测量液体电导的两种新方法

1 引 言

电导测试技术广泛应用于化工、生物、医学、环保等领域,是对含液物系进行物性分析或组分测量的重要测试手段之一[1,2]。

图1(a)所示为现有典型电导(率)测试电路的工作原理。如果仅需要监测被测含液物系电导的相对变化,可用标准电阻取代rf。传统的电导测量电路采用交流正弦信号激励,通过对vo放大、整流、滤波得到与被测电导对应的直流信号,缺点是测量分辨率低。为了克服这一缺陷,本文提出了一种基于锁相放大原理的高分辨率液体电导测量方法。此测量方法基于专用于小信号处理的锁相放大原理,可有效抑制信道噪声,实现了液体电导的高分辨率测量。

许多工业应用要求对液体电导进行高速测量,如最近工业自动化检测领域新出现的工业电导层析成像(ert)系统就要求对含液物系内部电导率分布进行高速检测。多电极高速电导测量系统通常采用四电极电导测量方案,图1(b)为其原理图。四只电极浸入到被测导电液体中,其中两只电极组成激励电极对,另外两只组成检测电极对。当给激励电极对通入幅值和频率稳定的交流电流时,测量电极对上的输出电压的幅值与液体的电导有确定的对应关系[3~5]。

为了避免直流激励下的介质电极化现象,传统的电导测量方案采用正弦交流激励。在正弦交流信号激励下,传感器的输出信号要经过较复杂的滤波和整流环节处理才能得到反映被测液体电导的直流信号,测量速度受到限制。针对需要对液体电导进行高速测量的应用,本文介绍一种基于双极性脉冲电流技术的液体电导高速测量方法并介绍了具体实现电路。该电路通过采用新型的双极性脉冲电流激励技术,传感器输出信号在ad采样前后瞬间具有准直流特性,对传感器输出信号的滤波处理得以简化,实现了液体电导的高速测量。

本文对两种测量方法及其电路实现进行了深入分析,讨论了两种方法各自的特点,并对兼顾高速和高精度两方面特性的液体电导测量电路的设计提出了一些建议。

2 基于锁相放大原理的高分辨率液体电导测量方法

2.1 锁相放大器工作原理[6~8]

对含有大量噪声干扰的微弱信号,常用相关检测技术提取。锁相放大器就是以相关原理为基础的,其基本工作原理:对传感器施加一个幅度稳定的给定频率的正弦信号激励,传感器的输出信号为一个幅度调制的同频正弦波和各种噪声成分的复合信号。传感器的输出信号经过放大后与一个和激励信号同频率的参考信号进行相关运算,信号中的噪声成分由于与参考信号不具有相关性而在相关运算环节被充分抑制,通过提高传感器信号放大电路的增益实现高分辨率的测量。

若参考信号和经过放大的传感器输出信号分别为:

从式(3)可以看出,噪声成分由于与参考信号没有相关性所以对相关运算的结果没有影响。锁相放大器就是通过在信号处理电路中引入一个相关环节极大地提高电路的噪声抑制能力。因为放大电路引入的信道噪声和其它噪声成分都与参考信号没有相关性而被相关环节充分抑制,所以可以通过提高放大电路的增益来提高系统分辨率而不需担心放大电路引入噪声。

锁相放大器的关键部分是一个相关解调环节,该环节可以通过开关电路、乘法电路或数字式解调电路实现。常规的锁相放大电路为基于数字信号处理器(dsp)的设计,系统设计复杂、成本高,不方便与传感器系统集成。本文提出采用开关调制/解调专用集成电路实现开关锁相放大器设计,简化了电路设计,实现了低成本、高分辨率测量。

2.2 基于锁相放大原理的电导测量电路

2.2.1 电路工作原理

基于锁相放大原理的电导测量电路的工作原理如图2所示。由文氏电桥振荡电路产生幅度稳定的频率为1 khz的正弦波,此正弦波作为激励信号施加到传感器上。传感器由浸入被测液体中的两电极探头与一个20ω取样电阻串联组成。被测液体的电导变化反映为测量电极对上等效阻抗的变化。在恒幅值正弦信号激励下,当取样电阻阻值相对于测量电极对上等效阻抗足够小时,取样电阻上的信号幅值与被测液体的电导成近似线性关系。测量电极对的输出是一个幅度调制的正弦信号,此信号经过小信号放大电路放大后输入到开关解调器的信号输入端,开关解调器的参考信号由振荡电路输出的1 khz正弦信号经过移相得到。当开关解调器的参考信号与输入信号相位一致时,开关解调器的输出经过低通滤波成为直流信号。单片机系统通过a/d转换电路对此直流信号进行采集并送远程计算机进一步处理。

2.2.2 正弦振荡电路设计

图3所示为电导测量电路所采用的正弦振荡电路。该正弦振荡电路采用文氏电桥结构,以运算放大器ua741为核心构成。r1、c1及r2、c2决定振荡电路的工作频率,按图3中数据构成的振荡电路工作频率为1 khz左右。二极管d1、d2起自动恒幅作用。

此振荡电路结构简单、易于调整,可输出幅度、频率稳定的正弦信号。

2.2.3 移相器设计

移相器电路如图4所示。移相器以运算放大器op07为核心构成。c1和r3的取值根据输入信号的频率确定,按图中参数构成的移相器通过调整r1可以对频率为1 khz的正弦信号实现0°~180°相移,具有电路结构简单、易于调整的特点。

2.2.4 开关解调电路的设计

电路中的开关解调器由专用集成电路ad630实现,其内部结构如图5所示。当参考信号vref>0时,ad630内部的放大器ampa与amp c连接,vout=vin;vref<0时,ad630内部的放大器amp b与amp c连接,vout=-vin。vref频率与vin的载波频率一样,当它们的相位也严格一致时,该开关解调器对vin中的有用信号来说相当于一个理想检波器。其它频率的信号(如各种噪声)则在参考信号的正半周期正向积分、在vref负半周期反向积分,前后半周期的积分值大体相互抵消,因而噪声会被有效抑制。vout信号经过低通滤波处理即可得到与被测液体电导值相关的直流信号[9]。

2.3 基于锁相放大原理的电导测量电路的特点

本文提出的基于锁相放大原理的电导测量电路与传统的电导测量电路相比有以下优点:

(1)在采用交流激励模式避免介质电极化现象的同时,基于锁相放大原理的测量电路设计实现了对液体电导的高分辨率测量。

(2)采用开关调制/解调集成电路ad630为核心的锁相放大电路设计,相对于常规的以数字信号处理(dsp)系统为基础的锁相放大器而言,电路结构简单、易于实现、成本低。

2.4 测试结果

本文提出的测量电路采用具有16位分辨率的模数转换集成电路ad7715与锁相放大电路配合,具有较高的系统分辨力。应用本测量电路在常温下对纯净水(电导率小于15μs/cm)的电导进行监测,在被测液体电导池等效阻抗为1 kω时电路可分辨出液体电导0.05%的变化。

3 基于双极性脉冲电流技术的液体电导高速测量方法

传统的液体电导测量电路均采用交流电流源激励,其主要目的是为了消除直流电流激励下不可避免的介质极化现象。但交流激励系统有一个无法克服的缺点:从测量电极对得到的交流电压信号须经过较为复杂的滤波环节的处理才能转换为适合数据采集单元采集的直流信号。复杂的滤波环节存在较严重的延时效应,限制了交流激励的液体电导测量电路的数据采集速度[3~5]。

针对需要对液体电导进行高速测量的应用,本文介绍一种基于双极性脉冲电流技术的液体电导测量方法,根据该方法设计的电导测量电路结构方框图参见图6。

电路中双极性脉冲电流源的输出电流波形类似于方波信号的波形,如图7所示。在激励信号的前半个周期和后半个周期,双极性脉冲电流源的输出为幅值相同、极性相反的直流信号。由于在激励信号的前、后半周期,激励电流同值反向,直流激励情况下必然出现的介质极化现象得以避免。在每个测量周期内,系统对测量电极对上的电压采样两次,一次a/d采样在激励信号的正半周期内,另一次a/d采样在激励信号的负半周期内,两次a/d采样结果的差值作为一个测量数据。由于两次a/d采样的间隔非常短(小于10μs),可以认为在此期间被测介质内的电导率分布未发生变化。通过取两次a/d采样的差值可以消除直流激励系统存在的低频噪声,从而提高了系统的数据采集精度。a/d采样的时刻是由单片机内部的一个定时器准确控制的,两次a/d采样时刻被严格控制在测量电极对输出信号波形前、后半周期的80%处。测量电极对上的电压信号在被采样时已经稳定,可以被高速a/d采样电路作为直流信号处理。

如图7(a)所示,当给激励电极对通入图中所示的双极性脉冲电流信号后,电极对上的电压波形为一近似的方波信号,产生这种信号的原因在于当电流激励施加到激励电极对上时,电场的存在导致了介质中电荷的移动,在电极的表面聚集了大量的电荷,引起边界层效应。激励电极对上的电压波形与电流的强度、介质中电荷种类、电极的形状等因素有关。而在测量电极对上,由于介质和电极表面间的电流可以忽略,不会造成边界层效应,其电压波形为一方波信号,其电压幅值与驱动电流及介质中的电导分布成正比,如图7(b)所示。由于a/d采样点位于测量电极对上的电