電導(dǎo)傳感器以及確定流體的電導(dǎo)率的方法
【專利摘要】電導(dǎo)傳感器以及確定流體的電導(dǎo)率的方法。該電導(dǎo)傳感器包括：外殼，限定使流體通過的流管；第一和第二電極，沿流管間隔開；激勵(lì)電路，連接到電極并生成激勵(lì)信號(hào)；處理電路，連接到電極并確定流過外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果。激勵(lì)電路將分別具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)施加于至少一個(gè)電極，處理電路用針對(duì)第一和第二激勵(lì)頻率獲得的測量結(jié)果來確定校正電極的極化效應(yīng)的、待施加于電導(dǎo)率測量結(jié)果的校正。該方法包括：使流體通過外殼的流管；用激勵(lì)電路生成分別具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)，將激勵(lì)信號(hào)施加于沿流管間隔開的第一和第二電極中的至少一個(gè)；用連接到電極的處理電路確定流過外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果。
【專利說明】電導(dǎo)傳感器以及確定流體的電導(dǎo)率的方法
[0001]本專利申請(qǐng)是國際申請(qǐng)日為2007年12月5日、國家申請(qǐng)?zhí)枮?00780045275.5、發(fā)明名稱為“電導(dǎo)傳感器”的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及電導(dǎo)傳感器以及確定流體的電導(dǎo)率的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]電導(dǎo)計(jì)是眾所周知和確立的產(chǎn)品，在多個(gè)應(yīng)用如透析機(jī)、電力系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)中有用。 申請(qǐng)人:已銷售電導(dǎo)傳感器約40年。通常，電導(dǎo)傳感器包括這樣的電導(dǎo)池:其具有沿著流管精確地間隔開的至少兩個(gè)電極。為了精確地間隔電極，通常通過加工細(xì)長的碳棒而制作電極。具體而言，碳棒被加工為留下所需形狀(通常為碟形)的電極，這些電極被分隔開所需的間距并且由未被去除的石墨棒的中央部分保持就位。然后，使用卡簧和焊接到卡簧的線來實(shí)現(xiàn)與電極的連接。然后，將此電極結(jié)構(gòu)放置在模子中，并向模子添加熱固材料(如環(huán)氧樹脂)，熱固材料固化從而將電極保持就位。然后，沿著制成電極的碳棒的原始軸鉆通固化的樹脂而形成通孔。通孔的直徑被設(shè)置成使得在此步驟中鉆去連接兩個(gè)電極的剩余的碳，留下沿著由通孔限定的流管分隔開所需的距離的兩個(gè)電極。
[0004]發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到這一制作電導(dǎo)池的常規(guī)方法存在多個(gè)問題。首先，發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到這一當(dāng)前制造方法導(dǎo)致約95%的碳被浪費(fèi)(歸因于加工和鉆孔工藝)。其次，發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到使用機(jī)床來制造所需形狀的且具有所需間距的電極限制了在任一時(shí)間可制作的電極的數(shù)量，其原因是:將碳棒安裝到機(jī)床中需要時(shí)間，在加工了電極結(jié)構(gòu)之后將其從機(jī)床拆去需要時(shí)間，而且可用機(jī)床的數(shù)量是有限的。最后，發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到使用卡簧和被焊接的線來與電極連接的傳統(tǒng)技術(shù)在組裝方面是耗時(shí)和昂貴的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種減輕一個(gè)或多個(gè)上述問題的電導(dǎo)池。
[0006]根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種電導(dǎo)傳感器，包括:外殼；至少兩個(gè)電極；多個(gè)槽，用于將每個(gè)電極保持于外殼內(nèi)的預(yù)定位置和取向；以及激勵(lì)和處理電路，可操作為連接到所述電極并且確定流過外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果。通過在外殼中提供槽，電極可被精確地定位并保持于外殼內(nèi)。因此，可以顯著地增大用來制作電極的碳棒的利用率。具體而言，可通過從碳棒切下薄的矩形塊來形成電極。如果從碳棒切下的每個(gè)電極的厚度與切割器的厚度相一致，則在該工藝中將僅損失50%的碳棒。這與上述現(xiàn)有技術(shù)類型的電導(dǎo)傳感器相比表現(xiàn)出材料成本的顯著節(jié)省。
[0007]雖然每個(gè)電極可由單個(gè)槽保持就位，但是優(yōu)選地提供兩個(gè)相對(duì)的槽來將電極保持于期望位置，并且這兩個(gè)槽的取向被設(shè)定為使得電極橫過流體可沿著其流過外殼的流徑。
[0008]槽優(yōu)選地與外殼一體地形成，因?yàn)檫@允許將電極精確地放置在外殼內(nèi)。相比之下，如果槽與外殼分離并且由適當(dāng)?shù)木o固件如螺絲固定到外殼，則槽在外殼中的位置可能將有變化，這將降低最終電導(dǎo)傳感器的精度。外殼優(yōu)選為模制部件(例如塑料材料的模制部件)，且槽一體地形成為外殼內(nèi)壁的一部分。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，外殼限定模腔，電極由所述槽保持于模腔內(nèi)，且模腔用熱固樹脂如環(huán)氧來填充。在此實(shí)施例中，電極在尺度上優(yōu)選地被設(shè)定為使得它們從樹脂突出以促成與激勵(lì)和處理電路的連接。還提供了在傳感器的入口與出口之間限定通過外殼、樹脂和電極的流徑的通孔。在一個(gè)可替選實(shí)施例中，可將電極安裝到注射模中，然后用熱塑材料如PEEK (聚醚醚酮，polyetherether Ketone)、Noryl或其它高性能熱塑材料過模制(overmould)電極。在該實(shí)施例中，電極同樣優(yōu)選地從熱塑材料突出以促成與電子裝置的連接，并且在流體流動(dòng)的入口與出口之間提供通孔。
[0010]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，激勵(lì)和處理電路使用連接器來連接到至少一個(gè)電極，該連接器直接附著到承載激勵(lì)和處理電路的電路板以及電極的邊緣。在此情形下，連接器優(yōu)選地包括用于當(dāng)電極被插入連接器中時(shí)夾住電極邊緣的一個(gè)或多個(gè)倒鉤。
[0011]電極可具有任何方便的尺寸和形狀。然而，它們優(yōu)選地具有矩形塊形狀，因?yàn)檫@是最易于由標(biāo)準(zhǔn)細(xì)長碳棒制作電極的形狀。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，激勵(lì)電路將具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)施加于至少一個(gè)電極，并且處理電路使用針對(duì)第一和第二激勵(lì)頻率獲得的測量結(jié)果來確定對(duì)電極的極化效應(yīng)進(jìn)行校正的待施加于電導(dǎo)率測量結(jié)果的校正。在該實(shí)施例中，可同時(shí)施加或者在不同時(shí)間依次施加兩個(gè)頻率。當(dāng)同時(shí)施加信號(hào)時(shí)，處理電路優(yōu)選地包括用以分出兩個(gè)頻率處的響應(yīng)信號(hào)從而可以在每個(gè)頻率處分別進(jìn)行測量的濾波器。如果同時(shí)施加兩個(gè)頻率信號(hào)，則激勵(lì)信號(hào)可例如包括方波信號(hào)，在該情形下，兩個(gè)頻率信號(hào)可以是方波信號(hào)的基波和三次諧波。
[0013]在該優(yōu)選實(shí)施例中，激勵(lì)電路在不同頻率處分別生成正弦波信號(hào)，激勵(lì)電路包括:第一電路，可操作為在所述第一激勵(lì)頻率處生成第一方波信號(hào)；第二電路，可操作為在所述第二激勵(lì)頻率處生成第二方波信號(hào)；濾波器，可操作為對(duì)所述第一和第二方波信號(hào)中所選的一個(gè)進(jìn)行濾波以生成與所選方波信號(hào)頻率相同的正弦波信號(hào)；以及選擇器，可操作為選擇所述第一和第二方波信號(hào)二者之一以供輸入至所述濾波器。
[0014]可針對(duì)傳感器的每次測量確定根據(jù)兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)確定的校正。然而，在該優(yōu)選實(shí)施例中，間歇地確定校正，并使用該校正直到確定了更新的校正時(shí)為止。傳感器還優(yōu)選地監(jiān)視校正值的變化，以檢測比如可能由電極的劣化或者由傳感器流管中的阻塞造成的傳感器工作異常。如果檢測到這樣的異常，則可例如使用警告顯示或燈向用戶輸出警告。
[0015]本發(fā)明還提供了一種制造用在電導(dǎo)傳感器中的設(shè)備的方法，該方法包括:提供限定模腔的外殼；在所述模腔內(nèi)提供多個(gè)槽；將電極放置在槽中以將它們部分地保持于模腔內(nèi)；用可固化樹脂填充模腔；固化樹脂；并形成貫穿外殼、電極和樹脂的通孔以限定流體可流過的流管。在此情形下，用在傳感器中的設(shè)備可以是可與激勵(lì)和處理電路分開地制作和銷售的電導(dǎo)池。
[0016]槽優(yōu)選地設(shè)置在外殼的相對(duì)側(cè)面上以將每個(gè)電極保持于期望位置，并且槽的取向被設(shè)定為橫過流過外殼的流體流?？摄@通固化的樹脂、電極和外殼而形成通孔。可替選地，可以在樹脂固化之前插入棒使之穿過外殼和電極，然后在樹脂已固化之后拆去該棒。
[0017]本發(fā)明還提供了一種制造用在電導(dǎo)傳感器中的設(shè)備的方法，該方法包括:提供限定模腔的模子，所述模腔內(nèi)具有多個(gè)槽；將電極放置在槽中以將它們部分地保持于模腔內(nèi)；用熱塑材料填充模腔；固化熱塑材料；并形成貫穿外殼、電極和樹脂的通孔以限定流體可流過的流管。
[0018]該方法還優(yōu)選地將激勵(lì)和處理電路附著到電極。該附著優(yōu)選地使用連接器，該連接器直接附著到電極的一個(gè)邊緣并且直接附著到承載激勵(lì)和/或處理電路的至少一部分的電路板。該連接器優(yōu)選地包括用于當(dāng)電極被插入連接器的凹槽中時(shí)夾住電極邊緣的一個(gè)或多個(gè)倒鉤。
[0019]本發(fā)明還提供了一種電導(dǎo)傳感器，包括:外殼，限定用于使流體通過的流管；第一和第二電極，沿著所述流管間隔開；激勵(lì)電路，可操作為連接到所述電極并且可操作為生成激勵(lì)信號(hào)；以及處理電路，可操作為連接到所述電極并且可操作為確定流過外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果；其中所述激勵(lì)電路可操作為將分別具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)施加于至少一個(gè)所述電極，并且其中所述處理電路可操作為使用針對(duì)第一和第二激勵(lì)頻率獲得的測量結(jié)果來確定用于對(duì)電極的極化效應(yīng)進(jìn)行校正的待施加于所述電導(dǎo)率測量結(jié)果的校正。
[0020]可同時(shí)或逐個(gè)施加不同頻率激勵(lì)信號(hào)。如果同時(shí)施加，則處理電路優(yōu)選地包括用于獲得針對(duì)第一和第二激勵(lì)頻率的測量結(jié)果的濾波器。
[0021]本發(fā)明還提供了一種電導(dǎo)傳感器，包括:外殼，限定用于使流體通過的流管；第一和第二電極，沿著所述流管間隔開；激勵(lì)電路，可操作為連接到所述電極并且可操作為生成激勵(lì)信號(hào)；以及處理電路，可操作為連接到所述電極并且可操作為確定流過外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果；其中所述激勵(lì)和所述處理電路的至少一部分安裝在通過第一和第二邊緣連接器連接到所述電極的電路板上，第一和第二邊緣連接器都直接附著到所述電路板以及所述第一和第二電極中相應(yīng)的一個(gè)的邊緣。
[0022]邊緣連接器優(yōu)選地包括用于當(dāng)電極被插入連接器中時(shí)夾住電極邊緣的一個(gè)或多個(gè)倒鉤，并且在形狀上被設(shè)定為接納具有矩形塊形狀的電極。
[0023]本發(fā)明還提供了一種確定流體的電導(dǎo)率的方法，包括:使所述流體通過外殼的流管；使用激勵(lì)電路來生成分別具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)，并且將所述激勵(lì)信號(hào)施加于沿著所述流管間隔開的第一和第二電極中的至少一個(gè)；以使用連接到所述電極的處理電路來確定流過所述外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果，其中，所述電導(dǎo)率測量結(jié)果包括與待測量的所述電導(dǎo)率成比例地變化的期望分量以及隨著所述電極的極化效應(yīng)而變化的非期望分量，并且其特征在于，使用針對(duì)所述第一和第二激勵(lì)頻率獲得的所述電導(dǎo)率測量結(jié)果來確定對(duì)所述極化效應(yīng)的校正，并且將所述校正施加于電導(dǎo)率測量結(jié)果以生成已被校正了所述電極的所述極化效應(yīng)的、經(jīng)校正的電導(dǎo)率測量結(jié)果。
[0024]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，在如所附權(quán)利要求書中陳述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以將一方面的特征應(yīng)用于其它方面并且可以提供細(xì)節(jié)的變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了幫助理解本發(fā)明，現(xiàn)在參照附圖詳細(xì)描述多個(gè)示例實(shí)施例，在附圖中:
[0026]圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的電導(dǎo)傳感器的分解透視圖；
[0027]圖2是圖1中所示電導(dǎo)傳感器的構(gòu)成部分“外殼”的下半部的從上往下看的透視圖；
[0028]圖3A是組裝后的圖1中所示電導(dǎo)傳感器的橫截面圖；
[0029]圖3B是圖示了碳電極與電導(dǎo)計(jì)的印刷電路板連接的方式的細(xì)節(jié)圖；
[0030]圖3C是圖示了用來將碳電極連接到印刷電路板的連接器的形狀的透視圖；
[0031]圖4是圖1中所示電導(dǎo)傳感器的電氣等效電路；
[0032]圖5是圖示了測量信號(hào)由于與電極關(guān)聯(lián)的極化效應(yīng)而隨施加頻率變化的方式的曲線圖；
[0033]圖6是圖示了圖1中所示電導(dǎo)傳感器的構(gòu)成部分“激勵(lì)和處理電路”的框圖；
[0034]圖7是圖示了構(gòu)成圖6中所示電路的一部分的激勵(lì)電路的主要部件的框圖；以及
[0035]圖8是圖示了激勵(lì)和處理電路的可替選布置的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]電導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)
[0037]圖1是圖示了本發(fā)明第一實(shí)施例的電導(dǎo)傳感器I的主要部件的三維分解圖。電導(dǎo)傳感器I被設(shè)計(jì)為透析機(jī)(未示出)的一部分并且提供對(duì)主流電導(dǎo)率和溫度的測量。電導(dǎo)傳感器I包括由上外殼部分3和下外殼部分5構(gòu)成的外殼,其中容納了三個(gè)電極7-1、7_2和7-3、溫度傳感器9以及承載激勵(lì)和處理電路的印刷電路板(PCB) 11。
[0038]下文將更詳細(xì)地說明，電極7被安裝并保持于具有入口 15和出口 17的流道13的腔內(nèi)。如圖1中所示，印刷電路板11包括三個(gè)連接器夾19-1、19-2和19-3，這些連接器夾被設(shè)置成夾到電極7-1至7-3中相應(yīng)的一個(gè)的短邊上并且與該短邊實(shí)現(xiàn)電連接。在此實(shí)施例中，電極具有22mm長、16mm寬和2mm厚的大致矩形塊(骨牌)形狀。
[0039]現(xiàn)在參照?qǐng)D2說明制作電導(dǎo)傳感器I的方式。初始時(shí)，電極7-1至7-3由相應(yīng)的一對(duì)相對(duì)的槽(每對(duì)槽中的一個(gè)槽在圖2中示出并被標(biāo)記為23-1、23-2和23-3)定位并保持于流道13的細(xì)長模腔21內(nèi)。每對(duì)槽中的另一個(gè)槽被下外殼部分5的側(cè)壁遮蔽而不可見。槽23在尺度上被設(shè)定為接納并保持電極7的長邊，使得電極7被保持于橫過細(xì)長模腔21的縱軸的取向上。在此實(shí)施例中，外殼的多個(gè)部分由塑料材料例如Noryl (RTM)形成，且槽23被一體地模制在模腔21的內(nèi)壁上。由于槽23被一體地模制于模腔21內(nèi)，所以槽23可被精確地定位，并因此電極可精確地彼此間隔開。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，電極的精確定位對(duì)于限定電導(dǎo)池(其由電極的將與流體接觸的區(qū)域和電極之間的間隔來限定)的正確池常數(shù)而目是必需的。
[0040]在電極7被插入槽23內(nèi)之后，用熱固樹脂如環(huán)氧樹脂填充模腔21。在此實(shí)施例中，模腔21的深度和電極7的長度被選擇為確保每個(gè)電極7約有4_從熱固材料中突出。然后，通常通過加熱使熱固樹脂脫氣并固化。在固化后，沿著模腔21的縱軸鉆出通孔(未示出)以便在入口 15與出口 17之間限定通過固化的樹脂和電極7的流管。
[0041]在熱固樹脂已固化并且通孔被鉆出之后，插入溫度傳感器9以在入口 15內(nèi)延伸，且PCBll經(jīng)由連接器夾19連接到從模腔21突出的電極7的末端。然后，上外殼部分3以常規(guī)方式固定到下外殼部分5。然后，電導(dǎo)傳感器I的入口 15和出口 17連接到透析機(jī)的入口和出口管25和27。
[0042]圖3A是沿著組裝后的電導(dǎo)傳感器I的縱軸的橫截面圖。如圖所示，溫度傳感器9穿過下外殼部分5的側(cè)壁而延伸到入口 15中，并且被設(shè)置成感測流過電導(dǎo)傳感器I的液體的溫度。圖3A還更詳細(xì)地示出了模腔21，熱固樹脂29先被灌注到模腔21中然后固化。圖3A還圖示了在入口 15與出口 17之間貫穿固化的熱固樹脂和電極7的通孔31。
[0043]圖3B是圖3A中所示的將PCBll連接到電極7_2的連接器夾19_2的細(xì)節(jié)圖。圖3C中示出了一個(gè)連接器夾19的透視圖。如圖所示，連接器夾19包括六個(gè)倒鉤狀彈性觸片，其中一些被示出并被標(biāo)記為33。如圖3B中所示，這些倒鉤狀彈性觸片33被設(shè)置成當(dāng)碳電極7被插入連接器夾19中時(shí)夾住碳電極7的末端。
[0044]電導(dǎo)傳感器的工作
[0045]安裝在PCBll上的激勵(lì)電路生成電壓穩(wěn)定、低失真、I伏峰一峰值的正弦波信號(hào)，該信號(hào)被施加于中央電極7-2。外電極7-1和7-3連接在一起并且經(jīng)由參考電阻器接地。電導(dǎo)池和參考電阻器產(chǎn)生了分壓器。分壓器的結(jié)處的電壓是與測量電導(dǎo)率成比例的交流電壓。也安裝在PCBll上的處理電路處理此交流電壓以確定流過傳感器I的流體的電導(dǎo)率的
測量結(jié)果。
[0046]圖4是電導(dǎo)傳感器I的電氣等效電路。具體而言，圖4示出了向中央電極7-2施加交流電壓的交流源41。圖4還示出了連接在一起并且通過參考電阻器(Rref) 43接地的兩個(gè)外電極7-1和7-3。流過通孔31的流體由矩形45表示，PCBll上的處理電路由伏特計(jì)47表示。
[0047]眾所周知，此類型的電導(dǎo)傳感器因電極7的極化效應(yīng)而具有不精確的缺點(diǎn)。在圖4中，這些極化效應(yīng)由可變極化電阻器(Rp)49表示。眾所周知，此極化電阻隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的平方根而逆變化。因此，可以(并且也是慣例)通過施加高頻激勵(lì)信號(hào)來減小此極化電阻的影響。然而，使用這樣的高頻激勵(lì)信號(hào)需要更昂貴且更復(fù)雜的激勵(lì)和處理電路，并且由于電極之間的干擾和電容耦合而帶來更多的困難。試圖克服極化問題的另一常用技術(shù)是固定激勵(lì)信號(hào)的頻率、測量極化電阻(通過使已知電導(dǎo)率的流體通過計(jì)量儀)并將其存儲(chǔ)為可用來對(duì)在正常使用期間獲得的測量結(jié)果進(jìn)行校正的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。然而，針對(duì)給定激勵(lì)頻率的極化電阻將隨時(shí)間緩慢地變化，因?yàn)殡姌O7的特性隨時(shí)間變化。因此，除非定期地重新執(zhí)行此校準(zhǔn)程序(由于需要使用已知電導(dǎo)率的流體而通常在工廠進(jìn)行該校準(zhǔn)程序)，電導(dǎo)傳感器I的精度將隨時(shí)間緩慢地降低。
[0048]雙頻測量
[0049]在此實(shí)施例中，安裝在印刷電路板11上的激勵(lì)和處理電路被設(shè)置成施加兩個(gè)不同激勵(lì)頻率并測量在這兩個(gè)頻率處獲得的信號(hào)以便確定極化電阻的測量結(jié)果，該測量結(jié)果然后可用來校正電導(dǎo)率測量結(jié)果。可以每當(dāng)電導(dǎo)傳感器進(jìn)行測量時(shí)執(zhí)行此雙頻測量，或者可以間歇地(在校準(zhǔn)程序期間)執(zhí)行此雙頻測量，其中測得的極化數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)以供依靠單頻激勵(lì)的后續(xù)測量使用。可同時(shí)施加雙頻激勵(lì)信號(hào)，然后在處理電路中分離(過濾)雙頻激勵(lì)信號(hào)，但是在該優(yōu)選實(shí)施例中，逐個(gè)施加雙激勵(lì)頻率。
[0050]圖5是圖示了測量信號(hào)隨著施加頻率(f)的平方根的倒數(shù)變化的方式的曲線圖。如圖所示，隨著激勵(lì)頻率的減小，測量信號(hào)增大，當(dāng)激勵(lì)頻率增大時(shí)，測量信號(hào)減小到值Stl,值Stl對(duì)應(yīng)于與流過傳感器I的流體的電導(dǎo)率成比例的期望信號(hào)。在此實(shí)施例中，為了使計(jì)算更容易，使用4kHz和IkHz的激勵(lì)頻率。通過使用這些頻率，在施加4kHz激勵(lì)信號(hào)時(shí)獲得的測量信號(hào)(S4)與在施加IkHz激勵(lì)信號(hào)時(shí)獲得的測量信號(hào)(S1)之差約等于在施加4kHz激勵(lì)信號(hào)時(shí)獲得的測量信號(hào)(S4)與經(jīng)校正的電導(dǎo)率測量結(jié)果Stl之差。換言之，S1 - S4 =S4 - S0并因此Stl = 2S4 - Si。然而，如上所述，電導(dǎo)傳感器I每當(dāng)進(jìn)行電導(dǎo)率測量時(shí)可以不使用兩個(gè)激勵(lì)頻率。為了應(yīng)對(duì)這一點(diǎn)，處理電路確定S1 - S4的值并將其存儲(chǔ)為校準(zhǔn)值，處理電路從在單個(gè)激勵(lì)信號(hào)(4kHz)被施加于電極7-2時(shí)獲得的后續(xù)測量結(jié)果中減去該校準(zhǔn)值。結(jié)果是經(jīng)校正的電導(dǎo)率測量結(jié)果(Stl)15
[0051]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，不必要在雙頻測量期間采用這兩個(gè)特定頻率?？梢允褂脤?dǎo)致測量信號(hào)值與經(jīng)校正的電導(dǎo)率測量結(jié)果(Stl)之間的類似關(guān)系的其它頻率值。例如，4kHz和16kHz的激勵(lì)頻率將提供類似的結(jié)果。此外，不必要使用以上述方式相關(guān)聯(lián)的激勵(lì)頻率?？梢允褂萌魏蝺蓚€(gè)激勵(lì)頻率，雖然這將要求處理電路對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行更復(fù)雜的處理。具體而言，在此情形下，處理電路將必須存儲(chǔ)對(duì)測量信號(hào)隨施加頻率的變化進(jìn)行限定的數(shù)據(jù)，使得處理電子裝置可使用兩個(gè)測量信號(hào)并將它們與兩個(gè)未知數(shù)一極化電阻(Rp)和流過傳感器I的流體的電導(dǎo)率相關(guān)聯(lián)。
[0052]激勵(lì)和處理電路
[0053]圖6是圖示了安裝在印刷電路板11上的激勵(lì)和處理電路的主要部件的框圖。如圖所示，該電路包括微控制器61，微控制器61生成適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)來控制傳感器激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器63生成激勵(lì)信號(hào)。如圖所示，在圖6中，在微控制器61與激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器63之間提供光隔離阻障65。在此實(shí)施例中，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器63在微控制器61所選擇的頻率處生成電壓穩(wěn)定的低失真正弦波。在此實(shí)施例中，如圖7中所示，傳感器激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器63使用8階貝賽爾濾波器64以及用以平滑波形的輸出濾波器66來生成此正弦波。為了能工作，貝賽爾濾波器64需要所需輸出頻率處的方波以及在所需頻率的128倍的頻率處運(yùn)行的時(shí)鐘。晶控振蕩器68和分頻器70用來產(chǎn)生這些信號(hào)。在此實(shí)施例中，為了允許使用頻率切換來消除極化效應(yīng)，分頻器70提供兩組時(shí)鐘和輸出頻率，且雙數(shù)字復(fù)用器72用來選擇所需的一組頻率作為貝賽爾濾波器64的輸入。微控制器61控制復(fù)用器72，使得適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)被施加于電導(dǎo)池67的電極7-2。
[0054]如圖所示，在圖6中，來自電極7的信號(hào)被輸入至電導(dǎo)率輸入調(diào)節(jié)和濾波電路69，電導(dǎo)率輸入調(diào)節(jié)和濾波電路69對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波以減小噪聲的影響。然后，該輸入調(diào)節(jié)和濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流和平滑處理以產(chǎn)生隨著流過電導(dǎo)池67的流體的電導(dǎo)率變化的直流信號(hào)。最后，輸入調(diào)節(jié)濾波電路67放大和縮放此直流信號(hào)以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的信噪比。
[0055]圖6還示出了溫度傳感器9。在此實(shí)施例中，還通過利用參考電阻器(未示出)和傳感器產(chǎn)生分壓器來測量流體的溫度。參考電阻器被選擇為最小化通過溫度傳感器9的電流，使之僅處于消除因自熱而產(chǎn)生的誤差的水平。通過施加固定的直流電壓來驅(qū)動(dòng)溫度傳感器，并且作為結(jié)果的測量直流信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前由溫度輸入調(diào)節(jié)和濾波電路71濾波和縮放。
[0056]在此實(shí)施例中，由調(diào)節(jié)和濾波電路69輸出的經(jīng)放大和縮放的直流信號(hào)被輸入至電壓一可變傳號(hào)空號(hào)(mark space)轉(zhuǎn)換電路73，并在該轉(zhuǎn)換電路73中與由三角波發(fā)生器75生成的三角波的當(dāng)前值進(jìn)行比較。作為結(jié)果的輸出因此將是具有與從調(diào)節(jié)和濾波電路69輸出的直流信號(hào)成比例的傳號(hào)空號(hào)比的固定頻率信號(hào)(對(duì)應(yīng)于三角波發(fā)生器的頻率)。然后，此傳號(hào)空號(hào)信號(hào)經(jīng)由光隔離阻障65被饋送到微控制器61的定時(shí)器比較輸入端，微控制器61執(zhí)行對(duì)傳號(hào)和空號(hào)時(shí)間的高分辨率測量，并根據(jù)該測量的結(jié)果來計(jì)算與上述S4或S1(取決于所用激勵(lì)頻率)的值對(duì)應(yīng)的傳號(hào)空號(hào)比。
[0057]使用電壓一可變傳號(hào)空號(hào)轉(zhuǎn)換電路77對(duì)由溫度輸入調(diào)節(jié)和濾波電路71輸出的經(jīng)濾波和縮放的直流信號(hào)執(zhí)行等效模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0058]如圖6中所示，安裝在印刷電路板11上的處理電路還包括I2c接口 79_1和79_2，經(jīng)校正的電導(dǎo)率測量結(jié)果可從I2c接口 79-1和79-2輸出至例如其它計(jì)算機(jī)裝置。還提供I2c地址編碼電路81，用于將地址信息提供給微處理器61以便控制通過I2c輸出總線79進(jìn)行的通信。還提供由微控制器61控制的狀態(tài)LED83。具體而言，微控制器61控制狀態(tài)LED83以向用戶表明電導(dǎo)傳感器I是否在正確地工作。微控制器61可例如通過監(jiān)視測量的極化電阻隨時(shí)間變化的方式來識(shí)別是否存在故障。具體而言，如果極化電阻從先前值突然改變了超過預(yù)定水平的量，則這表明傳感器I有故障。因而，微控制器61可通過激活適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)LED83來向用戶輸出適當(dāng)?shù)木妗?br> [0059]如圖6中所示，還提供耦合到微控制器61的復(fù)位裝置85，用于將電導(dǎo)傳感器I復(fù)位到它的原始出廠設(shè)置。最后，該電路包括用于從外部源接收電力的電力供應(yīng)連接器87，該電力被傳遞到微控制器61和傳感器電力供應(yīng)調(diào)整電路89，調(diào)整電路89控制向電極7和溫度傳感器9施加的信號(hào)的功率水平。還提供傳感器電力供應(yīng)監(jiān)視器91，用于監(jiān)視由調(diào)整電路89生成的傳感器電力供應(yīng)，該監(jiān)視到的功率信息還被供應(yīng)給微處理器61，用于監(jiān)視電導(dǎo)傳感器I的狀態(tài)。
[0060]修改和可替選實(shí)施例
[0061]在以上實(shí)施例中，使用特定類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)從電極7和溫度傳感器9獲得的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。圖7是圖示了在一個(gè)可替選實(shí)施例中使用的激勵(lì)和處理電路的框圖，該可替選實(shí)施例提供了不同類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。具體而言，該可替選實(shí)施例提供了 Σ-Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器93，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器93具有分別用于電導(dǎo)率和溫度信號(hào)的輸入端。Σ-Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器93具有提供良好的50/60HZ噪聲抑制而無需附加濾波級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，并且包括使得調(diào)節(jié)和濾波電路69和71中無需有一些增益和縮放電路的內(nèi)置增益級(jí)。
[0062]如上所述，不同頻率的兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)被施加于電導(dǎo)傳感器I的電極7。在所述特定實(shí)施例中，依次施加兩個(gè)信號(hào)。倘若被測量的流體的電導(dǎo)率在施加兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)之間的時(shí)間間隔內(nèi)不顯著變化，則上述計(jì)算允許確定極化電阻(Rp)或者至少確定與此電阻成比例的測量結(jié)果(S4 - S1X上述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一在于用于確定極化電阻的計(jì)算無需知道流過電導(dǎo)傳感器I的流體的電導(dǎo)率。因此，測量可以在任何時(shí)間進(jìn)行并且無需任何特殊離線處理。
[0063]如上所述，代替在不同時(shí)間施加兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)，可將兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)施加于電極7-2。這可例如通過施加包括基頻分量和高階諧波的方波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。通過在基頻處和在三次諧波處對(duì)從電極7獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波，可獲得兩個(gè)不同頻率處的兩個(gè)測量結(jié)果。濾波可由模擬或數(shù)字濾波器執(zhí)行，或者通過對(duì)從電極獲得的信號(hào)的頻率分析來執(zhí)行。在濾波后，可按上面概述的方式處理測量結(jié)果以確定有效極化電阻并由此校正電導(dǎo)率測量結(jié)果。
[0064]在上述實(shí)施例中，通過縱向地沿著外殼在入口與出口之間鉆孔，來形成限定通過電導(dǎo)傳感器的流管的通孔31。在一個(gè)可替選實(shí)施例中，可以對(duì)外殼和電極預(yù)鉆孔，并且可以在入口與出口之間插入細(xì)長棒使之穿過外殼和電極。在該實(shí)施例中，在熱固樹脂固化之前插入該棒。在樹脂已固化后，抽取該棒從而留下在外殼的入口與出口之間通過的通孔。[0065]在上述實(shí)施例中，電導(dǎo)傳感器包括三個(gè)電極，其中兩個(gè)連接在一起并且經(jīng)由參考電阻器接地。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，不必要使用三個(gè)電極。例如，可提供二電極傳感器，其中一個(gè)電極連接到激勵(lì)電路而另一個(gè)電極連接到處理電路。如果需要，也可使用更多電極。另外，可以使連接到激勵(lì)和處理電路的電極相反。例如，代替將激勵(lì)電路連接到傳感器電極7-2并將外電極7-1和7-3連接到處理電路，可將激勵(lì)電路連接到電極7-1和7-3并將處理電路連接到傳感器電極7-2。
[0066]類似地，雖然在實(shí)踐中可能總是將激勵(lì)電路連接到同一電極來進(jìn)行兩個(gè)頻率的測量，但是也可以將一個(gè)激勵(lì)頻率施加于一個(gè)電極并且從一個(gè)或多個(gè)其它電極獲得測量結(jié)果，將第二激勵(lì)頻率施加于先前連接到處理電路的電極，并處理從先前連接到激勵(lì)電路的電極獲得的信號(hào)。
[0067]在上述實(shí)施例中，在外殼中提供三對(duì)槽，用于接納并保持三個(gè)電極。在一個(gè)可替選實(shí)施例中，可沿著外殼的長度提供一排槽(例如十個(gè)槽)以允許電極在外殼內(nèi)的靈活定位，以由此控制電導(dǎo)池的作為結(jié)果的池常數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn):同一外殼可用于池常數(shù)不同的電導(dǎo)池。
[0068]在上述第一實(shí)施例中,槽與外殼的內(nèi)壁一體地模制。在一個(gè)可替選實(shí)施例中，可使用膠水或適當(dāng)?shù)木o固件如螺絲將槽固定于外殼內(nèi)。
[0069]在上述實(shí)施例中，激勵(lì)和處理電路安裝在印刷電路板上，該印刷電路板然后經(jīng)由邊緣連接器直接連接到電極，這些邊緣連接器直接連接到該電路板和電極的邊緣。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，一些激勵(lì)和處理電路可安裝在單獨(dú)的電路板上，該單獨(dú)的電路板連接到承載邊緣連接器的電路板。然而，這樣的布置使傳感器的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜而不是優(yōu)選的。
[0070]雖然上述實(shí)施例使用了由各種硬件電路構(gòu)成的激勵(lì)和處理電路，但是激勵(lì)和處理電路的功能可以由可編程計(jì)算機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)，并且用于使得計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)此功能的指令可以以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的指令或者信號(hào)來提供。
[0071 ] 在本說明書(該術(shù)語包括權(quán)利要求書)中公開的和/或在附圖中示出的每個(gè)特征可以與其它公開和/或圖示的特征獨(dú)立地合并在本發(fā)明中。
[0072] 在上述實(shí)施例中，熱固樹脂用來填充外殼的腔以圍繞外殼中的電極。在一個(gè)可替選實(shí)施例中，可提供限定具有多個(gè)槽的模腔的模子。電極于是可放置在槽和用熱塑材料填充的模腔中。在固化后，熱塑材料和嵌入的電極可如上所述那樣從模子拆去并被鉆孔以限定通過塑料和電極的、流體可流過的流管。
【權(quán)利要求】
1.一種電導(dǎo)傳感器,包括: 外殼，限定用于使流體通過的流管； 第一和第二電極，沿著所述流管間隔開； 激勵(lì)電路，可操作為連接到所述電極并且可操作為生成激勵(lì)信號(hào)；以及 處理電路，可操作為連接到所述電極并且可操作為確定流過所述外殼的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果， 其中，所述激勵(lì)電路可操作為將分別具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)施加于至少一個(gè)所述電極，并且其中，所述處理電路可操作為使用針對(duì)所述第一和第二激勵(lì)頻率獲得的測量結(jié)果來確定對(duì)所述電極的極化效應(yīng)進(jìn)行校正的待施加于所述電導(dǎo)率測量結(jié)果的校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為在不同時(shí)間施加所述第一和第二激勵(lì)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為將所述第一和第二激勵(lì)信號(hào)同時(shí)施加于所述至少一個(gè)電極，并且其中，所述處理電路包括用于獲得針對(duì)所述第一和第二激勵(lì)頻率的所述測量結(jié)果的濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為生成方波信號(hào)，并且其中，所述第一和第二激勵(lì)信號(hào)是所述方波信號(hào)的基波和三次諧波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為在所述不同頻率處生成正弦波信號(hào)作為所述第一和第 二激勵(lì)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路包括: i)電路，可操作為在所述第一激勵(lì)頻率處生成第一方波信號(hào)并且在所述第二激勵(lì)頻率處生成第二方波信號(hào)； ii)濾波器，可操作為對(duì)所述第一和第二方波信號(hào)中所選的一個(gè)進(jìn)行濾波以生成與所選方波信號(hào)頻率相同的正弦波信號(hào)；以及 iii)選擇器，可操作為選擇所述第一和第二方波信號(hào)二者之一以供輸入至所述濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為施加所述第一和第二激勵(lì)信號(hào)，并且所述處理電路可操作為在間或執(zhí)行的校準(zhǔn)程序期間確定所述校正，并且其中，所述處理電路可操作為存儲(chǔ)經(jīng)確定的所述校正以用于校正后續(xù)測量結(jié)果，直到執(zhí)行了又一校準(zhǔn)程序并且確定了更新的校正時(shí)為止。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為施加所述第一和第二激勵(lì)信號(hào)，并且所述處理電路可操作為針對(duì)每個(gè)確定的電導(dǎo)率測量結(jié)果確定所述校正。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的傳感器，其中，所述處理電路可操作為通過比較所述更新的校正與一個(gè)或多個(gè)先前的校正來確定表明所述傳感器的工作狀態(tài)的狀態(tài)信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其中，所述處理電路可操作為在其確定了所述更新的校正與一個(gè)或多個(gè)先前確定的校正顯著不同的情況下向用戶輸出警告。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述激勵(lì)電路可操作為將所述激勵(lì)信號(hào)施加于所述第一電極，并且其中，所述處理電路可操作為根據(jù)從所述第二電極獲得的信號(hào)來確定所述電導(dǎo)率測量結(jié)果。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述第一和第二激勵(lì)信號(hào)的頻率被選擇為使得所述處理電路能通過減去針對(duì)所述第一和第二激勵(lì)頻率獲得的所述測量結(jié)果來確定所述校正。
13.一種確定流體的電導(dǎo)率的方法，所述方法包括: 使所述流體通過外殼(5)的流管； 使用激勵(lì)電路(63)來生成分別具有第一和第二激勵(lì)頻率的第一和第二激勵(lì)信號(hào)，并且將所述激勵(lì)信號(hào)施加于沿著所述流管間隔開的第一和第二電極(7)中的至少一個(gè)；以及使用連接到所述電極(7)的處理電路(61)來確定流過所述外殼(5)的流體的電導(dǎo)率測量結(jié)果，其中，所述電導(dǎo)率測量結(jié)果包括與待測量的所述電導(dǎo)率成比例地變化的期望分量以及隨著所述電極(7)的極化效應(yīng)而變化的非期望分量，并且其特征在于，使用針對(duì)所述第一和第二激勵(lì)頻率獲得的所述電導(dǎo)率測量結(jié)果來確定對(duì)所述極化效應(yīng)的校正，并且將所述校正施加于電導(dǎo)率測量結(jié)果以生成已被校正了所述電極(7)的所述極化效應(yīng)的、經(jīng)校正的電導(dǎo)率測量結(jié)果。`
【文檔編號(hào)】G01N27/07GK103558263SQ201310456926
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2006年12月6日
【發(fā)明者】科林·豪厄爾, 大衛(wèi)·阿爾博內(nèi), 大衛(wèi)·愛德華·科 申請(qǐng)人:Abb有限公司