（检测技术与自动化装置专业论文）基于电涡流法的电解质溶液电导率测量系统研制.pdf

摘要 工程电导检测技术具有可测范围宽、灵敏度高、成本低、安全性好、便于 实现连续测量等优点而被逐步应用到土壤盐度分析、水环境监测、工业流程控 制、多相流参数检测、化学分析等领域中。这些领域中的检测对象多数以电解 质溶液的形式存在，工程电导检测多数是电解质溶液的电导率检测。 电解质溶液的电导率检测目前多数为电极接触式检测方法，此方法存在电 极极化、腐蚀等问题。近年来出现了一些基于电磁感应原理的非接触测量方法， 解决了电极接触式测量的缺点，但仍存在一些问题：有些传感器需要改变原有 管道的结构形状或改变流体的流动形态，属侵入测量；传感器复杂，加工精度 要求高；测量精度一般低于电极接触式测量方法。 本文针对电磁感应式电导率测量方法存在的问题进行了研究，对传感器结 构进行改进优化，对信号调理电路进行改进设计和抗干扰设计，研制了一套基 于电磁感应的电解质溶液电导率在线测量系统。本文的主要工作如下： ( 1 ) 本文把通常用于测量金属、合金等良导体的对射式涡流传感器应用于 测量电导率较小的电解质溶液，提出了一种双线圈管道贴附式溶液电导率在线 测量结构，简化了三线罔、四线圈等溶液电导率测量传感器的结构，研制了一 套电解质溶液电导率的非接触、非侵入、在线测量系统。 ( 2 ) 针对溶液电导率小、涡流强度弱的特点，本文提出了用较高频率的j f 弦波激励的方案，并将高速高精度模拟乘法器应用于微弱涡流信号提取，并取 得了较好的效果。同时，在分析双线罔贴附式涡流传感器结构的等效电路和干 扰途径的基础上，采取了差动放大的思路把干扰变为共模信号加以抑制，得到 了很好的抗噪效果，同时提高了测量系统的线性度，为在线测量提供了可能。 ( 3 ) 初步实验结果表明，本测量系统在较宽的测量范围内，测量灵敏度及 精度较好，测量方法有效，达到了预期的设计目的。 关键词：电解质溶液电涡流电导率测量非接触测量非侵入测量 a b s t r ac t e n g i n e e r i n gc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , w i t hi t sw i d es c o p e ，h i g h a c c u r a c y l o wc o s t ，h i g hs e c u r i t y , c o n v e n i e n c ei nc o n t i n u o u sd e t e c t i n g ，i sm o r ea n d m o r ew i d e l ya p p l i e dt os o i l s a l i n i t ya n a l y s i s ，w a t e re n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ， i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ，m u l t i p h a s ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，a n dc h e m i c a la n a l y s i s ， e t c m o s to ft h eo b j e c t st ob em e a s u r e di nt h e s ef i e l d se x i s ti nt h ef o r mo fe l e c t r o l y t e s o l u t i o n i nm a j o r i t y , e n g i n e e r i n gc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n ti se l e c t r o l y t es o l u t i o n c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t s of a r , m o s to ft h ee l e c t r o l y t es o l u t i o nc o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s u s ec o n t a c te l e c t r o d ei nt h ed e t e c t i o np r o c e s s t h i sm e t h o dh a sp r o b l e m sl i k e e l e c t r o d ep o l a r i z a t i o n , c o r r o s i o n ，c a p a c i t a n c ee f f e c t s ，e t c i nr e c e n ty e a r s ，s o m e c o n t a c t l e s sm e a s u r e m e n tm e t h o d sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nh a v eb e e np r o p o s e d t h e s em e t h o d sc a no v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e so ft h e c o n t a c tm e a s u r e m e n t h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m s ：s o m es e n s o r sa r e i n t r u s i v es i n c et h e yn e e dt oa l t e rt h eo r i g i n a lp i p es t r u c t u r eo rt oc h a n g et h ef l o w c o n d i t i o n t h es e n s o rs t r u c t u r e sa r ec o m p l e xa n dt h e yd e m a n dah i g hp r e c i s i o n m a c h i n i n g t h ea c c u r a c yo f t h em e a s u r i n gs y s t e mi sl o w e rt h a nt h o s ew h i c hu s et h e c o n t a c te l e c t r o d e i nt h i s p a p e r , t h ep r o b l e m o f c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n tb a s e do n e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ni ss t u d i e d s e n s o rs t r u c t u r ei so p t i m i z e da n dd e s i g no f t h e s i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i ti s i m p r o v e da sw e l l a no n l i n ee l e c t r o l y t e s o l u t i o n c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ni sd e v e l o p e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p p o s i t e t y p ee d d yc u r r e n ts e n s o rw i d e l yu s e di nm e a s u r e m e n t o fm e t a l ， a l l o ya n do t h e rg o o dc o n d u c t o r si sa p p l i e di ne l e c t r o l y t es o l u t i o nt h a th a sal o w c o n d u c t i v i t y a no n l i n e d u a l - c o i lp i p e a t t a c h e ds e n s o rs t r u c t u r ei sp r o p o s e dt o s i m p l i f yt h et r i - c o i l o rq u a d - - c o i ls e n s o ru s e di ne l e c t r o l y t es o l u t i o nc o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t a no n l i n ec o n t a c t l e s sa n dn o n - i n t r u s i v es y s t e mf o re l e c t r o l y t es ol u t i o n c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n ti sd e v e l o p e d ( 2 ) s i n c et h es o l u t i o nh a sl o wc o n d u c t i v i t ya n dw e a ke d d yc u r r e n t ，ah i g h f r e q u e n c ys i n u s o i d a le x c i t a t i o ni su s e d t h ew e a ke d d yc u r r e n ts i g n a li sp i c k e du p b yac i r c u i tb a s e do nah i g h - s p e e da n a l o gm u l t i p l i e ra n di t i sv e r ye f f e c t u a l t h e e q u i v a l e n tc i r c u i to ft h ed u a l - - c o i lp i p e a t t a c h e ds e n s o rs t r u c t u r ei sa n a l y z e da sw e l l a st h ei n t e r f e r e n c ec h a n n e l s u s i n gd i f f e r e n t i a la m p l i f i c a t i o nt ot u r ni n t e r f e r e n c ei n t o c o m m o n - m o d es i g n a li no r d e rt os u p p r e s si t ，ag o o da n t i n o i s ee f f e c ti sa c h i e v e da n d t h el i n e a r i t yo ft h em e a s u r i n gs y s t e mi si m p r o v e d ，t h u so f f e r st h ep o s s i b i l i t yf o r o n l i n em e a s u r e m e n t ( 3 ) i n i t i a le x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h es e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o no ft h i s m e a s u r e m e n ts y s t e mi sg o o de v e ni naw i d em e a s u r e m e n tr a n g e t h i sm e t h o di s e f f e c t i v ea n da c h i e v e st h ee x p e c t e dd e s i g no b j e c t i v e k e y w o r d s ：e l e c t r o l y t es o l u t i o n , e d d yc u r r e n t ，c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t ，c o n t a c t l e s s m e a s u r e m e n t ，n o n - i n t r u s i v em e a s u r e m e n t 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 鹤彭节、一飙删日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一虢影磷孓 签字同期：了研p 年乏月日 翩虢形吮矿 签字日期：劢7 7 年 弓月厂f 同 致谢 本论文的工作是在我的导师王保良副教授的悉心指导下完成的，感谢王老 师两年半来对我的培养和指导，使我不仅在科研能力、科研态度、实践经验等 各方面都有长足的进步，而且学会了如何去面对学习上、工作上和生活上的困 难和压力。王老师严谨的治学态度、扎实的理论知识、丰富的实践经验和宽以 律人严以律己的人格魅力都给我留下了深刻的印象。 感谢李海青教授、黄志尧教授和冀海峰副教授对我学习上的指导和帮助。 在此，谨向四位老师致以诚挚的感谢! 衷心感谢课题组李霞、刘亦安、孟振振、郑伟军、胡松钰、张金章、卢国 锋等师兄( 姐) 的支持和帮助，还有贺贞贞、姜娓娓、周鑫淼、徐晓辉、龙军、 王磊、张立伟、夏宇庆、傅三富、黄刚、胡渊源、张伟波、孙兆兵等在课题完 成过程中给予的帮助，祝他们事业学业有成。 特别感谢我的父母二十多年来的养育之恩和默默的支持，在此向他们表达 我最崇高的谢意! 感谢其他关心、支持我的朋友，如刘杰、陈琼、剧超和李德文等等，在此 向他们表示由衷的诩 意! 苏瑞东 二。一。年三月 于求是园 摘要 第1 章绪论 本章简述了研究电解质溶液电导率测量的背景及意义；介绍了国 内外电导率仪的发展现状；概况了电导测量技术的发展趋势；最后介 绍了本文的主要工作和创新点。 本章主要内容 电解质电导率测量的意义 电导率仪的发展现状 电导测量技术的发展趋势 本文的主要工作 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 进入二十世纪中叶后，含液物系的工程技术研究对各种复杂的多通道、大样 本和瞬变物系进行在线测量提出了更高要求【1 ，2 1 。在这一背景下，工程电导测量 技术凭借其可测范围宽、灵敏度高、成本低、安全性好、便于实现连续测量等优 点，逐渐得到广大研究人员和仪器仪表生产商的关注，电导测量技术已经逐步深 入到土壤盐度分析、水环境监测、工业流程控制、多相流参数检测、化学分析等 领域中【1 ，3 捌。 t 电解质溶液作为最常见的含液物系而广泛存在于化学、生物制药、环保、冶 金等工业领域。电解质溶液电导率的在线、实时、快速、准确测量在工业现场和 实验室中均有着重要的意义【6 1 。 工业现场的复杂多变性对测量系统的适应性、抗干扰性、抗腐蚀性、耐高温 低温等多方面性能提出了需求。另外，在一些精密化学反应监控、易燃易爆、有 毒等危险流体的测量场合，要求测量必须为非接触、非侵入测量。 1 2 电导率仪的发展现状 经过科研人员的长期研究，电解质导电的内部机理已经得到清楚完整的解 释。再加上强有力的计算机软硬件技术发展作支撑，目前，针对不同领域的不同 应用，各种新型的电导率测量装置不断被研制和推广。国内外都有不少公司致力 于电导率仪器仪表的研发和生产，而且，还有很多研究团队活跃在诸多国内外高 校、研究院所中。国际上比较有影响力的电导率仪表生产厂家主要有：英国 h o c k i n g 公司、肯特公司、德国菲希尔公司、日本横河公司等。h o c k i n g 公司生 产的a u t o s i g m a 3 0 0 0 是便携式设备，它采用智能化设计，操作方便。该产品有两 种工作频率，在5 0 0 k h z 时可以使用标准探头检测薄材料，而设置为6 0 k h z 时则 是航空工业标准。另外低功耗设计保证了该仪表长时间工作。此外， a u t o s i g m a 3 0 0 0 还设计有计算机接口，可以方便地生成完整的测量报告。德国菲 希尔公司生产的s i g m a s c o p es m p l 0 非铁金属电导率仪适用于非磁性金属的 快速、现场非接触式测量，通过选择不同探头其测量频率可工作在6 0k h z ，1 2 0 k h z ，2 4 0k h z 、4 8 0k h z 和1 2 5m h z ，该测量仪具有较为完备的自动温度补偿功 2 第1 章绪论 能。日本横河公司推出了e x a s c 智能化二线制电导率变送器。该产品功能丰富、 性能好，而且使用方便。测量范围、温度补偿的基准温度和温度系数以及电极常 数可以任意设定。采用四电极式测量探头，传感器的输出信号是线性的，保证了 整个仪表有良好的线性度。 国内的上海雷磁仪表厂、上海精密仪器仪表有限公司、北京北斗星工业化学 研究所、武汉中核仪表有限公司等单位致力于电导率仪的生产研制。其中，上海 雷磁仪表厂的代表产品为d d d 3 2 b 和d d g 3 2 5 型电导仪，该厂在上世纪八十 年代从英国肯特公司引进了一系列电站水质分析仪表的相关技术，其中包括5 2 0 3 型工业电导仪的制造技术，该型仪表可广泛应用于电站软化水、海水的淡化、原 水和去离子水厂等有关部门的水质监测。上海精密仪器仪表有限公司的电导率仪 产品种类比较齐全，包括工业电导率仪和实验室用电导率仪两大类，其不同型号 的产品各有特点，在技术上，该公司从测量精度、测量范围、应用领域、智能性 等方面着手，推出了h i 防水型电导率仪、h i 迷你型电导率仪、h l 四环电导电 极式电导率仪、d i s t 高可靠性、高速电导测量仪、多量程水环境监测电导率仪、 适于野外作业的工业电导率仪等【7 l 。 1 3 电导测量的发展趋势 目前，溶液电导测量技术的研究工作主要集中在以下方面【3 ，8 。1 1 ：( 1 ) 电解 质溶液在受到直流电激励后，电极表面将出现双电层效应和极化效应，这会对电 导率测量产生负面影响。大量研究针对电荷的积累过程、双电层电容的充放电、 电容电压的稳定时间以及极化建立时间进行了深入分析，确定了最佳激励信号的 形式和信号频率。( 2 ) 随着模拟器件、单片机、数字信号处理等技术的飞速发展， 电导测量系统在速度、精度上都得到了大幅度的提高。( 3 ) 各种新型的测量原理 被越来越多的引入电导率测量领域。例如各种非接触测量、非侵入测量、无损测 量技术等。( 4 ) 分布电导测量技术近年来也被很多学者研究和应用。受医学c t 技术的启发，电阻层析成像( e r t ) 技术于上世纪八十年代中后期被应用到工业 过程检测领域。e r t 系统是一种典型的分布电导测量系统。该系统通过应用多电 极的传感器，将激励信号从某一对电极注入，然后，从其他多对电极中检测被测 物场边界上的电信号，测得的电信号体现了被测物场的分布电导值。 浙江大学硕十学位论文 1 4 本课题主要完成的工作 本文主要工作和创新点在于：一、在深入研究国内外各种常用电导率测量方 法的基础上，比较这些方法的优缺点，提出了将常用于金属探伤的对射式涡流传 感器结构应用于电解质溶液电导率的在线测量，以达到简化传感器结构和实现非 侵入测量的目的。二、对射式涡流传感器已有成熟的信号处理电路，但此类电路 多用于测量金属、合金等涡流较强的测量场合。由于电解质溶液的电导率一般较 小，涡流信号微弱，传统的信号处理电路往往不能满足分辨率的要求。针对此问 题，本文对信号处理电路进行了研究和改进。三、分析系统的等效电路和干扰途 径，利用差动放大的方式将各种干扰变为共模干扰加以抑制，达到了很好的抗噪 效果，为电解质溶液电导率的在线测量提供了可能。 测量的基本原理为通过一个线圈( 激励线圈) 在溶液回路中感应出电压，通 过另一个线圈( 检测线圈) 接收由于感应电压而在溶液回路中产生的电流。只要 保持每一个线圈的圈数恒定，以及发射驱动电流的恒定，则溶液回路中的电流与 电导率成正比。这种测量法由于不使用电极，不存在电极极化问题，也不存在电 极表面涂镀耐腐蚀材料和堵塞问题，可在强酸强碱，高温高压等恶劣条件下使用。 更重要的是它的传感器线圈可以直接贴附在现有电解质溶液管道的两侧，为非侵 入测量，无需改变现有管道的形状，无需影响管道内溶液流体流动形态，为工业 现场的在线测量提供了可能性和便利性。 基于以上原理和想法，本文构建了一整套电解质溶液电导率在线测量系统， 包括传感线圈、激励电流源、信号调理电路板、通讯、上位机处理软件等。在此 测量系统上进行实验，得到的各项指标较为理想，其中测量精度不低于1 5 ( f s ) ，达到了预期目的。 本文的主要工作和具体安排如下： 第一章绪论。简述了研究电解质溶液电导率测量的背景及意义；介绍了国 内外电导率仪的发展现状及其发展趋势；概括了目前电导率测量技术的分类。 第二章文献综述。介绍了电导率的基本概念和定义；又重点介绍了电极电 导率测量法、电容耦合电导率测量法、电磁感应电导率测量法等几种测量原理以 及它们的分类和优缺点；最后简述了涡流检测技术的概况。 4 第l 章绪论 第三章电解质溶液电导率测量硬件设计。详细介绍了电解质溶液电导率测 量系统的硬件设计。首先讲述测量原理并推导出所需的硬件实现，然后深入分析 传感器结构的等效电路和可能存在的干扰途径，基于充分的理论分析，选择合理 的硬件总体方案。然后对各个硬件模块进行展开论述，详细介绍了各个模块的设 计过程。 第四章本系统软件设计及数据处理。首先分析了构建系统所需要的软件组 成部分，然后详细展开介绍了每个软件模块的设计过程，主要包括单片机控制程 序、d d s 配置程序、u s b 通讯的下位机固件程序和上位机驱动程序、上位机监 控软件、数据处理程序等部分。其中下位机程序用c 语言开发，上位机监控软 件及驱动程序用c + + 开发，数据拟合等用m a t l a b 软件实现。 第五章性能测试。给出了本电导率测量系统的实物装配图；以对比的方式 验证了检测线圈差动放大的电路改进对提高系统线性度所带来的显著效果；对系 统进行了标定实验，并确定了最优的多项式拟合曲线；做了一系列实验点验证了 系统的测量精度。 第六章总结。对整篇论文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章首先对研究电解质溶液电导率测量的背景及意义进行了介绍，又对国内 外电导率仪的发展现状进行了论述，然后对电导测量技术的发展趋势进行了概 况，最后介绍了本文的主要工作和创新点。 第2 章文献综述 摘要 本章首先介绍了电导率的基本概念和定义；又重点介绍了电极电 导率测量法、电容耦合电导率测量法、电磁感应电导率测量法等几种 测量原理以及它们的分类和优缺点；最后简述了涡流检测技术的概 况。 本章主要内容 电导率的概念 电极电导率测量原理 电容耦合电导率测量原理 电磁感应电导率测量原理 涡流检测技术概况 浙江大学硕十学位论文 2 1 电解质溶液的电导率 ( 1 ) 电导和电导率 电解质溶液是指溶质溶解于溶剂后完全或部分电离为离子的溶液，相应的溶 质称为电解质。电解质溶液分为两大类：第一类是溶质在溶剂中完全电离，没有 未电离的溶质分子或者正负离子缔合物。第二类是溶质在溶液中部分电离，溶液 中仍然有未电离的分子，未电离的分子仍然以共价键结合的分子形式存在。 由于电解质溶液中的溶质电离后产生带电离子，所以电解质溶液能够导电。 但是电解质溶液的导电机理与金属导体不同。金属导体是靠自由电子定向移动导 电，称为第一类导体，而电解质溶液是靠离子的迁移和电极反应来导电，称为第 二类导体1 4 1 。 两种导体在电流通过导体时，都会受到阻力的作用，称为电阻，用符号表示 为r ，由公式2 1 确定： r - p j ( 2 1 ) 式中，为导体的有效长度( c m ) ；a 为导体的有效横截面积( c m 2 ) ；p 为 电阻率( q c m ) ，它是导体的一个电特性参数，当，为l c m ，a 为ic m 2 时，则 有：r 印，对于第一种导体通常用公式2 2 表征其对电流的阻力作用。 而对于第二类导体( 通常为电解质溶液) ，一般用电导和电导率来表示这个 阻力的大小。由此，电导的表达式为： g=土=!孚=仃了a=i1r p 仃 ( 2 2 )u = 一= 一一2 仃一= 一仃 i z zj llk 、。 式中，g 是电导，单位为西门子( s ) ；a 是导体的有效横截面积；盯是电导 率，单位为每厘米西门子( s c m ) ；k 为电导池常数( c m 。) ，它是电导电极两 极片之间的距离，与极片面积么之比【3 ，1 5 , 16 1 。 ( 2 ) 电解质溶液的导电机理1 1 7 】 由电化学知识知，对电导电极施加直流电，将在阳极上发生氧化反应，在阴 极上发生还原反应，这就是法拉第过程。这是产生了电解产物，并且有电极- 9 溶 第2 章文献综述 液构成电势与外加电势相反的原电池，从而使得电极间的电流减小，等效溶液电 阻增加，产生化学极化反应。同时在电解过程中，与电极接近处溶液的离子浓度 很快减少，由于从溶液中供给离子的速率，较因电子交换而失去的离子速率小， 因而电极与溶液的接触面之间失去平衡状态。这也是一种极化效应，称为浓度极 化。 以下介绍双电层的形成，通过双电层可以更好的理解极化效应以及电容效 应。当浸没在电解质溶液内的电极两端有电位差时，电流的瞬间波动可能在电极 表面产生过量或不足的负电荷。同时，由于离子是可以移动的，紧靠电极的溶液 层获得相反的电荷。这种效应如图2 一l 所示。带电层由两部分组成：紧密内层。 其上电位随电极表面的距离增大而线性的减小；分散层。其上电位的减少呈指数 关系；紧密内层和分散层的交界面称为外亥姆兹平面。如图2 1 所示。这种不均 匀的电荷集合称为双电层。 宏观上，对于直流电来说，双电层的形成需要有瞬间电流通过，电极上若无 电化学反应，这个瞬时电流很快下降为零，产生电极的极化；对于交流电，每个 周期内电荷关系都将发生一次颠倒，引起了一系列的电容效应。电极表面交替吸 引正负离子，离子主要在平衡位置处往复振动，电能主要消耗在这种离子振动所 产生的摩擦热上。这时，每个电极表面都可以看作有一个电容起作用，该电容称 为双电层电容，数量级常达几十到几百f c m 2 。同时在两个电极之间由于电荷的 相互迁移以及电荷对电极的迁移形成电解质电容。 外亥姆譬兹哇e - 面 ， 串 中 甲 宁 雩 宁 金属蚪亥姆霍绒曲面 ；一一妒： l”： ， 一 一 j 妒 弋 v 7薯辜，。 ， 图2 1 电极表面的双电层 9 浙江大学硕十学位论文 ( 3 ) 局部电导率 电解质溶液所在空间的某一点或某一局部单位体积介质的导电能力，是电解 质溶液的电导空间微分的结果。局部电导率的概念多用于电阻层析成像( e r t ) 中，它的原理是探测物体内部各点的局部电导率，根据物体内部不均匀的电导率 分布，确定物体内部的介质分布1 8 】。 ( 4 ) 表观电导率 描述物系处于空间不均匀状态下的等效电导率，是空间不均匀电解质溶液的 局部电导率进行空间积分再进行空间平均的结果。它注重的是整体效果，结果粗 略为一个平均值( 或者说是测试段的局部平均值) ，它多用于检测单相流、介质 相对均匀的流体。本文的研究工作都是基于表观电导率这个概念的。 2 2 电导率测量方法 电解质溶液电导率的测量目前主要有电极电导率测量法、电容耦合电导率测 量法、电磁感应电导率测量法等。 2 2 1 电极电导率测量法 电极电导率测量法是根据电解质溶液导电的原理采用电阻测量法间接测量 电导率 1 9 1 。电导测量电极在测量过程中表现为一个复杂的电化学系统2 0 1 。电极 电导率测量法存在以下三个方面影响电导率准确测量的因素：( 1 ) 极化效应。 电解过程中，由于电极表面形成双电层，在电极和溶液之间产生与外加电势相反 的极化电势，导致溶液电阻有增大的趋势，造成误差。( 2 ) 电容效应。这是采 用交流电源的结果。电极与溶液接触处的两层电荷之间形成双电层电容。因电荷 的互相迁移及电荷对于电极的迁移所形成电解质电容。电极引线分布电容可以并 入电解质电容一起考虑。电容的存在不仅改变了两个极片间的电阻值，还会造成 相移，引起误差。( 3 ) 温度对测量的影响很大。温度直接影响溶液中的电解质 的电离度、溶解度、离子迁移速度、溶液的粘度和溶液的膨胀等，从而影响了溶 液电导率的准确测量【1 7 】。 电极电导率测量法又可细分为以下几种【2 1 1 ： 1 0 第2 章文献综述 ( 1 ) 电桥测量法： 电桥是测量电阻的一种最基本的也是精度较高的一种方法。根据读取测量结 果时桥路所处的状态不同，又分为平衡电桥测量法和不平衡电桥测量, 法1 9 , 2 2 1 。 r x r l 图2 2 平衡电桥测量法原理图 图2 2 是平衡电桥测量法的原理图。被测电阻i h 作为电桥的一个桥臂， r 。、r 2 及r 3 分别是电桥的其它三个桥臂。r 2 及r 3 是一个滑动电阻器通过中 间触点a 分成的。当电桥处于平衡状态时，检流计指示为零。当r x 发生变化 时，电桥失去平衡，检流计就会有电流流过，指示不为零。此时，通过调整a 的 位置，改变r 3 和r 2 的比值，可以使电桥恢复平衡。从电桥的平衡关系可以得 到： 耻扣 ( 2 3 ) 因为r l 是固定的，r 3 r 2 可根据触点a 的位置计算，所以由公式2 3 以 计算出被测电阻r x 。平衡电桥测量法的优点是对电源要求不高，即电源的波动 对测量没有影响，测量结果比较精确。在实际应用中，一般把不平衡信号送给电 子自动平衡电桥，通过它的可逆伺服马达推动a 运动自动找平衡点，而不用检 流计，但是配备电子自动平衡的仪表造价较高。 浙江大学硕十学位论文 精密整流 ：仪表 图2 3 不平衡电桥测量法原理图 图2 3 是不平衡电桥测量法的典型原理图。被测电阻r x 与并联构成电 桥的一个桥臂，r i 、r z 和r 3 构成另外三个桥臂。适当选取r l 、r 2 、r 3 及 的值，使当r x 趋向于无穷大时，和r 。、r 2 及r 3 为正好使电桥处于平衡。 这样一旦r x 不为无穷大，电桥就失去平衡。不平衡信号通过精密桥式整流器 整流后直接送入指示仪表显示测量结果。r x 与并联是为了便于调整零点。 这种测量方法比较简单，不需要伺服马达，但缺点是要求电源稳定，电源的任何 波动都将影响测量结果。 ( 2 ) 分压法 e 图2 4 分压测量法原理图 用一个分压电阻r j 与待测电导池串联，用交流电压作用于电导池时，可以 将电导池视为一个纯电阻r 。把串联电路接入交流激励源e 构成分压式的电导 测量电路，如图2 4 所示【9 ，11 ，2 2 1 。分压电阻r i 上的电压降可以表示为： 1 2 第2 章文献综述 当r r i 时，则有： 2 去e ( 2 4 ) u 0 等e = g r , e ( 2 5 ) e 和r j 均为已知常数，所以分压电阻r i 上的压降u o 和被测电导g 成正比。 由于忽略了分母部分的r i ，实际测量结果存在一定的系统误差，一般要求r i 小 于r 最低值的1 2 0 0 。 ( 3 ) 运放法 r f e 图2 5 运放式电导测量法原理图 图2 5 所示为运放式电导测量法的工作原理【3 ，】。e 为交流信号源，r 为充 满被测液体的电导池的等效阻抗，r f 为标准电导池的等效阻抗。采用交流正弦 信号激励，通过对v o 放大、整流、滤波后，得到反映被测液体电导的直流信号。 运放式电导测量电路在量程范围内线性度较好，输出信号的幅值与被测电导成正 比： v o = - - 等e 一耻g ( 2 6 ) 上式是理想情况下得到的结果，具体设计电路时要选择合适的运算放大器， 并考虑运算放大器的开环增益、输入阻抗和通带带宽等因素。因为采用交流激励， 还应该注意引线电容等造成的阻抗变化。 ( 4 ) 频率法 频率法的设计思路是将溶液电导作为影响振荡电路振荡频率的一个阻性器 件，振荡电路所产生的振荡信号频率随着溶液的电导率的变化而变化，从而通过 浙江大学硕士学位论文 测量振荡信号的频率来得出被测溶液的电导值。 该方法直接把溶液电导转换为振荡信号的频率，输出信号容易实现远传或光 电隔离，可以实现较高的分辨率。但是本质上，这种方法仍把溶液视为具有理想 的纯电阻特性，而没有考虑双电层电容的影响，所以仍有原理性误差的存在【1 0 ，i l , 2 3 ，2 4 ( 5 ) 相敏检波法 图2 - 6 相敏检波法原理 如图2 - 6 所示，振荡器产生正弦交流电压加到电导池电极的两端。溶液电阻 i 奴和双电层电容c x 构成一个信号通路，引线分布电容c p 也构成一个信号通 路。如果溶液的电阻r x 很大或信号频率很高，双电层电容c x 的容抗就可以 忽略，则可以将电阻r x 和电容c p 看作简单的并联电路。正弦信号通过电容 将产生9 0 度的相移，而通过电阻却没有相位偏移。根据这一特点，利用相敏检 波器，用与输入激励源信号同频同相的开关信号控制整流电路，将通过电容的一 路信号转化为纯交流信号，同时将通过电阻的一路信号正常整流，再通过低通滤 波器滤除交流成份。引线分布电容的影响可以被消除，而滤波得到的直流信号只 与溶液的电阻( 电导率) 有关。 该方法的关键部分是相敏检波器。在具体设计电路时，相敏检波器可以通过 电子开关、模拟乘法器或软件来实现。相敏检波器可以滤除通过引线分布电容的 电压信号，得到的直流输出信号不受引线分布电容的影响，只与溶液的电阻有关。 但是相敏检波法要求忽略双电层电容的影响，视溶液为纯阻性，这就存在原理上 引入的系统误差。只有通过提高激励信号的频率，使得双电层电容的容抗尽可能 变小，才能将这一误差控制在允许的范围之内1 1 0 ，2 5 1 。 1 4 第2 章文献综述 ( 6 ) 脉冲式测量法 目前广泛采用交流激励而不用直流激励的目的是为了消除溶液离子极化作 用的影响。本质上，交流电是直流电的某一特定组合。正弦交流激励消除极化是 因为交流的正半周期的极化被负半周期的等量反向极化抵消，宏观上正弦交流激 励没有极化现象。经研究确认，用正负等电量的直流脉冲作为激励信号同样可以 消除溶液中的极化现象，而且在某些方面具有正弦交流激励无法比拟的优点【3 ，m ， i i ，2 6 2 8 】。 2 2 2 电容耦合电导率测量法 电容耦合电导率测量法是采用电容耦合的方式实现电解质溶液的非接触测 量。典型的测量原理示意图如图2 7 所示： 习蚓蚓 图2 7 典型的电容耦合法电导率测量原理图 在流有电解质溶液的绝缘管道外侧贴附有两段金属电极环，金属电极环与管 道内电解质溶液构成两个电容c 。、c ：，管道内电解质溶液自身有电阻r x ，这样 整个结构可以等效为两个电容与一个电阻的串联电路，通过一定的电路测量手 段，可以测得串联回路中的电阻值，从而得到溶液的电导率值。如果溶液电阻大， 耦合容抗相对很小，可以忽略电容容抗的影响，测得的串联回路电抗近似为溶液 的阻抗【2 9 1 。如果测量的溶液电阻很小，祸合容抗相对较大不能忽略，则可以通过 浙江大学硕十学位论文 相敏检波等方法提取串联回路中的溶液阻抗成分，从而得到溶液的电导率【1 2 】。 电容耦合电导率测量法通过两个耦合电极将交流信号祸合到电解质溶液的 导电通路，由于采用电容耦合通道对溶液施加激励交流电，所以不需要电极与溶 液的直接接触，避免了电极电导率测量法中存在的极化效应和电极腐蚀问题。但 是电容祸合法由于测量原理和测量数量级的限制多用于毛细管等微小尺度管道 的测量且测量量程也偏小，即多适用于测量低电导率或低浓度的场合 3 0 j 。 2 2 3 电磁感应电导率测量法 电磁感应电导率测量法实质上是通过电磁感应的方法测量溶液回路导电能 力。电磁感应法以其非接触、结构灵活多变等优势而被广泛研究和应用。按原理 的不同，大致可细分为变压器原理【3 、线性差动变压器原理( l v d t ) 【32 1 、电涡 流原理【3 3 1 等。电磁感应法的传感器结构多种多样6 ，1 3 ，3 4 1 ，图2 8 给出了一种典型 的电磁感应法电导率测量原理示意图【3 4 1 。 曩麓耋薹瓣蘩妇袋暖 毪 黑 嚣 图2 8 典型的电磁感应法电导率测量原理图 对容器、管道或探头进行一定的特殊结构设计，使得电解质溶液构成一个封 闭的环路，两个磁芯套在此环路上，两个磁芯上分别绕有线圈。这样整个结构等 效为两个变压器的级联。通过电路知识即可解出待测量溶液等效电阻r v ，进而 求得溶液电导率。 1 6 、k蓄| ；冒夕简，厂黝鳓露。l、岱； ，霪0 第2 章文献综述 上述电磁感应式传感器结构虽然为非接触测量，避免了电极极化、腐蚀的各 种不良影响，但是还存在一个很大的弊端：测量系统需要改变、扭曲原有管道或 容器的结构形状，使其出现一个封闭的溶液环路。这里需要把管道分叉又汇合来 形成一个溶液环。 同样有此弊端的还有目前应用最多的探头式涡流传感器，如图2 - 9 所示。此 类传感器需要探头插入溶液中，通过探头的内槽构成封闭的溶液环路。这种结构 也必然会影响原有流体流态，属于侵入式测量方法。 图2 - 9 探头式涡流传感器 反射式和对射式的涡流传感器从根本上解决了这个问题。它们都不需要对原 有待测物进行开槽、分叉，扭曲。而是把传感器固定在待测物的一侧或者两侧。 图2 1 0 为一种典型的反射式涡流传感器结构【3 5 1 。他有一个激励线圈和两个检测 线圈。三者层叠有序放置。通过对激励线圈施加交流激励电流，即可在检测线圈 中感应出包含待测物体电导率信息的感应电压。 线圈l 1 中通入交变电流，则会在l 1 附近产生交变的主磁场，此磁场在l 2 a 、 l 2 b 中同时会产生感应电压，由于l 2 a 、l 2 b 与l 1 等距放置，所以在两者中产 生的感应电压相等。而被测物也会受到交变主磁场的影响产生同频交变涡流，此 涡流会再次产生一个同频不同相的交变二次磁场。此二次磁场同样会在l 2 a 、l 2 b 中产生感应电压，但是，由于l 2 a 、l 2 b 与被测物的距离不同，所以被测物涡流 对l 2 a 、l 2 b 中产生的二次感应电压贡献不同。这样，通过l 2 a 、l 2 b 感应电压 浙江大学颅十学位论文 相减的办法可以抵消由主磁场导致的主感应电压，而突出对测量有用的被剥物涡 流产生的二次感应电压。 |i 嘭r f 、一，一、，。 ， 圉2 1 0 典型的反射式涡流传感器 图2 - 1 1 是一种带有调零补偿的反射式涡流传感器，是对前者的改进【i ”。图 中，z l 是激励线圈，z 4 是调零补偿激励线圈，z 2 、z 3 是一对反向相接的差动 检测线圈。工作前先校准，校准过程为：先把校准物放置在待测位置( 如图的 t e s to b j e c t ) ，再给激励线圈z l 施加交流电，看差动检剥线圈z 2 一z 3 的感应电 压值，若不为零，则调整施加在调零补偿激励线圈z 4 上的交流激励大小，直到 z 2 一z 3 的值为零。校准完成后，记下并保持z l 和z 4 上的激励电流不变，改换 其他待测物，检测z 2 一z 3 的值来表征待测物的电导率值。 i ，一 “尝p 。”搿“”臀勰 图2 - l1 带有调零补偿的反射式涡流传感器 第2 章文献综述 2 3 涡流检测技术 涡流检测作为一种新型检测技术其基本原理就是通过对处于探头线圈形成 的电磁场中的被测物体及其周围空间区域列出麦克斯韦方程及边界条件，然后进 行求解，以确定探头线圈的阻抗特性或感应电压的变化与被测物体各影响因素之 间的关系。电涡流检测是近年来发展快速的一项无损检测技术。他同磁粉检测、 射线检测、超声波检测、渗透检测一起和称为五大无损检测技术3 6 1 。 电涡流检测的主要技术包括以下几个方面【3 6 】： ( 1 ) 阻抗平面显示技术 涡流检测时，被测体的多种参数对探头线圈阻抗的影响效果的差异既反映在 幅度变化上，也表现在相位滞后效应上。若在荧光屏上能显示出阻抗曲线图，给 出被测体信号的大小信息和相位信息，便可鉴别出干扰信号和有用信号。 ( 2 ) 多频涡流检测技术 多频涡流技术是l i b b y ( 美) 于1 9 7 0 年首先提出的。该方法采用几个频率同 时工作，能成功地抑制多个干扰因素，提取有用信号。7 0 年代后期国外就已成 功应用这项技术进行核电站蒸汽发生器管道的在役检查。 ( 3 ) 远场涡流检测技术 远场涡流技术是一种能穿过金属管壁的低频涡流检测技术，当用一个激励探 头线圈和一个距激励探头线圈约二倍管内径的较小的测量探头线圈同时放入被 检管内时，测量探头线圈能有效地接收穿过管壁后返回管内的磁场，从而检测管 子内壁缺陷与腐蚀。 ( 4 ) 深层涡流检测技术 深层涡流技术实际上是低频涡流和多频涡流技术结合的成果，即采用较低的 工作频率来增大涡流渗透深度。用多个频率工作来抑制不需要的信息