào)輸入端連接，信號(hào)處理模塊的電壓信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集模塊與計(jì)算機(jī)相連接。信號(hào)發(fā)生器為相敏解調(diào)模塊中的兩個(gè)乘法器分別提供同相參考信號(hào)和正交參考信號(hào)。
[0007]所述的基于相敏解調(diào)的電導(dǎo)傳感器檢測(cè)等效電路為:信號(hào)發(fā)生器同向參考信號(hào)輸出端與激勵(lì)電極、絕緣測(cè)量管道內(nèi)的被測(cè)導(dǎo)電溶液所形成的第一耦合電容Cxi—端連接，第一耦合電容Cxi的另一端與導(dǎo)電溶液的等效電阻Rx的一端相連接，導(dǎo)電溶液的等效電阻Rx的另一端與檢測(cè)電極和絕緣測(cè)量管道內(nèi)的被測(cè)導(dǎo)電溶液所形成的第二耦合電容Cx2相連接。
[0008]所述的信號(hào)處理模塊電路包括第一電阻R1、第一運(yùn)算放大器Al、第二運(yùn)算放大器A2、第三運(yùn)算放大器A3、第一乘法器(Vreftl) Ml、第二乘法器(Vref9tl) M2、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4 ； 第一電阻Rl的一端與第一運(yùn)算放大器Al的反相輸入端、電流信號(hào)輸入端連接,第一運(yùn)算放大器Al的同相輸入端與地相連接,第一運(yùn)算放大器Al的輸出端與第一電阻Rl的另一端、第一乘法器Ml的正Y輸入端Yl、第二乘法器M2的正Y輸入端Yl相連接，第一乘法器Ml的正X輸入端Xl與信號(hào)發(fā)生器的同相參考信號(hào)輸出端相連接，第一乘法器Ml的負(fù)X輸入端X2、負(fù)Y輸入端Y2與地連接，第二乘法器M2的正Y輸入端Yl與信號(hào)發(fā)生器的正交參考信號(hào)輸出端相連接，第二乘法器(Ml)的負(fù)X輸入端X2、負(fù)Y輸入端Y2與地連接，第一乘法器Ml的輸出端OUT與第二電阻R2的一端相連接,第二電阻R2的另一端、第一電容Cl的一端、第四電阻R4的一端與第二運(yùn)算放大器A2的反相輸入端相連接，第二運(yùn)算放大器A2的同相輸入端與地相連接，第二運(yùn)算放大器A2的輸出端、第一電容Cl的另一端、第四電阻R4的另一端與第六電阻R6的一端相連接，第六電阻R6的另一端通過(guò)第三電容C3接地，第二乘法器M2的輸出端OUT與第三電阻R3的一端相連接，第三電阻R3的另一端、第二電容C2的一端、第五電阻R5的一端與第三運(yùn)算放大器A3的反相輸入端相連接，第三運(yùn)算放大器A3的同相輸入端與地相連接，第三運(yùn)算放大器A3的輸出端、第二電容C2的另一端、第五電阻R5的另一端與第七電阻R7的一端相連接，第七電阻R7的另一端通過(guò)第四電容C4接地。
[0009]基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量方法包括對(duì)激勵(lì)電極施加交流激勵(lì)信號(hào)時(shí)，檢測(cè)電極流出可以反映溶液電導(dǎo)信息的微弱電流信號(hào)，電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊可以將該微弱電流轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電壓信號(hào)。相敏解調(diào)模塊將該電壓分解為同相分量Vtl和正交分量V9tl，根據(jù)Vtl和V9tl,電極間等效電阻和耦合電容均可計(jì)算出來(lái)。
[0010]基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量方法包括:利用相敏解調(diào)的方法，檢測(cè)電極流出的交流電流，經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為交流電壓，該電壓經(jīng)過(guò)乘法器和低通濾波電路組成的相敏解調(diào)模塊后會(huì)分解為同相分量Vtl和正交分量V9tl,根據(jù)Vtl和V9tl,電極間等效電阻和耦合電容均可計(jì)算出來(lái)。這樣能夠消除耦合電容對(duì)電導(dǎo)測(cè)量的影響，從而擴(kuò)大測(cè)量范圍，提高分辨率。
[0011]信號(hào)發(fā)生器提供激勵(lì)電極的激勵(lì)信號(hào)第一乘法器的同相參考信號(hào)VMf(l和第二乘法器的正交參考信號(hào)VMf9(l，\、Vref0與Vref9tl分別為
式中，Ai, Aref0和Aref90分別為\、Vref0和VMf9(l的幅值，ω為\、Vref0和Vref9tl的角頻率。[0012]耦合電容Cxl與耦合電容Cx2的串聯(lián)值Cx為
【權(quán)利要求】
1.基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置包括電導(dǎo)傳感器、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)，其特征在于:所述的電導(dǎo)傳感器包括絕緣測(cè)量管道、激勵(lì)電極和檢測(cè)電極，激勵(lì)電極和檢測(cè)電極安裝在絕緣測(cè)量管道的外壁上，激勵(lì)電極與信號(hào)發(fā)生器相連接，信號(hào)處理模塊包括電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊和相敏解調(diào)模塊，檢測(cè)電極與信號(hào)處理模塊的電流信號(hào)輸入端連接，信號(hào)處理模塊的電壓信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊的信號(hào)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集模塊與計(jì)算機(jī)相連接；信號(hào)發(fā)生器為相敏解調(diào)模塊中的兩個(gè)乘法器分別提供同相參考信號(hào)和正交參考信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的基于相敏解調(diào)的電導(dǎo)傳感器檢測(cè)等效電路為:信號(hào)發(fā)生器同向參考信號(hào)輸出端與激勵(lì)電極、絕緣測(cè)量管道內(nèi)的被測(cè)導(dǎo)電溶液所形成的第一耦合電容Cxi —端連接，第一耦合電容Cxi的另一端與導(dǎo)電溶液的等效電阻Rx的一端相連接，導(dǎo)電溶液的等效電阻Rx的另一端與檢測(cè)電極和絕緣測(cè)量管道內(nèi)的被測(cè)導(dǎo)電溶液所形成的第二耦合電容Cx2相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量裝置，其特征在于:所述的信號(hào)處理模塊電路包括第一電阻R1、第一運(yùn)算放大器Al、第二運(yùn)算放大器A2、第三運(yùn)算放大器A3、第一乘法器(Vref9tl) Ml、第二乘法器(Vref9tl) M2、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4 ； 第一電阻Rl的一端與第一運(yùn)算放大器Al的反相輸入端、電流信號(hào)輸入端連接,第一運(yùn)算放大器Al的同相輸入端與地相連接,第一運(yùn)算放大器Al的輸出端與第一電阻Rl的另一端、第一乘法器Ml的正Y輸入端Yl、第二乘法器M2的正Y輸入端Yl相連接，第一乘法器Ml的正X輸入端Xl與信號(hào)發(fā) 生器的同相參考信號(hào)輸出端相連接，第一乘法器Ml的負(fù)X輸入端X2、負(fù)Y輸入端Y2與地連接，第二乘法器M2的正Y輸入端Yl與信號(hào)發(fā)生器的正交參考信號(hào)輸出端相連接，第二乘法器(Ml)的負(fù)X輸入端X2、負(fù)Y輸入端Y2與地連接，第一乘法器Ml的輸出端OUT與第二電阻R2的一端相連接,第二電阻R2的另一端、第一電容Cl的一端、第四電阻R4的一端與第二運(yùn)算放大器A2的反相輸入端相連接，第二運(yùn)算放大器A2的同相輸入端與地相連接，第二運(yùn)算放大器A2的輸出端、第一電容Cl的另一端、第四電阻R4的另一端與第六電阻R6的一端相連接，第六電阻R6的另一端通過(guò)第三電容C3接地，第二乘法器M2的輸出端OUT與第三電阻R3的一端相連接，第三電阻R3的另一端、第二電容C2的一端、第五電阻R5的一端與第三運(yùn)算放大器A3的反相輸入端相連接，第三運(yùn)算放大器A3的同相輸入端與地相連接，第三運(yùn)算放大器A3的輸出端、第二電容C2的另一端、第五電阻R5的另一端與第七電阻R7的一端相連接，第七電阻R7的另一端通過(guò)第四電容C4接地。
4.基于相敏解調(diào)的電容耦合式非接觸電導(dǎo)的測(cè)量方法，其特征在于:利用相敏解調(diào)的方法，檢測(cè)電極流出的交流電流，經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為交流電壓，該電壓經(jīng)過(guò)乘法器和低通濾波電路組成的相敏解調(diào)模塊后會(huì)分解為同相分量Vtl和正交分量V9tl，根據(jù)Vtl和V9tl,電極間等效電阻和耦合電容均可計(jì)算出來(lái)；這樣能夠消除耦合電容對(duì)電導(dǎo)測(cè)量的影響，從而擴(kuò)大測(cè)量范圍，提高分辨率； 信號(hào)發(fā)生器提供激勵(lì)電極的激勵(lì)信號(hào)第一乘法器的同相參考信號(hào)VMf(l和第二乘法器的正交參考信號(hào) ^ref90? V1、^refO ^ref90 分別為
【文檔編號(hào)】G01R27/14GK103675460SQ201310007288
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月8日
【發(fā)明者】王保良, 李先上, 龔和, 冀海峰, 黃志堯, 李海青 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)