用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路的制作方法

專利名稱：用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，屬于測量儀器技 術領域。
背景技術：
溶液電導率作為一種重要的電化學分析參數，其測量已經廣泛地應用于化 工、冶金、生物、醫學、糧食、水利、環保、能源等領域。電導率測量分為接 觸式和非接觸式。非接觸式電導率測量采用電磁感應原理，也稱電磁式電導率 測量或感應式溶液電導率測量。由于檢測元件不與被測溶液有直接的電接觸， 傳感器堅固，不怕腐蝕，沒有極化現象，壽命很長。電磁式電導率測量的基本
方法已被發明，應用有很久的歷史了。例如，美國專利號US2542057中， M丄Relis在1951年就公開了基本的原理。用二個圓形磁環同軸布置，組成的 傳感器，其外部包有耐腐蝕絕緣材料，二磁環的內孔做成一個溶液的通道，在 激勵線圈中通入交流電流，根據電磁感應原理，在激勵磁環中產生相應的交變 磁通，使被測溶液環路中產生感應電流，表現為交叉于激勵磁環和測量磁環的 電流環，此電流環又在測量磁環中產生交變磁通，從而在感應線圈上產生感應 電動勢，溶液中的感應電流與溶液電導率相關，感應線圈中的感應電動勢(開 路電壓)與溶液中的電流成正比，因此，測得感應線圈中的感應電動勢，即可 求得溶液電導率。用公式G=C/R來計算溶液電導率，其中C為電極常數，R 為被測溶液環路的等效電阻。
以前，感應線圈中的感應電動勢常用電橋平衡法來測量，精度不高，自動 化程度不高。現在由于電子技術的發展， 一般不再用電橋平衡法。
在美國專利號US 5455513A1中，Falmouth Scienctific在1995年介紹的系 統中，采用電流補償法，或叫零電流法。在感應線圈中的感應電流與測量裝置 中的補償電流相平衡。如果感應電流與補償電流不同，產生一個誤差電流，則將誤差放大，經同步整流，積分電路，積分電路的直流輸出會改變；再通過同 步開關，反饋電阻，補償電流會改變，這是一種負反饋，直到電流平衡，誤差 電流為零，積分電路的輸入為零，積分電路的直流輸出不再改變。在反饋電阻 一定時，積分電路的直流輸出與溶液電導率成正比。這是比較高精度的方法， 因為當感應線圈的端電壓為零時，感應線圈的感應電流與溶液電導率成正比， 且只與線圈匝數比有關，與磁環的導磁率關系很小。但是由于它是一種間接測 量法，電路較復雜，因為它有正向電路(從電流誤差到積分電路的直流輸出)， 和反向電路(積分電路的直流輸出到補償電流)，在量程改變時，正向電路和 反向電路的參數一般都要改變。而且積分電路中的積分電容要求較高。因此成 本較高。
感應電流直接測量法的基本原理是用某幅值的交流電壓激勵傳感器，采用 電流-電壓變換電路將感應線圈中的交流感應電流變換成交流電壓波形，并確保 感應線圈端電壓為零。再經過適當的放大，并經過整流，得到直流電壓，該直 流電壓正比于被測溶液電導率。電流-電壓變換電路將感應線圈中的交流感應電 流變換成交流電壓波形，已有一些形式來實現，例如US4220920介紹的是有電 容隔直流的運放電路加一只反饋電阻來實現，它看起來較簡單，但也有缺點， 一是電容隔直流或多或少對交流有一些衰減，二是電容體積較大，三是隔直電 容與感應線圈串聯接在運放的負輸入端，易引起振蕩。所以沒有隔直電容的電 路是有一定好處的。
另外，電導率測量中，提高測量過程的可靠性變得越來越被重視。如果沒 有特殊的考慮，測量系統的斷路，會與零電導(或極低電導率)相混淆。 US6414493提出在兩個磁環中各增加一個單匝的線圈，它們之間串上一只較大 的電阻，它們會使測量值增加一個固定的偏置。在正常的情況下，該偏置可以 被校正掉，但當線圈或電纜發生斷路時，測量電路就會得到一個明顯的負電導， 因此可以用來檢測系統的斷路。但是，在磁環中增加線圈畢竟增加了復雜性。 因此，在測量裝置中發明較簡單的電路，來檢測系統的斷路，是很有意義的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種既簡單、精確、又可靠的用于電磁 式溶液電導率測量的輸入電路。本發明提出一種用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，用以通過浸入被 測溶液的傳感器測量溶液電導率，該傳感器內至少有二個磁環，其中一磁環上 設有被施加交流激勵電壓的激勵線圈，另一磁環上設有可產生與被測溶液電導 率有關的感應電流的感應線圈，該輸入電路包括電流-電壓轉換電路，具有一 輸入端、 一輸出端及一反饋端，該輸入端連接該感應線圈的一第一端，該感應 線圈感應的電流轉換為電壓后經該輸出端輸出；積分電路，連接該電流-電壓轉 換電路的輸出端，依據該電流-電壓轉換電路的輸出電壓中的直流分量產生一負 反饋電壓；以及分壓電路，連接該積分電路及該電流-電壓轉換電路的反饋端， 從該負反饋電壓中獲得合適的分壓并饋入該反饋端。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，該電流-電壓轉換電路 包括第一運放，具有正輸入端、負輸入端及輸出端，該負輸入端作為該電流 -電壓轉換電路的該輸入端，該正輸入端作為該電流-電壓轉換電路的該反饋端， 該輸出端作為該電流-電壓轉換電路的該輸出端，其中該負輸入端連接該感應線 圈的該第一端，該感應線圈的第二端接地；以及第一電阻，跨接在第一運放的 輸出端與第一運放的負輸入端之間。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，還包括一濾波電容， 跨接在第一運放的反饋端與地電位之間。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，還包括一預放大器， 連接在該電流-電壓轉換電路與該積分電路之間。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，該預放大器的輸出電 壓與感應線圈的感應電流成正比。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，該積分電路可包括 第二運放，具有一正輸入端、 一負輸入端及一輸出端，該正輸入端接地；第二 電阻，跨接在該電流-電壓轉換電路的輸出與第二運放的負輸入端之間；以及積 分電容，跨接在第二運放的輸出端與第二運放的負輸入端之間。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，該積分電路的時間常 數遠大于該交流激勵電壓的周期。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，該分壓電路包括第 三電阻，跨接在該積分電路的輸出與該電流-電壓轉換電路的反饋端之間；以及第四電阻，跨接在該電流-電壓轉換電路的反饋端與地電位之間。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，還可包括一斷路檢測 電路，其包括第五電阻，跨接在正電源與該感應線圈的第一端之間，以引入 一微小的直流電流；電平檢測器，連接該積分電路，電平檢測器的輸入低于一 門限表示沒有斷路，電平檢測器的輸入高于一門限表示有斷路的故障。
在上述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路中，還包括一濾波電路， 連接在該正電源與該第五電阻之間，該濾波電路包括第六電阻，連接在正電 源與第五電阻之間；以及濾波電容，其一端接地，另一端接在第五電阻和第六 電阻的共同接點上。
本發明用積分電路以及分壓電路來保證電流-電壓轉換電路中的直流輸出 分量為零，從而避免運放輸出的飽和，提高測量的精確性和可靠性。另外，本 發明的一個實施例具有斷路檢測功能，在感應線圈的接線端加入一很小的直流 電流，如果感應線圈及電纜連接正常，由于感應線圈及電纜連接的直流電阻很 小，該很小的直流電流將通過感應線圈流入地電位，不會流入電流-電壓轉換電 路，積分電路的輸出電壓是很小的；反之，如果感應線圈及電纜發生斷路的故 障，加入的這一很小的直流電流將全部流入電流-電壓轉換電路，為保證電流-電壓轉換電路中的直流輸出分量為零，這時積分電路的輸出電壓會很大，因此， 檢測積分器的輸出電壓，可以檢測感應線圈及電纜是否發生斷路的故障。
本發明的電磁式溶液電導率的測量電路相比已有的測量方法具有如下有 益效果能夠用比較簡單和低成本的電路，也能精確測量溶液電導率；不需要 改變傳感器，而且用比較簡單和低成本的電路，檢測感應線圈及連接電纜的斷 路故障，從而使測量結果十分可靠。
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明的特征和優點。

圖1是電磁式溶液電導率測量的基本方法及本發明的一種輸入電路的原理 示意圖。
具體實施例方式
本發明所描述的測量輸入電路適合于電磁式溶液電導率的測量方法中，感應線圈的感應電流直接測量法。由于本發明的電路采用直接耦合，省去了隔直 大電容，因此由運放加一個反饋電阻來實現基本的電流-電壓轉換，并使用積分 電路及分壓電路來保證電流-電壓變換器輸出中的直流輸出分量為零，避免運放 的輸出飽和。
請先參閱圖l，傳感器內包括激勵線圈L1、第一磁環T1，第二磁環T2， 和感應線圈L2，被測溶液的環路為3，其等效電阻為R。電磁式溶液電導率測 量，感應電流直接測量法的基本原理是用某幅值的交流電壓l激勵傳感器中 的激勵線圈L1，采用電流-電壓變換電路(由第一電阻R1和第一運放U1組成)， 將感應線圈L2中的交流感應電流變換成交流電壓波形，并由電流-電壓變換電 路中的運放的虛地確保感應線圈端電壓為零，由于運放的基本特性是，其正負 輸入腳的電位應相等。再經過預放大器5適當的預放大，和主放大器6的放大， 并經過整流，得到直流電壓，該直流電壓正比于被測溶液電導率，可以進行A/D 轉換，經適當的計算，得到被測溶液電導率的值。
Rl， Ul是基本的電流-電壓變換電路。感應線圈L2與電流-電壓變換電路 的輸入U1的負輸入腳直接相連。設預放大器5的放大倍數為A1;設主放大器 6的放大倍數為A，通常由CPU根據被測溶液確定合適的放大倍數，便于A/D 轉換有足夠的精度。如果合適，預放大器5也可以省略，相當于A產1。預放大 器5的輸出是
其中IL2是感應線圈L2中的電流。對于直接耦合的電流-電壓轉換電路， 由于感應線圈和連接電纜的直流電阻極小，很容易使運放輸出飽和。電路將因 飽和而不能正常可靠地工作。由第二電阻R2，積分電容C1，第二運放U2，第 三電阻R3，第四電阻R4，及濾波電容C2組成的電路能防止電流-電壓轉換電 路的輸出飽和。其中R2,C1，U2是一個積分電路，積分電路的時間常數(R2+C1) 很大，遠遠大于測量用的激勵電壓的周期(例如激勵頻率為5kHz，周期為0.2 ms)。積分電路將預放大器5的輸出電壓V5進行積分，如果V5有直流分量， 例如為負，積分電路中U2的輸出將增加，U2的輸出經R3， R4分壓，接入 Ul的正輸入腳，從而使U1的輸出(直流分量)增加，又使V5的直流分量增 加，這是一種負反饋，直到V5的直流分量為零為止。所以，它適合于交流放 大器，使輸出的直流分量保持為零。C2的作用是進一步減少Ul輸入腳的噪音，在要求較低時也可以省去。但要注意，由R3， C2， R4組成的時間常數必須遠 小于R2^^C1，否則電路容易自振。R4， R3的分壓電路使R2+C1不至于太大， 即C1的體積可較小，成本較低。由于積分電路的時間常數(R2*C1)很大， 對于激勵電壓頻率的交流電來說，積分電路的影響可以忽略不計。
在上述電路的基礎上，可以進行改進而獲得斷路檢測的功能。由第五電阻 R5，濾波電容C3，第六電阻R6,及電平檢測器U3是為了檢測感應線圈L2及其連 接電纜的斷路而增加的電路，R6， C3組成一低通濾波器，R5是一只大電阻。 直流電源Vc會經由R5在感應線圈L2的第一端4產生微小直流電流，而感應 線圈的第二端接地。如果感應線圈L2及其連接電纜的接線正常，由于線圈的 直流電阻極小，該微小的直流電流會流過線圈L2，不會流入電流-電壓轉換電 路，則積分電路的運放U2的輸出幾乎為零，但當感應線圈L2或連接電纜的接 線斷路時，經過R5的直流電流會流過R1; Ul的輸出有變負的趨勢，積分電 路會起作用，它總要使預放大器5的輸出直流分量為零，即U1的輸出直流分 量為零，這時積分電路的運放U2的輸出為
u i l + i 5 + 7 6 及4
在 一 個例子中，Vc=3.3V, R6=100k Q ， R5=1M Q , Rl=20k Q ,R4=2K Q,R3=100kQ, Vu2=3.0V。積分電路的運放U2的輸出接電平檢測器U3，運放 U2輸出的明顯變化，足以使電平檢測器U3識別接線斷路的故障。電平檢測電 路U3的輸入是低電平(低于門限值)表示正常，反之，是高電平(高于門限 值)表示感應線圈L2或連接電纜的接線有斷路故障。電平檢測器U3可用一門 限電平來判斷所輸入的電平是高電平還是低電平，門限電平的選取可依據實際 Vu2的值而定。電平檢測器U3的輸出可以用于報警等。U3可以是門電路，有 施密特觸發特性的更好，例如兩個74HC14級聯。
在這里R3， R4組成分壓電路的另外的好處是，它可以使U2輸出的變化 幅度比較合適電平檢測器U3。
R6， C3組成低通濾波器，由于直流電源Vc中常有與激勵頻率相關的電 噪音，通過R5可能引入電流-電壓轉換電路，從而對測量形成不利影響，R6， C3的低通濾波可顯著改善這種情形；然而，如果要求不高，該低通濾波器也可 省略。此時，電平檢測器U3的輸入接近電纜有斷路的故障。
由于施加的直流電流極小，例如3微安(3.3V/1.1MQ)，遠遠不會使線 圈磁飽和，所以不會影響測量精度。
作為實施例，除了前面已提到的參數，其它器件的參數可以是，R2=2.2M Q ， Cl=100 nF， C2=10nF,C3=100 nF. Al=10， A=l to 100。
以上說明中所用的術語、符號、公式、參數和例子并不對該發明的應用構 成限制，只是為了便于它們的說明。
以上的實施例說明僅為本發明的較佳實施例說明，本領域技術人員可依據 本發明的上述實施例說明而作出其它種種等效的替換及修改。然而這些依據本 發明實施例所作的種種等效替換及修改，屬于本發明的發明精神及由權利要求 所界定的專利范圍內。
權利要求
1.一種用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，用以通過浸入被測溶液的傳感器測量溶液電導率，該傳感器內至少有二個磁環，其中一磁環上設有被施加交流激勵電壓的激勵線圈，另一磁環上設有可產生與被測溶液電導率有關的感應電流的感應線圈，該輸入電路包括電流-電壓轉換電路，具有一輸入端、一輸出端及一反饋端，該輸入端連接該感應線圈的一第一端，該感應線圈感應的電流轉換為電壓后經該輸出端輸出，該輸出電壓與感應線圈的感應電流成正比；積分電路，連接該電流-電壓轉換電路的輸出端，依據該電流-電壓轉換電路的輸出電壓中的直流分量產生一負反饋電壓；以及分壓電路，連接該積分電路及該電流-電壓轉換電路的反饋端，從該負反饋電壓中獲得合適的分壓并饋入該反饋端。
2. 如權利要求1所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，該電流-電壓轉換電路包括第一運放，具有正輸入端、負輸入端及輸出端，該負輸入端作為該電流-電壓轉換電路的該輸入端，該正輸入端作為該電流-電壓轉換電路的該反饋端， 該輸出端作為該電流-電壓轉換電路的該輸出端，其中該負輸入端連接該感應線 圈的該第一端，該感應線圈的第二端接地；第一電阻，跨接在第一運放的輸出端與第一運放的負輸入端之間。
3. 如權利要求2所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，還包括一濾波電容，跨接在第一運放的反饋端與地電位之間。
4. 如權利要求1所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，還包括一預放大器，連接在該電流-電壓轉換電路與該積分電路之間。
5. 如權利要求4所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，該預放大器的輸出電壓與感應線圈的感應電流成正比。
6. 如權利要求1所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，該積分電路包括第二運放，具有一正輸入端、 一負輸入端及一輸出端，該正輸入端接地；第二電阻，跨接在該電流-電壓轉換電路的輸出與第二運放的負輸入端之間；以及積分電容，跨接在第二運放的輸出端與第二運放的負輸入端之間。
7. 如權利要求1或6所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其 特征在于，該積分電路的時間常數遠大于該交流激勵電壓的周期。
8. 如權利要求1所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，該分壓電路包括第三電阻，跨接在該積分電路的輸出與該電流-電壓轉換電路的反饋端之 間；以及第四電阻，跨接在該電流-電壓轉換電路的反饋端與地電位之間。
9. 如權利要求1所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，還包括斷路檢測電路，其包括第五電阻，跨接在正電源與該感應線圈的第一端之間，以引入一微小的直流電流；電平檢測器，連接該積分電路，電平檢測器的輸入低于一門限表示沒有斷 路，電平檢測器的輸入高于一門限表示有斷路的故障。
10. 如權利要求9所述的用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，其特征 在于，還包括一濾波電路，連接在該正電源與該第五電阻之間，該濾波電路包 括第六電阻，連接在正電源與第五電阻之間；以及濾波電容，其一端接地，另一端接在第五電阻和第六電阻的共同接點上。
全文摘要
本發明涉及一種用于電磁式溶液電導率測量的輸入電路，它是關于感應線圈電流直接測量的一種輸入電路。該輸入電路與感應線圈直接耦合，其中包括電流-電壓轉換電路完成感應線圈電流從電流到電壓的變換，并保證感應線圈的端電壓為零。積分電路負反饋來保證電流-電壓變換器輸出中的直流輸出分量為零。同時還可對測量傳感器的感應線圈及電纜線的斷路故障進行檢測。因此，本發明的電路精度高，成本低，工作可靠。
文檔編號G01N27/02GK101629924SQ20081004054
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月14日 優先權日2008年7月14日
發明者王馮晉, 王長林 申請人:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司