基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用磁共振耦合無線能量傳輸檢測濃度，具體涉及基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置及檢測方法，包括溫度監(jiān)測及控制裝置、與計算機連接的網(wǎng)絡分析儀，還包括與所述網(wǎng)絡分析儀連接的測試設備，所述測試設備包括磁共振耦合系統(tǒng)，所述磁共振耦合系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端。該裝置克服了普通傳感器來測量溶液的濃度時由于溶液會在傳感器上產(chǎn)生結(jié)晶甚至腐蝕傳感器，而在普通傳感器表明添加防腐材料又會大大影響測量精度，從而影響儀器的使用的缺陷。在諧振線圈的表面添加涂層，有效防止了溶液結(jié)晶和被腐蝕，諧振線圈可以長時間測量且可以被抽出清洗，實現(xiàn)溶液的無損檢測，具有良好的應用前景。
【專利說明】
基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領域
[0001]本發(fā)明屬于利用磁共振耦合無線能量傳輸檢測濃度技術(shù)領域，特別涉及基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]濃度是表征介質(zhì)溶液特征的重要參量之一。對溶液濃度的測量與控制在造紙、化工、制糖、食品、制藥等行業(yè)中有著廣泛的應用，它是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。而采用普通傳感器來測量溶液的濃度時由于溶液會在傳感器上產(chǎn)生結(jié)晶甚至腐蝕傳感器，如果在普通傳感器表明添加防腐材料又會大大影響測量精度，從而影響儀器的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種靈敏地檢測溶液濃度，且在使用后經(jīng)過清洗可以多次使用的溶液濃度檢測裝置，避免了利用傳統(tǒng)的傳感器來測量溶液的濃度時由于溶液會在傳感器上產(chǎn)生結(jié)晶甚至腐蝕傳感器的弊端，使溶液濃度檢測裝置更為可靠方便。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，包括溫度監(jiān)測及控制裝置、與計算機連接的網(wǎng)絡分析儀，還包括與所述網(wǎng)絡分析儀連接的測試設備，所述測試設備包括磁共振耦合系統(tǒng)。
[0005]進一步地，所述磁共振耦合系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端。
[0006]進一步地，所述發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變器和發(fā)射線圈；所述接收端包括接收線圈、整流器和負載。
[0007]更進一步地，所述發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，且所述發(fā)射線圈和接收線圈上均涂有耐酸陶瓷。
[0008]利用上述基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置檢測溶液濃度的方法，包括以下步驟:
(1)取樣品溶液，采用溫度監(jiān)測及控制裝置測量樣品溶液的溫度，記錄下溫度值，將測試設備的發(fā)射線圈和接收線圈插入到樣品溶液中；
(2)保持步驟(I)記錄的溫度值恒定，用網(wǎng)絡分析儀測量發(fā)射線圈和接收線圈浸泡在不同濃度的樣品溶液中的散射矩陣參數(shù)，以下稱S參數(shù)；
(3)建立步驟(2)所測量的S參數(shù)與樣品溶液濃度的關系，存入計算機系統(tǒng)作為比對參數(shù)；
(4)測量待測溶液的濃度，取待測溶液，用溫度監(jiān)測及控制裝置將待測溶液的溫度調(diào)控為測量樣品溶液比對參數(shù)時相同的溫度，使用步驟(I)中相同的發(fā)射線圈和接收線圈插入待測溶液中，再利用網(wǎng)絡分析儀測量S參數(shù)，并傳送至計算機進行處理，根據(jù)比對參數(shù)進行比對分析，得出待測溶液的濃度。
[0009]磁共振耦合無線能量傳輸技術(shù)，就是利用兩個具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時，由于磁場耦合產(chǎn)生諧振，進行能量傳遞。一般來說，兩個有一定距離的LC諧振線圈，相互之間是弱耦合，但若兩個具有相同的諧振頻率，則會產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個電磁諧振系統(tǒng)。所謂“磁耦合諧振式”，是指空間進行能量交換的媒介是交變磁場，每個線圈的電磁諧振是由線圈中的磁場與分布電容的電場實現(xiàn)的。在系統(tǒng)進行無線電能的傳輸時，主要是通過發(fā)射端的發(fā)射線圈激發(fā)的高頻磁場在接收端的接收線圈中引起電磁感應，從而使接收線圈產(chǎn)生電壓，接收能量并轉(zhuǎn)化為電能，并通過整流濾波成恒定的直流電后向負載供電。
[0010]磁共振耦合無線能量傳輸方案可以通過二端口網(wǎng)絡理論來分析，對于二端口網(wǎng)絡可以通過不同的等效電路參數(shù)來表征，在高頻時，由于網(wǎng)絡分析儀的存在，散射矩陣成為首選，它可以測量在較寬頻率范圍內(nèi)的S參數(shù)。S參數(shù)可以反映磁共振耦合諧振線圈能量的傳輸特性，由于磁共振耦合利用空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦?，?jù)此可以建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應關系，通過比對來測量溶液的濃度。
[0011]本發(fā)明基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置是在保持溫度恒定的條件下，將兩個磁共振耦合的發(fā)射線圈和接收線圈插入到濃度待測的溶液中，將磁共振耦合的發(fā)射線圈、接收線圈看成二端口網(wǎng)絡，利用網(wǎng)絡分析儀測量浸泡在溶液中兩線圈的S參數(shù)。由于磁共振耦合利用空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦?，?jù)此可以建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應關系，將網(wǎng)絡分析儀測得的S參數(shù)送至計算機進行系統(tǒng)處理，根據(jù)比對溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應關系可以得到待測溶液的濃度。
[0012]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明利用磁共振耦合空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦?，?jù)此建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應關系，將網(wǎng)絡分析儀得到的S參數(shù)送至計算機進行系統(tǒng)處理，根據(jù)比對對應關系得到待測溶液的濃度。為防止線圈與溶液的直接接觸，在諧振線圈的表面添加涂層，由于諧振線圈的能量僅通過空間電磁場傳輸，因此在諧振線圈的表面添加涂層并不會影響諧振線圈參數(shù)的測量，只需要保持使用的線圈與建立S參數(shù)與溶液濃度關系時使用的線圈一致即可，有效防止了溶液結(jié)晶和被腐蝕，避免了普通傳感器表面添加防腐材料會大大影響測量精度的問題。諧振線圈可以長時間測量且可以被抽出清洗，實現(xiàn)溶液的無損檢測，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明一個實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明一個實施方式中基于磁共振耦合的無線能量傳輸示意圖；
圖3是本發(fā)明一個實施方式中網(wǎng)絡分析儀測量S參數(shù)示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。如圖1所示，本發(fā)明的實施方式技術(shù)方案如下:基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，包括溫度監(jiān)測及控制裝置、與計算機連接的網(wǎng)絡分析儀，還包括與所述網(wǎng)絡分析儀連接的測試設備，所述測試設備包括磁共振耦合系統(tǒng)。
[0015]所述磁共振耦合系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端。
[0016]所述發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變器和發(fā)射線圈;所述接收端包括接收線圈、整流器和負載。
[0017]所述發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，且所述發(fā)射線圈和接收線圈上均涂有耐酸陶瓷。
[0018]利用上述基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置檢測溶液濃度的方法，包括以下步驟:
(1)取樣品溶液，采用溫度監(jiān)測及控制裝置測量樣品溶液的溫度，記錄下溫度值，將發(fā)射線圈和接收線圈插入到樣品溶液中；
(2)保持步驟(I)記錄的溫度值恒定，用網(wǎng)絡分析儀測量發(fā)射線圈和接收線圈浸泡在不同濃度的樣品溶液中的散射矩陣參數(shù)，以下稱S參數(shù)；
(3)建立步驟(2)所測量的S參數(shù)與樣品溶液濃度的關系，存入計算機系統(tǒng)作為比對參數(shù)；
(4)測量待測溶液的濃度，取待測溶液，用溫度監(jiān)測及控制裝置將待測溶液的溫度調(diào)控為測量樣品溶液比對參數(shù)時相同的溫度，使用步驟(I)中相同的發(fā)射線圈和接收線圈插入待測溶液中，再利用網(wǎng)絡分析儀測量S參數(shù)，并傳送至計算機進行處理，根據(jù)比對參數(shù)進行比對分析，得出待測溶液的濃度。
[0019]圖1中的溫度監(jiān)測及控制裝置用于使溶液溫度保持恒定，發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個電磁諧振系統(tǒng)，發(fā)射線圈和接收線圈為磁共振耦合諧振線圈；利用磁共振耦合無線能量傳輸特性受到空間介質(zhì)變化的影響這一特點，在磁共振耦合諧振線圈固定，且在某一恒定溫度的條件下，利用網(wǎng)絡分析儀測量諧振線圈浸泡在不同濃度的溶液中時的S參數(shù)，并建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的關系作為測量濃度時的比對參數(shù)；當需要測量某一溶液的濃度時，保持待測溶液的溫度與獲取比對參數(shù)時的溫度相同，保持與建立比對參數(shù)時使用的諧振線圈一致，將上述的兩個磁共振耦合諧振線圈插入到濃度待測的溶液中，將磁共振耦合的諧振線圈看成二端口網(wǎng)絡，利用網(wǎng)絡分析儀測量浸泡在溶液中的諧振線圈的S參數(shù)，并將網(wǎng)絡分析儀得到的S參數(shù)送至計算機進行系統(tǒng)處理，與已知濃度的諧振線圈對應的S參數(shù)進行比對分析，得到待測溶液的濃度。另一方面，對于易結(jié)晶的溶液如尿素溶液等，可以適當升高溫度以增加溶質(zhì)的溶解度以防止結(jié)晶，同樣只需要通過溫度監(jiān)測及控制裝置保持測量時與建立S參數(shù)和溶液濃度關系時的溫度一致即可，可以有效防止結(jié)晶。
[0020]為了防止諧振線圈與溶液的直接接觸，進而防止溶液結(jié)晶和諧振線圈被腐蝕，在諧振線圈的表面添加如耐酸陶瓷之類的新材料作為涂層，耐酸陶瓷幾乎能耐受所有腐蝕介質(zhì)，包括濃熱硝酸、鹽酸、王水、鹽溶液、有機溶液等，適用于300°C以下的防腐。因為諧振線圈的能量僅通過空間電磁場傳輸，所以諧振線圈添加涂層后不會影響空間的交變磁場，從而也不會影響諧振線圈的測量。諧振線圈可以長時間測量且可以被抽出清洗，實現(xiàn)溶液濃度的無損檢測。
[0021]如圖2所示，基于磁共振耦合的無線能量傳輸示意圖，利用兩個具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時，由于磁場耦合產(chǎn)生諧振，進行能量傳遞。一般來說，兩個有一定距離的LC諧振線圈，相互之間是弱耦合，但若兩者具有相同的諧振頻率，則會產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個電磁諧振系統(tǒng)。在系統(tǒng)進行無線能量的傳輸時，圖2所示的直流電源發(fā)出的直流電經(jīng)過高頻逆變器逆變成高頻電流，高頻電流通過發(fā)射端的發(fā)射線圈激發(fā)出高頻磁場，從而在接收端的接收線圈中引起磁共振，使接收線圈產(chǎn)生電壓，接收能量并轉(zhuǎn)化為電能，通過整流器整流濾波成恒定的直流電后，向負載供電。
[0022]如圖3所示，兩個磁共振耦合線圈可以看成雙邊的二端口網(wǎng)絡，所以磁共振耦合無線能量傳輸方案可以通過二端口網(wǎng)絡理論來分析，對于二端口網(wǎng)絡可以通過不同的等效電路參數(shù)來表征，在高頻時，由于網(wǎng)絡分析儀的存在，散射矩陣成為首選，它可以測量在較寬頻率范圍內(nèi)的散射矩陣參數(shù)，即所謂的S參數(shù)。如圖3所示，只需將網(wǎng)絡分析儀連接在測試設備的兩端，就可以讀出測試設備所代表的二端口網(wǎng)絡的S參數(shù)，并可以將讀取的數(shù)據(jù)送至計算機進行系統(tǒng)處理。S參數(shù)可以反映磁共振耦合諧振線圈能量的傳輸特性，由于磁共振耦合利用空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦?，?jù)此可以建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應關系作為比對參數(shù)存入計算機，將待測溶液S參數(shù)進行比對即可測出待測溶液的濃度。
[0023]綜上所述，本發(fā)明的實施方式在特定的溫度下，將兩個磁共振耦合的諧振線圈插入到濃度待測的溶液中，將磁共振耦合的諧振線圈看成二端口網(wǎng)絡，利用網(wǎng)絡分析儀測量浸泡在溶液中的諧振線圈的S參數(shù)。由于磁共振耦合利用空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦?，?jù)此可以建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應關系，將網(wǎng)絡分析儀得到的S參數(shù)送至計算機進行系統(tǒng)處理，根據(jù)對應關系可以得到待測溶液的濃度。還可以在諧振線圈的表面添加新材料，防止線圈與溶液的直接接觸，進而防止溶液結(jié)晶和線圈被腐蝕，且不會影響空間的交變磁場從而不會影響諧振線圈的測量，諧振線圈可以長時間測量且可以被抽出清洗，實現(xiàn)溶液的無損檢測。
[0024]應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0025]雖然以上結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的【具體實施方式】，但是本領域普通技術(shù)人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對這些實施方式做出多種變形或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
【主權(quán)項】
1.基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，包括溫度監(jiān)測及控制裝置、與計算機連接的網(wǎng)絡分析儀，其特征在于:還包括與所述網(wǎng)絡分析儀連接的測試設備，所述測試設備包括磁共振耦合系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，其特征在于:所述磁共振耦合系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，其特征在于:所述發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變器和發(fā)射線圈;所述接收端包括接收線圈、整流器和負載。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，其特征在于:所述發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，且所述發(fā)射線圈和接收線圈上均涂有耐酸陶bL.05.—種利用權(quán)利要求1所述基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置檢測溶液濃度的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)取樣品溶液，采用溫度監(jiān)測及控制裝置測量樣品溶液的溫度，記錄下溫度值，將測試設備的發(fā)射線圈和接收線圈插入到樣品溶液中； (2)保持步驟(I)記錄的溫度值恒定，用網(wǎng)絡分析儀測量發(fā)射線圈和接收線圈浸泡在不同濃度的樣品溶液中的散射矩陣參數(shù);以下散射矩陣參數(shù)稱S參數(shù)； (3)建立步驟(2)所測量的S參數(shù)與樣品溶液濃度的關系，存入計算機系統(tǒng)作為比對參數(shù)； (4)測量待測溶液的濃度，取待測溶液，用溫度監(jiān)測及控制裝置將待測溶液的溫度調(diào)控為測量樣品溶液比對參數(shù)時相同的溫度，使用步驟(I)中相同的發(fā)射線圈和接收線圈插入待測溶液中，再利用網(wǎng)絡分析儀測量S參數(shù)，并傳送至計算機進行處理，根據(jù)比對參數(shù)進行比對分析，得出待測溶液的濃度。
【文檔編號】G01N24/08GK105866158SQ201610196606
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】蔡昌松, 王軍華, 朱蜀, 龍孟姣, 方支劍
【申請人】武漢大學