基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法，由交流激勵源、激勵電極、絕緣測量管道、檢測電極、單邊虛擬電感、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、信號處理模塊依次相連。單邊虛擬電感輸出端通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路中的運放虛地。本發(fā)明專利技術(shù)利用單邊虛擬電感代替實際電感，利用串聯(lián)諧振原理，用單邊虛擬電感的感抗消除傳感器中耦合電容的容抗對測量的不利影響。相較浮置虛擬電感，單邊虛擬電感虛地，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高；相較實際電感，單邊虛擬電感體積小易集成，電感值可調(diào)，降低了對激勵源的要求。本發(fā)明專利技術(shù)通過測量檢測通路的輸出電流，經(jīng)計算得到待測流體等效電導值，為實現(xiàn)非接觸測量絕緣管道內(nèi)部導電流體的電導提供了一種有效方法。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及電導檢測技術(shù)，尤其涉及一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法。
技術(shù)介紹
現(xiàn)代，化工行業(yè)及其他制造業(yè)生產(chǎn)過程中，液體扮演著重要的角色，而液體的電導率由于其可根據(jù)其數(shù)值及變化反映出液體的一些物理化學特性，如液體流動狀態(tài)、液體組分及化學反應狀態(tài)等，因此研究液體電導率的檢測技術(shù)對工業(yè)檢測技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)效率的提高都具有重要意義。當前常用的液體電導率檢測技術(shù)是接觸式電導檢測技術(shù)，其方法主要是將檢測電極探入待測液體中獲得液體電導率信息，因具有使用便捷、精度高等優(yōu)勢得到廣泛使用。但是這種方法由于電極與液體直接接觸，存在電極極化和電化學腐蝕等問題，因此需要研究非接觸的電導率檢測技術(shù)。電容耦合式非接觸電導檢測(C4D)技術(shù)是一種新式電導檢測技術(shù)，該技術(shù)具有非接觸式測量的特點，可有效解決接觸式電導檢測技術(shù)中電極極化和電化學腐蝕的問題。然而，由于電極和導電液體會通過絕緣管壁形成耦合電容，而這個電容在測量通路中加入了一個不可忽視的背景信號，因此會嚴重影響測量范圍和靈敏度。為解決這個耦合電容的不利影響，已有以下兩個專利：專利(基于虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及其方法，專利公開號：CN103941099A)及專利(一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法，專利公開號：CN105353223A)結(jié)合串聯(lián)諧振原理和虛擬電感技術(shù)，利用虛擬電感代替實際電感，利用串聯(lián)諧振消除了耦合電容對測量結(jié)果造成的不利影響；同時虛擬電感可有效克服實際電感存在的不足。然而，以上兩個專利中，專利(基于虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及其方法，專利公開號：CN103941099A)中所涉及的虛擬電感為浮置電感，結(jié)構(gòu)較為復雜，并且由于采用了對稱的電路結(jié)構(gòu)，對元器件提出較高的要求，電導測量過程中具有一定的不穩(wěn)定性。另外，該專利涉及的電導測量方法中，虛擬電感電路串聯(lián)在C4D傳感器的激勵電極與交流激勵源之間，而本專利中的單邊虛擬電感是在C4D傳感器之后直接與后續(xù)電路相連的。至于專利(一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法，專利公開號：CN105353223A)則采用的是電壓法，通過去一個定值電阻上的分壓得到信號，而此電阻在測量電路中實際會引入一個較大背景干擾，使得傳感器的靈敏度降低。針對以上情況，設計了一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法。本專利技術(shù)具備已有專利(一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法，專利公開號：CN105353223A)及專利(基于虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及其方法，專利公開號：CN103941099A)的技術(shù)優(yōu)點；不同于已有專利(一種基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法，專利公開號：CN105353223A)采用的差壓法，本專利技術(shù)通過測量檢測通路的輸出電流得到被測導電流體等效電導值，由于不需要在電路中添加一個取壓的量程電阻，減少了背景信號，因而在一定程度上提高了靈敏度；相較于已有專利(基于虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及其方法，專利公開號：CN103941099A)中的虛擬電感，本專利技術(shù)涉及的單邊虛擬電感通過虛地的辦法解決了單邊虛擬電感輸出端需接地的問題，相較浮置虛擬電感，電路得到簡化，結(jié)構(gòu)更為簡單，性能更為穩(wěn)定；利用運放虛地的思路解決單邊虛擬電感輸出端需接地的問題也為類似問題提供了新的思路和有益借鑒。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種有效的基于單邊虛擬電感的電容耦合式非接觸電導測量裝置及方法。具體技術(shù)方案如下：一種電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于包括交流激勵源、絕緣測量管道、激勵電極、檢測電極、單邊虛擬電感、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、信號處理模塊；激勵電極和檢測電極依次安裝在絕緣測量管道上，交流激勵源與激勵電極相連，檢測電極、單邊虛擬電感、電流電壓轉(zhuǎn)換電路順次相連，單邊虛擬電感的一端通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路的同相端虛地，以滿足單邊虛擬電感接地的要求，電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出與信號處理模塊相連。所述的單邊虛擬電感結(jié)構(gòu)為：第一運算放大器(A1)的正相輸入端為單邊虛擬電感(5)的輸入端，檢測電極(4)及第三電阻(R3)的一端與第一運算放大器(A1)的正相輸入端相連，第一電阻(R1)的一端、第一電容(C1)及第六電阻(R6)的一端與第一運算放大器(A1)的反相輸入端相連，第一電容(C1)的另一端、第二電阻(R2)的一端、第六電阻(R6)的另一端分別與第一運算放大器(A1)的輸出端相連，第二運算放大器(A2)的正相輸入端與第一運算放大器(A1)的正相輸入端相連，第二電阻(R2)的另一端、第五電阻(R5)的一端與第二運算放大器(A2)的反相輸入端相連，第二運算放大器(A2)的輸出端通過串聯(lián)的第四電阻(R4)、第三電阻(R3)與第二運算放大器(A2)的正相輸入端相連，第五電阻(R5)的另一端與第二運算放大器(A2)的輸出端相連，第一電阻(R1)的另一端與電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)中運算放大器(A3)的反相端相連，作為單邊虛擬電感(5)的輸出端。利用運算放大電路深度負反饋情況下同相端反相端電位相等的性質(zhì)，通過運算放大器的同相端虛地。所述單邊虛擬電感5為經(jīng)典Riordan電路的改進電路，具體改動為：在電容C1兩端并聯(lián)大電阻R6，如此，則單邊虛擬電感5的等效內(nèi)阻值Req的表達式為其中R6的阻值為R1的200倍以上，可以保證內(nèi)阻非常小且不受其余參數(shù)調(diào)整的影響從而幾乎不影響測量，并且不影響單邊虛擬電感實現(xiàn)電感功能及其等效電感值；R6還起到穩(wěn)定運算放大器工作狀態(tài)的功能，保證當電路進入正反饋導致自激振蕩時，電容C1可通過其放電，從而恢復穩(wěn)態(tài)；在可調(diào)電阻R3前串聯(lián)一個定值電阻R4，可以保證單邊虛擬電感不會由于R3、R4串聯(lián)值過小，引起運算放大器A2產(chǎn)生自激振蕩，導致電路不穩(wěn)定；等效電感值若其中R1、R2、R3、R4、R5、C1中一個或多個可調(diào)，則L值可通過調(diào)節(jié)R1、R2、R3、R4、R5、C1中任意一個或多個的值進行改變。優(yōu)選的，所述R1、R2、R3、R4、R5、C1中僅R3可調(diào)，用于僅調(diào)節(jié)R3對等效電感值L值的進行調(diào)節(jié)。激勵電極與絕緣測量管道內(nèi)的待測導電流體通過管壁形成的耦合電容，檢測電極(4)與絕緣測量管道內(nèi)的待測導電流體通過管壁形成的耦合電容，緣測量管道中兩電極間待測導電流體的等效電阻，單邊虛擬電感及其等效內(nèi)阻串聯(lián)構(gòu)成電容耦合式非接觸電導檢測電路，所述電容耦合式非接觸電導檢測電路的總阻抗為：令等式中虛部為零，經(jīng)計算可知當測量電路的激勵頻率此時電容耦合式非接觸電導檢測電路諧振，記此時的f＝f0，因此設置若交流激勵源的激勵頻率為f0可使檢測電路處于諧振狀態(tài)，此時電容耦合式非接觸電導檢測電路的等效阻抗Z0的虛部為零，呈現(xiàn)純阻性，表達式為Z0＝Rx+Req；實際操作中可以依據(jù)先設定交流激勵源的輸出Ui的激勵頻率f為諧振頻率f0，而后改變單邊虛擬電感中可調(diào)電阻R3，以改變單邊虛擬電感的電感值L，使得電容耦合式非接觸電導檢測電路達到諧振點；或者改變單邊虛擬電感中可調(diào)電阻R3，以改變單邊虛擬電感的電感值L，再根據(jù)電感值L和耦合電容值Cx1、Cx2來設定激勵源的輸出Ui的激勵頻率f，為計算得到的諧振頻率，從而使得本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于包括交流激勵源(1)、激勵電極(2)、絕緣測量管道(3)、檢測電極(4)、單邊虛擬電感(5)、電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)、信號處理模塊(7)；激勵電極(2)和檢測電極(4)安裝在絕緣測量管道(3)外壁上，交流激勵源(1)與激勵電極(2)相連，檢測電極(4)、單邊虛擬電感(5)、電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)、信號處理模塊(7)順次相連，其中單邊虛擬電感(5)的一端通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)中的運算放大器虛地，以滿足單邊虛擬電感接地的要求。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于包括交流激勵源(1)、激勵電極(2)、絕緣測量管道(3)、檢測電極(4)、單邊虛擬電感(5)、電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)、信號處理模塊(7)；激勵電極(2)和檢測電極(4)安裝在絕緣測量管道(3)外壁上，交流激勵源(1)與激勵電極(2)相連，檢測電極(4)、單邊虛擬電感(5)、電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)、信號處理模塊(7)順次相連，其中單邊虛擬電感(5)的一端通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)中的運算放大器虛地，以滿足單邊虛擬電感接地的要求。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于所述的單邊虛擬電感(5)結(jié)構(gòu)為：第一運算放大器(A1)的正相輸入端為單邊虛擬電感(5)的輸入端，檢測電極(4)及第三電阻(R3)的一端與第一運算放大器(A1)的正相輸入端相連，第一電阻(R1)的一端、第一電容(C1)及第六電阻(R6)的一端與第一運算放大器(A1)的反相輸入端相連，第一電容(C1)的另一端、第二電阻(R2)的一端、第六電阻(R6)的另一端分別與第一運算放大器(A1)的輸出端相連，第二運算放大器(A2)的正相輸入端與第一運算放大器(A1)的正相輸入端相連，第二電阻(R2)的另一端、第五電阻(R5)的一端與第二運算放大器(A2)的反相輸入端相連，第二運算放大器(A2)的輸出端通過串聯(lián)的第四電阻(R4)、第三電阻(R3)與第二運算放大器(A2)的正相輸入端相連，第五電阻(R5)的另一端與第二運算放大器(A2)的輸出端相連，第一電阻(R1)的另一端與電流電壓轉(zhuǎn)換電路(6)中運算放大器(A3)的反相端相連，作為單邊虛擬電感(5)的輸出端。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于所述單邊虛擬電感(5)的等效電感值L值可通過調(diào)節(jié)R1、R2、R3、R4、R5、C1中任意一個或多個的值進行改變；單邊虛擬電感(5)的等效內(nèi)阻值Req的表達式為其中R6的阻值為R1的200倍以上，第六電阻(R6)起到穩(wěn)定運算放大器工作狀態(tài)的功能，保證當電路進入正反饋導致自激振蕩時，電容C1可通過其放電，從而使單邊虛擬電感(5)恢復穩(wěn)態(tài)；定值電阻R4保證電路穩(wěn)定。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于所述單邊虛擬電感(5)的第三電阻(R3)阻值可調(diào)，R1、R2、R4、R5、C1的值固定。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容耦合式非接觸電導測量裝置，其特征在于所述的單邊虛擬電感(5)，利用運算放大電路深度負反饋情況下同相端反相端電位相等的性質(zhì)，通過電流電 壓轉(zhuǎn)換電路(6)的運算放...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃志堯，黃俊超，王保良，冀海峰，李海青，
申請(專利權(quán))人：浙江大學，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33