径向结构的非接触式流体电导测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于径向两电极传感器的非接触式流体电导测量装置及方法,包括交流激励源、径向两电极传感器、金属屏蔽罩、电感模块、信号处理模块、数据采集模块以及微型计算机。其中，传感器包括绝缘管道，两个凹形金属电极。金属电极沿径向对称分布在绝缘管道外壁，一个为激励电极，另一个为检测电极。金属屏蔽罩放置于传感器周围，用于屏蔽外部电磁干扰。引入串联谐振原理消除耦合电容对电导检测的不利影响，增加电导检测的灵敏度，扩大电导检测应用的测量范围。本发明具有传感器体积小、结构简单紧凑等优点，测量方式为非接触，对管道内流体流动无影响，有效克服了接触式电导测量存在的电极极化、腐蚀等问题。
【专利说明】
径向结构的非接触式流体电导测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及流体电导测量技术，尤其涉及一种基于径向两电极传感器的非接触流 体电导测量的方法。
【背景技术】
[0002] 管道中的液相体系广泛存在于冶金、化工工程、生物医药、环境保护和污水处理等 部门的科研和生产的过程中，电导是流体的基本物性参数之一，电导的在线检测对分析管 道中流体的其他特性参数有着重要的作用，如浓度、组分、化学反应速率等。正是由于流体 的很多物理、化学特性差异都会反映为其电导的变化，所以管道中流体电导的在线测量在 生产和科研中有着广泛的应用范围和重要的研究意义。
[0003] 目前电导检测的方法大都是基于接触式电导检测技术，由于检测电极与流体直接 接触，易发生电化学反应、极化效应。此外在测量环境较差的情况下测量电极易被玷污，导 致电导测量性能下降。电容耦合式非接触电导技术(C 4D)，是一种较为新型的电导检测技 术，典型的传感器结构是绝缘管外壁轴向分布的两个环状电极。由于其具有电极与被测流 体不接触的优点，因此得到科学工作者与工程师的广泛关注。
[0004] 然而，上述传感器结构较为松散，占用空间较多，不利于工业实际应用。本发明针 对流体电导检测的发展现状，提出了一种基于径向两电极传感器的非接触流体电导测量装 置及方法，传感器部分采用两个凹形金属电极片沿径向对称贴于绝缘管外壁，一个作为激 励电极，另一个作为检测电极。简化了传感器结构，电极分布方式更为紧凑，并克服了接触 式传感器存在的电化学腐蚀、极化效应等问题，同时引入串联谐振的方法，减小耦合电容的 影响，提高系统的检测灵敏度与测量范围。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、分辨率高的非接触流 体电导测量装置和方法。具体技术方案如下：
[0006] -种基于径向两电极传感器的非接触式流体电导测量装置，包括交流激励源、径 向两电极传感器、电感模块、信号处理模块、数据采集模块、计算机;交流激励源与电感模块 的一端相连接，电感模块的另一端与径向两电极传感器的激励信号输入端相连，径向两电 极传感器的检测信号输出端与信号处理模块的一端相连，信号处理模块、数据采集模块、计 算机顺次相连。
[0007] 作为优选，所述的径向两电极传感器由金属屏蔽罩、激励电极、检测电极和绝缘管 道组成，两电极片尺寸相同，为径向凹形电极，于绝缘管道两侧呈对称分布，激励电极由穿 过金属屏蔽罩的导线引出激励信号输入端与电感模块相连，检测电极由穿过金属屏蔽罩的 导线引出检测信号输出端与信号处理模块相连，金属屏蔽罩接地。
[0008] -种使用所述装置的流体电导测量方法，它的步骤如下：
[0009] 1)对于绝缘管道内的导电流体，该径向两电极传感器的等效模型为:激励电极与 绝缘管道内的导电流体通过管壁形成耦合电容cxl，绝缘管道内两个电极间的导电流体等效 成电阻Ro，检测电极与绝缘管道内的导电流体通过的管壁形成耦合电容cx2;
[0010] 2)检测电路的等效阻抗为
，其中，f为交流激励源的 激励电压m的频率，L为电感模块的电感值;设置交流激励源的激励电压m的频率f为电导检 测电路的谐振频率fo,其中
>在该交流激励信号的作用下，检测电路的等 效阻抗中的虚部被消除，整个检测电路处于谐振状态，即电路等效阻抗Z = R〇;
[0011] 3)将信号处理模块获得传感器输出的电流io进行电流电压转换、滤波、放大处理 即可得到有效的信号，由于电路处于谐振状态，电路为纯阻性，Z = Ro;通过关系式
可计算得到流体的等效电导。
[0012] 本发明与现有技术相比具有有益效果：
[0013] 1)测量方式为非接触式，电极与管道中流体不直接接触，避免了电极受流体的腐 蚀和电极极化等问题，同时非接触式测量不破坏管道内流体流动状态，减少了压力损失；
[0014] 2)使用径向两电极非接触式电导传感器来获取电导检测电路中的电流io,简化了 电导测量装置的结构，在相同管径条件下其体积约为传统环状电极传感器的三分之一，缩 小了传感器占用空间，易于实现电导测量装置的小型化、实用化；
[0015] 3)金属屏蔽罩内放置装有电极部分的绝缘管道，可有效降低周围环境的干扰信 号，有利于提高检测的分辨率，并且提升了装置的稳定性和抗干扰能力；
[0016] 4)应用了串联谐振的方法，消除了耦合电容对测量范围和分辨率造成的不利影 响，提高了电导测量的分辨率，增大了非接触式电导测量应用的管径尺度。
【附图说明】
[0017] 图1是基于径向两电极传感器非接触式流体电导测量装置的结构示意图；
[0018] 图2是径向两电极传感器的结构示意图；
[0019] 图3是传感器等效电路模型示意图；
[0020] 图4是本发明电导检测装置等效电路图；
[0021] 图中：交流激励源1、金属屏蔽罩2、激励电极3、检测电极4、绝缘管道5、电感模块6、 信号处理模块7、数据采集模块8、计算机9、径向两电极传感器10。
【具体实施方式】
[0022] 如图1所示，一种基于径向两电极传感器的非接触式流体电导测量装置，包括交流 激励源1、径向两电极传感器10、电感模块6、信号处理模块7、数据采集模块8、计算机9;交流 激励源1与电感模块6的一端相连接，电感模块6的另一端与径向两电极传感器10的激励信 号输入端相连，径向两电极传感器10的检测信号输出端与信号处理模块7的一端相连，信号 处理模块7、数据采集模块8、计算机9顺次相连。
[0023] 如图2所示，所述的径向两电极传感器由金属屏蔽罩2、激励电极3、检测电极4和绝 缘管道5组成，两电极片尺寸相同，为径向凹形电极，于绝缘管道5两侧呈对称分布，激励电 极3由穿过金属屏蔽罩2的导线引出激励信号输入端与电感模块6相连，检测电极4由穿过金 属屏蔽罩2的导线引出检测信号输出端与信号处理模块7相连，金属屏蔽罩2接地。
[0024] 利用该装置和方法测量流体电导的流程为:交流激励源1输出交流电压信号的频 率为谐振频率，交流电压信号通过电感模块6加在激励电极3上，在检测电极4得到的电流信 号由信号处理模块7进行处理，通过数据采集模块8将输出的电压信号传输到计算机9上并 显不〇
[0025] 如图3所示，传感器等效电路模型为:激励电极3与绝缘管道5内的导电流体通过管 壁形成耦合电容Cxi，绝缘管道5内两个电极间的导电流体等效成电阻Ro，检测电极4与绝缘 管道5内的导电流体通过的管壁形成耦合电容C x2。
[0026] 如图4所示，流体电导测量装置的电导检测等效电路为:交流激励源1的一端与激 励电极3和绝缘管道5内的导电流体所形成的第一耦合电容C xl的一端相连，第一耦合电容 Cxl的另一端与激励电极3和检测电极4之间的导电流体的等效电阻Ro的一端连接，等效电阻 R〇的另一端与检测电极4和绝缘管道5内的导电流体所形成的第二耦合电容C x2的一端连接， 第二耦合电容的另一端与电感L的一端相连，电感L的另一端将反映流体等效电导的电流信 号输出到数据处理模块。
[0027] -种使用所述装置的流体电导测量方法，它的步骤如下：
[0028] 1)对于绝缘管道内的导电流体，该径向两电极传感器的等效模型为:激励电极3与 绝缘管道5内的导电流体通过管壁形成耦合电容Cxl，绝缘管道5内两个电极间的导电流体等 效成电阻R〇，检测电极4与绝缘管道5内的导电流体通过的管壁形成耦合电容C x2;
[0029] 2)检测电路的等效阻抗为
，其中，f为交流激励源1的 激励电压m的频率，L为电感模块6的电感值;设置交流激励源1的激励电压m的频率f为电导 检测电路的谐振频率fo,其中
，在该交流激励信号的作用下，检测电路的 等效阻抗中的虚部被消除，整个检测电路处于谐振状态，即电路等效阻抗Z = Ro;
[0030] 3)将信号处理模块7获得传感器输出的电流io进行电流电压转换、滤波、放大处理 即可得到有效的信号，由于电路处于谐振状态，电路为纯阻性，Z = Ro;通过关系式
可计算得到流体的等效电导。
[0031] 已在不同管径的水平有机玻璃管道上对本发明中所提及的装置与方法进行了初 步试验，验证了本发明的可行性。实验介质为不同浓度的KCL溶液，其参考电导率由商业型 接触式电导率仪(梅特勒-托利多FE30-Fi VeEaSyTM)测定，电导率的变化范围为O.OlmS/cm-lOOmS/cm。且在相同管径条件下，本发明中提及的径向结构传感器占用的空间约为传统环 状电极传感器的三分之一。试验结果表明：利用本发明中所提及的装置与方法，电导率测量 最大相对误差小于5%，可以实现对单相导电流体的电导率的测量，并取得较好的测量结 果。
【主权项】
1. 一种基于径向两电极传感器的非接触式流体电导测量装置，其特征在于包括交流激 励源（1)、径向两电极传感器(10)、电感模块(6)、信号处理模块(7)、数据采集模块(8)、计算 机(9);交流激励源（1)与电感模块(6)的一端相连接，电感模块(6)的另一端与径向两电极 传感器（10)的激励信号输入端相连，径向两电极传感器(10)的检测信号输出端与信号处理 模块(7)的一端相连，信号处理模块(7)、数据采集模块(8)、计算机(9)顺次相连。2. 根据权利要求1所述的基于径向两电极传感器的非接触式流体电导测量装置，其特 征在于所述的径向两电极传感器由金属屏蔽罩(2)、激励电极(3)、检测电极(4)和绝缘管道 (5)组成，两电极片尺寸相同，为径向凹形电极，于绝缘管道(5)两侧呈对称分布，激励电极 (3)由穿过金属屏蔽罩(2)的导线引出激励信号输入端与电感模块(6)相连，检测电极(4)由 穿过金属屏蔽罩(2)的导线引出检测信号输出端与信号处理模块(7)相连，金属屏蔽罩(2) 接地。3. -种使用如权利要求1所述装置的流体电导测量方法，其特征在于它的步骤如下： 1) 对于绝缘管道内的导电流体，该径向两电极传感器的等效模型为:激励电极(3)与绝 缘管道(5)内的导电流体通过管壁形成耦合电容C xl，绝缘管道(5)内两个电极间的导电流体 等效成电阻R〇,检测电极(4)与绝缘管道(5)内的导电流体通过的管壁形成耦合电容C x2; 2) 检测电路的等效阻抗为，其中，f为交流激励源（1)的激 励电压m的频率，L为电感模块(6)的电感值;设置交流激励源（1)的激励电压m的频率f为电 导检测电路的谐振频率fo,其中在该交流激励信号的作用下，检测电路 的等效阻抗中的虚部被消除，整个检测电路处于谐振状态，即电路等效阻抗Z = R0; 3) 将信号处理模块(7)获得传感器输出的电流i〇进行电流电压转换、滤波、放大处理即可得到有效的信号，由于电路处于谐振状态，电路为纯阻性，Z = Ro;通过关系? 可计算得到流体的等效电导。
【文档编号】G01R27/22GK105891607SQ201510746672
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年11月4日
【发明人】冀海峰, 宋悦, 常亚, 朱昭汇, 王保良, 黄志尧, 李海青
【申请人】浙江大学