一種利用電磁法實(shí)時(shí)測量流體電導(dǎo)率的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁感應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電磁法實(shí)時(shí)測量流體電導(dǎo)率的 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 電導(dǎo)率是流體的重要特性之一，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)研宄以及 工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中。和電導(dǎo)率較高的金屬材料相比，由于受自身濃度分布、不穩(wěn)定形態(tài)、溫 度等因素的影響，實(shí)現(xiàn)流體電導(dǎo)率的準(zhǔn)確、快速測量存在一定的難度。目前最普遍使用的方 法是電極法和電磁法。
[0003] 電極法又稱為電化學(xué)法，目前使用的電導(dǎo)率測量儀器大部分是基于此種原理，而 電極法在實(shí)際測量中還存在著一些特殊性和局限性，例如激勵(lì)電源的選擇，直流電源會(huì)使 電極周圍產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而使用交流電源時(shí)電極或電極引線的寄生電容又會(huì)產(chǎn)生電容電 流，另外，電極法屬于接觸式測量，在一定程度上會(huì)對(duì)被測流體造成破壞，且存在電極長期 與液體接觸會(huì)被腐蝕等問題，這些都會(huì)嚴(yán)重影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和現(xiàn)場實(shí)用性。另外一 種較為新穎的方法是電磁感應(yīng)法，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)的是非接觸式測量，克服了接觸式 測量（電導(dǎo)法）的一些主要的缺點(diǎn)，擁有測量范圍寬、測量準(zhǔn)確快速、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等 特點(diǎn)，因此得到了廣泛的研宄和應(yīng)用，例如對(duì)金屬材料的探傷、膜厚測量、鋼鐵生產(chǎn)過程的 參數(shù)檢測及流體的液位和電導(dǎo)率測量等，但在低導(dǎo)電率流體的測量上尚需進(jìn)一步研宄，同 時(shí)以往的一些研宄大都利用感應(yīng)信號(hào)的幅值實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電率的測量，由于電解質(zhì)流體電導(dǎo)率一 般都比較低，磁力線經(jīng)過流體后幅值上的衰減很小，主要表現(xiàn)在互感信號(hào)相位上的變化。由 此使得測量精確不足，測量范圍也不夠大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種利用共軸線圈間的電磁互感信息快 速、準(zhǔn)確的測量流體電導(dǎo)率的裝置。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種利用電磁法實(shí)時(shí)測量流體電導(dǎo)率的裝置， 該裝置包括：傳感器、電磁檢測模塊、上位機(jī)；
[0008] 所述傳感器由探針和前端電路組成，其中，探針由線圈和探管共同組成，具體為一 對(duì)共軛線圈以一定間距的平行方式纏繞在探管表面，四周包裹屏蔽材料；所述一對(duì)共軛線 圈中一個(gè)作為激勵(lì)線圈，另一個(gè)作為接收線圈；所述一對(duì)共軸線圈為中心軸線重合的兩個(gè) 線圈，由表面絕緣的漆皮銅絲纏繞而成，線圈的半徑一定，線圈間的軸向距離一定；所述探 管的材料為絕緣材料，探管直徑尺寸為毫米級(jí)；
[0009] 測量時(shí)將探針插入待測流體中，測量過程中保持探針上的共軸線圈全部處于待測 流體液面以下；該探針具有屏蔽層，且材料表面為絕緣物質(zhì)；
[0010] 所述前端電路用于實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的關(guān)斷、功率放大、互感信號(hào)的預(yù)處理功能；
[0011] 由傳感器感知的互感信號(hào)經(jīng)電磁檢測模塊數(shù)字化處理后通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；
[0012] 所述電磁檢測模塊用于產(chǎn)生激勵(lì)交流信號(hào)、進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、執(zhí)行相敏解調(diào)并與上 位機(jī)進(jìn)行指令交互；
[0013] 所述上位機(jī)用于設(shè)置激勵(lì)頻率、在線標(biāo)定、實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果；
[0014] 具體而言，工作過程中，向激勵(lì)線圈中注入交流信號(hào)，四周產(chǎn)生的電磁渦流電場約 束方程為：
[0015] VxVxE- kb2E = ?ωμ3 + [k2 (r) - kb2 ]E (I)
[0016] 其中，算子Vx表示場量的旋度，E為電場，J為激勵(lì)電流，k(r)為空氣中的波數(shù)，kb 為導(dǎo)電流體中的波數(shù)，ω為激勵(lì)信號(hào)頻率，μ為磁導(dǎo)率；
[0017] 由伯恩近似，即假設(shè)頻率和物體電導(dǎo)率都很低，則認(rèn)為散射場很微弱，在忽略位移 電流且流體分布均勻的情況下，上式（1)經(jīng)推導(dǎo)得到散射場公式：
[0018] Es(r，r'）=-j ω σ μ 丄 dr" G(r，r" )E 0(r"，r'） (2)
[0019] 其中，J dr" G(r，r" )EQ(r"，r')看做一個(gè)和線圈管道尺寸相關(guān)的比例系數(shù)， σ為介質(zhì)電導(dǎo)率，反映了材料的導(dǎo)電性能；而散射場的強(qiáng)度與接收線圈的感應(yīng)電壓成正 比，從上式可以看出被測物體對(duì)感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在虛部；由于不同電導(dǎo)率的 流體其磁導(dǎo)率變化不大，因此其相位變化與被測流體的電導(dǎo)率呈正比，其比例系數(shù)α，即相 角變化值/流體電導(dǎo)率，既可以通過公式計(jì)算出來，也可以在實(shí)際測量中通過標(biāo)定得到，比 例系數(shù)α是線圈半徑R、共軸線圈間距D、激勵(lì)信號(hào)頻率ω的函數(shù)，可以表示為a =f(R， D，ω);
[0020] 此外，所述電磁檢測裝置由FPGA實(shí)現(xiàn)，其包括：DDS模塊、M⑶、USB接口；所述前段 電路包括：功率放大器、信號(hào)預(yù)處理器；具體過程為：首先由DDS模塊，即直接數(shù)字頻率合成 器，產(chǎn)生用于激勵(lì)的交流參考信號(hào)，經(jīng)功率放大器進(jìn)行功率放大后注入激勵(lì)線圈，然后接收 線圈采集到的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)預(yù)處理器后進(jìn)行數(shù)字化采樣生成離散采樣信號(hào)，在MCU控制 下利用相敏解調(diào)方法根據(jù)離散采樣信號(hào)計(jì)算出互感信號(hào)的相位值，然后通過USB傳輸?shù)缴?位機(jī)；
[0021] 所謂相敏解調(diào)方法是眾多解調(diào)方法的一種，可以將被高斯白噪聲污染甚至淹沒 的有用信號(hào)提取出來，用途非常廣泛，也稱為鎖相檢測、鎖相放大、相關(guān)檢測和相關(guān)解調(diào)方 法；
[0022] 此處將上述得到的離散采樣信號(hào)M[n]表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用電磁法實(shí)時(shí)測量流體電導(dǎo)率的裝置，其特征在于，該裝置包括：傳感器、電 磁檢測模塊、上位機(jī)； 所述傳感器由探針和前端電路組成，其中，探針由線圈和探管共同組成，具體為一對(duì)共 軛線圈以一定間距的平行方式纏繞在探管表面，四周包裹屏蔽材料；所述一對(duì)共軛線圈中 一個(gè)作為激勵(lì)線圈，另一個(gè)作為接收線圈；所述一對(duì)共軸線圈為中心軸線重合的兩個(gè)線圈， 由表面絕緣的漆皮銅絲纏繞而成，線圈的半徑一定，線圈間的軸向距離一定；所述探管的材 料為絕緣材料，探管直徑尺寸為毫米級(jí)； 測量時(shí)將探針插入待測流體中，測量過程中保持探針上的共軸線圈全部處于待測流體 液面以下；該探針具有屏蔽層，且材料表面為絕緣物質(zhì)； 所述前端電路用于實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的關(guān)斷、功率放大、互感信號(hào)的預(yù)處理功能； 由傳感器感知的互感信號(hào)經(jīng)電磁檢測模塊數(shù)字化處理后通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)； 所述電磁檢測模塊用于產(chǎn)生激勵(lì)交流信號(hào)、進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、執(zhí)行相敏解調(diào)并與上位機(jī) 進(jìn)行指令交互； 所述上位機(jī)用于設(shè)置激勵(lì)頻率、在線標(biāo)定、實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果； 具體而言，工作過程中，向激勵(lì)線圈中注入交流信號(hào)，四周產(chǎn)生的電磁渦流電場約束方 程為：
其中，算子▽X表示場量的旋度，E為電場，J為激勵(lì)電流，k(r)為空氣中的波數(shù)，kb為 導(dǎo)電流體中的波數(shù)，《為激勵(lì)信號(hào)頻率，U為磁導(dǎo)率； 由伯恩近似，即假設(shè)頻率和物體電導(dǎo)率都很低，則認(rèn)為散射場很微弱，在忽略位移電流 且流體分布均勻的情況下，上式（1)經(jīng)推導(dǎo)得到散射場公式： Es (r,rr ) = -j?oyj/dr;/G(r,r;/ )E〇 (r,rr ) (2) 其中，Jdr"G(r，r" )EQ(r"，r')看做一個(gè)和線圈管道尺寸相關(guān)的比例系數(shù)，〇為 介質(zhì)電導(dǎo)率，反映了材料的導(dǎo)電性能；而散射場的強(qiáng)度與接收線圈的感應(yīng)電壓成正比，從上 式可以看出被測物體對(duì)感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在虛部；由于不同電導(dǎo)率的流體其磁 導(dǎo)率變化不大，因此其相位變化與被測流體的電導(dǎo)率呈正比，其比例系數(shù)a，即相角變化值 /流體電導(dǎo)率，既可以通過公式計(jì)算出來，也可以在實(shí)際測量中通過標(biāo)定得到，比例系數(shù)a 是線圈半徑R、共軸線圈間距D、激勵(lì)信號(hào)頻率《的函數(shù)，可以表示為a=f(R，D，《); 此外，所述電磁檢測裝置由FPGA實(shí)現(xiàn)，其包括：DDS模塊、MCU、USB接口；所述前段電路 包括：功率放大器、信號(hào)預(yù)處理器；具體過程為：首先由DDS模塊，即直接數(shù)字頻率合成器， 產(chǎn)生用于激勵(lì)的交流參考信號(hào)，經(jīng)功率放大器進(jìn)行功率放大后注入激勵(lì)線圈，然后接收線 圈采集到的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)預(yù)處理器后進(jìn)行數(shù)字化采樣生成離散采樣信號(hào)，在MCU控制下 利用相敏解調(diào)方法根據(jù)離散采樣信號(hào)計(jì)算出互感信號(hào)的相位值，然后通過USB傳輸?shù)缴衔?機(jī)； 所謂相敏解調(diào)方法是眾多解調(diào)方法的一種，可以將被高斯白噪聲污染甚至淹沒的有用 信號(hào)提取出來，用途非常廣泛，也稱為鎖相檢測、鎖相放大、相關(guān)檢測和相關(guān)解調(diào)方法； 此處將上述得到的離散采樣信號(hào)M[n]表示為：
其中，A為幅值，<i>為相位，f；為信號(hào)頻率，fs為采樣頻率，Ns為采樣點(diǎn)數(shù)； 整個(gè)相敏解調(diào)方法分兩步： 第一步，將離散采樣信號(hào)M[n]與由DDS產(chǎn)生的數(shù)字交流參考信號(hào)相乘，得到：
其中，I[n]為互感信號(hào)實(shí)部分量，Q[n]為虛部分量； 第二步，將上一步得到的信號(hào)通過一個(gè)低通濾波器，將諧波分量濾除，就得到代表被解 調(diào)信號(hào)的實(shí)虛部信息，進(jìn)一步通過求反切計(jì)算得到相位； 所述電磁檢測裝置還設(shè)置為可以接收上位機(jī)指令進(jìn)行激勵(lì)頻率的切換，調(diào)整電導(dǎo)率測 量范圍； 所述上位機(jī)通過USB和電磁檢測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，得到相位信息后加權(quán)比例系數(shù)就 可得到電導(dǎo)率值并實(shí)時(shí)顯示；操作人員還可以通過UI界面設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如激勵(lì)頻率和標(biāo) 定參照物，最大限度的保證測量精度；標(biāo)定參照物包括空氣、純水或電導(dǎo)率已知的電解質(zhì)溶 液； 在實(shí)施操作中，整個(gè)測量過程如下：首先在上位機(jī)中設(shè)置激勵(lì)頻率，選擇標(biāo)定參照物， 將探針插入到標(biāo)定參照物中，要求共軸線圈全部處于液面下保持靜止，采集標(biāo)定結(jié)果，根據(jù) 標(biāo)定結(jié)果實(shí)時(shí)更新比例系數(shù)a;然后將探針插入到被測流體中，得到測量結(jié)果。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電磁感應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電磁法實(shí)時(shí)測量流體電導(dǎo)率的裝置。針對(duì)流體電導(dǎo)率較低，對(duì)電磁互感信號(hào)幅值影響不大的情況，所述裝置通過激勵(lì)頻率可調(diào)節(jié)、提取相位分量代替幅值的方法，最大限度的提取有用信息，以期獲得最為準(zhǔn)確的測量結(jié)果；針對(duì)電磁法測量流體電導(dǎo)率易受周邊電磁環(huán)境干擾的情況，所述裝置通過實(shí)時(shí)標(biāo)定和探針屏蔽的方法，防止電磁干擾帶來的測量結(jié)果漂移；針對(duì)在流體電導(dǎo)率較低，激勵(lì)信號(hào)頻率較高時(shí)高頻信號(hào)傳輸容易受到噪聲干擾的問題，所述裝置通過采用同軸電纜屏蔽的方法進(jìn)行信號(hào)傳輸，保證信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。
【IPC分類】G01N27-06
【公開號(hào)】CN104777196
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410719846
【發(fā)明人】陳廣, 王樂鴻, 所玉君
【申請(qǐng)人】中國航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五七研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2014年12月3日