專利名稱：電磁式溶液電導率測量裝置的斷路和短路檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量儀器技術領域中的電磁式溶液電導率的測量裝置，尤其涉 及這種裝置的傳感器或接線的斷路或短路的檢測方法和裝置。
背景技術：
溶液電導率作為一種重要的電化學分析參數(shù)，其測量已經(jīng)廣泛地應用于化 工、冶金、生物、醫(yī)學、糧食、水利、環(huán)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。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(xiàn)象， 壽命很長。電磁式電導率測量的基本方法已被發(fā)明，并有很久的應用歷史了。
例如，在美國專利US2542057中，M丄Relis在1951年就公開了基本的原理。 用二個圓形磁環(huán)同軸布置，組成傳感器，其外部包有耐腐蝕絕緣材料，二磁環(huán) 的內(nèi)孔做成一個溶液的通道，在激勵磁環(huán)的激勵線圈中通入交流電流，根據(jù)電 磁感應原理，在激勵磁環(huán)中產(chǎn)生相應的交變磁通，使被測溶液環(huán)路中產(chǎn)生感應 電流，表現(xiàn)為交叉于激勵磁環(huán)和測量磁環(huán)的電流環(huán)，此電流環(huán)又在測量磁環(huán)中 產(chǎn)生交變磁通，從而在測量磁環(huán)的感應線圈上產(chǎn)生感應電動勢。
由于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(shù)，R 為被測溶液環(huán)路的等效電阻。也可以通過測量感應線圈中在端電壓為零時的電 流，求得溶液電導率，如在美國專利US5455513A1中介紹的方法。
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(tǒng)的斷路或短路，會與零電導(或極低電導率)相混淆。 則無意中會發(fā)生測得錯誤的電導率的錯誤。US6414493提出在兩個磁環(huán)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(fā)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(tǒng)的斷路。 但是，在磁環(huán)中增加線圈畢竟增加了復雜性。因此，在測量裝置中發(fā)明較簡單 的電路，來檢測系統(tǒng)的斷路或短路，從而避免裝置在斷路或短路時，無意中測 得錯誤的電導率的錯誤，從而保證測量的可靠性，是很有意義的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單的電磁式溶液電導率測 量裝置的斷路和短路檢測方法及裝置。
本發(fā)明的一個方案提出一種電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢 測方法，其中測量裝置通過浸入被測溶液的一傳感器測量溶液電導率，該傳感
器內(nèi)至少有二個磁環(huán)，其中一磁環(huán)上設有激勵線圈，另一磁環(huán)上設有感應線圈， 其中一激勵驅(qū)動電路施加交流激勵電壓于該激勵線圈，以在該感應線圈感應出 與被測溶液電導率有關的電流或電壓，本發(fā)明的檢測方法包括在該激勵線圈 和/或該感應線圈的接線端口引入一微小直流電流，檢測該接線端口的直流電 平，用以檢測裝置的斷路；以及檢測該激勵驅(qū)動電路放大器的輸出擺幅，用以 檢測裝置的短路。
在上述的方法中，在該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口引入一微小直 流電流的步驟包括經(jīng)由一直流電源及一大電阻在接線端口施加該微小直流電 流。當檢測該接線端口的直流電平超過一門限時，判定其所在的激勵線圈或感 應線圈斷路。
在上述的方法中，該激勵驅(qū)動電路包括一放大器，而檢測該放大器輸出擺 幅的步驟包括在該放大器的輸出端與該激勵驅(qū)動電路的輸出端之間連接一限 流電阻，通過檢測該放大器的電壓擺幅是否大于正常值來檢測該激勵線圈是否 短路。
本發(fā)明的另一方案是提出一種電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路 檢測裝置，包括
一斷路檢測電路，施加一微小直流電流于該激勵線圈和/或該感應線圈的接 線端口，并檢測該接線端口的直流電平以判斷該激勵線圈和/或該感應線圈是否斷路；以及
一激勵線圈短路檢測電路，檢測該激勵驅(qū)動電路放大器的輸出擺幅，用以 檢測裝置的短路。
在該檢測裝置中，該斷路檢測電路可包括 一直流電源，經(jīng)由一大電阻在 該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口施加該微小直流電流；以及一電平檢測 電路，連接該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口，當該接線端口的直流電平 超過一門限時判定其所在的激勵線圈和/或感應線圈斷路。
在該檢測裝置中，該激勵驅(qū)動電路可包括放大器，其正輸入端連接一激 勵信號；負反饋電阻，連接于該放大器的負輸入端與激勵驅(qū)動電路的輸出端之 間，其中激勵驅(qū)動電路的輸出端連接該激勵線圈；以及限流電阻，連接于該放 大器的輸出端與激勵驅(qū)動電路的輸出端之間。
在該檢測裝置中，該激勵線圈短路檢測電路可包括感知電路，連接該放 大器的輸出端；峰峰測量電路，連接該感知電路的輸出端，依據(jù)該放大器的電 壓擺幅產(chǎn)生一測量電壓；以及電平監(jiān)視器，連接該測量電壓，當該測量電壓超 過一 門限時判定該激勵線圈短路。
其中，該峰峰測量電路包括第一二極管，反向連接在該感知電路的輸出 端與一參考電位之間；以及第二二極管，正向連接在該感知電路的輸出端與一 輸出節(jié)點之間，該輸出節(jié)點輸出該測量電壓。
在一個實施例中，該檢測裝置還包括分壓電路，連接在該輸出節(jié)點與該電 平監(jiān)視器之間。
本發(fā)明的電磁式溶液電導率測量裝置的斷路和短路檢測方法和裝置相比 現(xiàn)有技術具有如下有益效果能夠用比較簡單和低成本的電路和方法檢測測量 系統(tǒng)的斷路或短路故障，從而避免裝置在斷路或短路時，無意中被錯誤地測得 零電導或極低電導的錯誤，從而使測量結(jié)果十分可靠。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對本發(fā) 明的具體實施方式
作詳細說明，其中
圖1是電磁式溶液電導率的測量裝置的示意圖；圖2是本發(fā)明電磁式溶液電導率的測量裝置的一實施例的檢測激勵線圈被 短路或斷路的電路示意圖3是本發(fā)明電磁式溶液電導率的測量裝置的一實施例的檢測感應線圈斷 路的電路示意圖。
具體實施例方式
圖1示出電磁式溶液電導率的測量裝置的示意圖。請先參閱圖1，電磁式 溶液電導率測量是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(nèi)至少有二個磁環(huán)，其中一磁環(huán)Tl上設激勵線圈Ll，另一磁環(huán)T2上設有感 應線圈L2， 一定幅值的的交流激勵信號1施加于驅(qū)動器2，經(jīng)過隔直電容Cl 到激勵線圈L1，由此在所測溶液組成的環(huán)路6中感應出交流電流，此感應電流 耦合到第二磁環(huán)T2中的感應線圈L2，在感應線圈L2中再感應出交流電動勢； 測量單元8感應線圈L2側(cè)獲得的交流感應電流或感應電壓，由此經(jīng)CPU 9計 算得到被測溶液的電導率，最后的溶液電導率結(jié)果被顯示器10顯示，或為 4-20mA輸出或是報警等。請參照圖2，其中的方框2是圖l所示激勵驅(qū)動電路 的一種實施例，Ul是一只運放，它接成電壓跟隨器的形式，其輸入為激勵信 號。C2是一個小電容，使電路穩(wěn)定，Rl是負反饋電阻，R2是限流電阻，而 且，R2還服務于激勵線圈短路檢測。方框16是激勵線圈短路檢測電路。當發(fā) 生激勵側(cè)被短路的故障時，激勵驅(qū)動電路2的輸出擺幅會遠小于正常擺幅，運 放U1是電壓跟隨器的形式，它總是試圖使激勵驅(qū)動電路2的輸出的擺幅正常， 由于限流電阻R2的存在，Ul的輸出擺幅會盡可能接近正負電源電壓，即激勵 驅(qū)動電路的運放U1的輸出擺幅會遠遠大于正常值；在正常情況下，假設激勵 線圈的激勵電壓小于等于+AlV，則激勵驅(qū)動電路2的輸出為擺幅小于等于2V (例如2V/0V，十1VMV等)如果R2合適，例如240歐姆，通常，Ul的擺幅 稍大于激勵驅(qū)動電路2的輸出的擺幅，例如在+2.3VA0.3V之內(nèi)。然而，如果 激勵側(cè)被短路，Ul的輸出擺幅會接近正負電源電壓，例如+3.1VA3.1V。 R3和 C3組成感知電路對U1的輸出擺幅進行感知，R3， C3有限流隔直作用。二極 管D1， D2組成峰峰測量電路，用于依據(jù)放大器Ul的電壓擺幅產(chǎn)生一測量電 壓V4，并在輸出節(jié)點4輸出。其中，第一二極管D1反向連接在感知電路的輸 出端與端點3之間，第二二極管D2正向連接在感知電路的輸出端與輸出節(jié)點4 之間。R4， R5， C4組成低通濾波器，其中R4， R5又組成分壓電路，使輸入電 平監(jiān)視器U2的電平較合適；U2是電平監(jiān)視器，它可以是門電路，較佳地具有 施密特觸發(fā)特性，例如兩個74HC14級聯(lián)。當測量電壓V4超過門限時，U2動 作，據(jù)此可認為激勵側(cè)被短路。
端點3是作為峰峰檢測器的二極管D1， D2的參考電位點，它可以接地。 但端點3更好地接一負電位，如-1.5V，則可靠性更高，使R3， R4， R5， C3， C4參數(shù)的選擇更容易。通過選擇參數(shù)R3， R4， R5， C3， C4，可以使U2的門 限電平能夠?qū)⒎糯笃鱑1的正常電壓擺幅(如+2.3VM).3V)與激勵側(cè)短路時的 電壓擺幅(如+3.1VA3.1V)區(qū)分。
另外，由于在短路發(fā)生時，激勵驅(qū)動電路2的輸出擺幅會遠小于正常擺幅； 直接檢測激勵驅(qū)動電路2的輸出擺幅的大小也可以檢測激勵線圈的短路，只是 有時，設計的正常擺幅也較小，例如+0.2VA0.2V，則檢測電路會稍復雜些。
圖2中方框17是激勵側(cè)斷路故障的檢測電路，在激勵線圈Ll側(cè)端口上施 加一個極小的直流電流(由直流電源Vc經(jīng)一大電阻R6施加)，在正常時，由 于激勵線圈Ll的直流電阻極小，在端口 5上的直流電壓幾乎為零。并且由于 施加的直流電流極小，例如幾微安，遠遠不會使線圈磁飽和，所以不影響測量 精度。當激勵線圈L1或電纜斷路時，端口 5上會產(chǎn)生約為Vc的直流電壓，經(jīng) R7， C5組成的低通濾波電路，從而使電平檢測電路U3動作。為避免交流激勵 電壓對電平檢測電路U3的干擾，因此，在端口 5與電平檢測電路U3之間插入 一個RC濾波器(R7， C5) 。 U3可以是門電路，較佳地具有施密特觸發(fā)特性， 例如兩個74HC14級聯(lián)。電平檢測電路U3的輸入是低電平(低于一門限)表 示正常，反之，是高電平(超過一門限)表示激勵線圈Ll側(cè)有斷路故障。因 此U3的輸出能可靠地反映激勵側(cè)是否有斷路故障。
圖3中方框18是感應線圈L2側(cè)斷路故障的檢測電路之一，在此實施例中， 檢測感應線圈斷路的情形與前面圖3中的方框17相似。在感應線圈L2側(cè)端口 7上施加一個極小的直流電流(由直流電源Vc經(jīng)一大電阻R8施加)。在正常 時，由于線圈L2的直流電阻極小，在端口 7上的直流電壓幾乎為零。當感應 線圈L2或電纜斷路時，端口7上會約為Vc的直流電壓，經(jīng)R9， C7組成的低 通濾波電路，從而使電平檢測電路U4動作。為避免交流感應電壓對電平檢測 電路U4的干擾，因此，在端口 7與電平檢測電路U4之間插入一個RC濾波器(R9， C7)。U4可以是門電路，較佳地具有施密特觸發(fā)特性，例如兩個74HC14 級聯(lián)。電平檢測電路U4的輸入是低電平(低于一門限)表示正常，反之，是 高電平(超過一門限)表示感應線圈L2側(cè)有斷路故障。因此U4的輸出能可靠 地反映感應線圈側(cè)是否有斷路故障。
另外，雙磁環(huán)傳感器和測量電路之間可以有連接電纜；由于溶液電導率通 常與溶液溫度相關，因此在溶液電導率傳感器中，通常還可以裝有溫度傳感器
(PT100， PT1000，或NTC)，所以在連接傳感器與測量裝置的接線中，另外 還可以有連接溫度傳感器的導線，測量裝置中也會有測量溫度的電路，CPU中 可以有溫度修正的計算；傳感器內(nèi)還可以有防靜電、防漏磁的部件；整個系統(tǒng) 可以用校正對一些參數(shù)進行標定等；這些基本原理也適合于本發(fā)明的方法和裝 置中。
以上說明中所用的術語，符號，公式和例子并不對該發(fā)明的應用構(gòu)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(fā)明的較佳實施例說明，本領域技術人員可依據(jù) 本發(fā)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(jù)本 發(fā)明實施例所作的種種等效替換及修改，屬于本發(fā)明的發(fā)明精神及由權利要求 所界定的專利范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測方法，該測量裝置通過浸入被測溶液的一傳感器測量溶液電導率，該傳感器內(nèi)至少有二個磁環(huán)，其中一磁環(huán)上設有激勵線圈，另一磁環(huán)上設有感應線圈，其中一激勵驅(qū)動電路施加交流激勵電壓于該激勵線圈，以在該感應線圈感應出與被測溶液電導率有關的電流或電壓，該檢測方法包括在該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口引入一微小直流電流，檢測該接線端口的直流電平，用以檢測裝置的斷路；檢測該激勵驅(qū)動電路的輸出擺幅，用以檢測裝置的短路。
2. 如權利要求1所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測方 法，其特征在于，在該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口引入一微小直流電 流的步驟包括經(jīng)由一直流電源及一大電阻在接線端口施加該微小直流電流。
3. 如權利要求2所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測方 法，其特征在于，當檢測該接線端口的直流電平超過一門限時，判定其所在的激勵線圈或感 應線圈斷路。
4. 如權利要求1所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測方 法，其特征在于，該激勵驅(qū)動電路包括一放大器，而檢測該激勵驅(qū)動電路的輸 出擺幅的步驟包括在該放大器的輸出端與該激勵驅(qū)動電路的輸出端之間連接一限流電阻，通 過檢測該放大器的輸出電壓擺幅是否大于正常值來檢測該激勵線圈是否短路。
5. —種電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測裝置，該測量裝置 通過浸入被測溶液的一傳感器測量溶液電導率，該傳感器內(nèi)至少有二個磁環(huán)， 其中一磁環(huán)上設有激勵線圈，另一磁環(huán)上設有感應線圈，其中一激勵驅(qū)動電路 施加交流激勵電壓于該激勵線圈，以在該感應線圈感應出與被測溶液電導率有 關的電流或電壓，該檢測裝置包括-一斷路檢測電路，施加一微小直流電流于該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口，并檢測該接線端口的直流電平以判斷該激勵線圈和/或該感應線圈是否 斷路；一激勵線圈短路檢測電路，檢測該激勵驅(qū)動電路的輸出擺幅，用以檢測裝 置的短路。
6. 如權利要求5所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測裝 置，其特征在于，該斷路檢測電路包括一直流電源，經(jīng)由一大電阻在該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口施加 該微小直流電流；一電平檢測電路，連接該激勵線圈和/或該感應線圈的接線端口，當該接線 端口的直流電平超過一門限時判定其所在的激勵線圈和/或感應線圈斷路。
7. 如權利要求5所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測裝 置，其特征在于，該激勵驅(qū)動電路包括放大器，其正輸入端連接一激勵信號；負反饋電阻，連接于該放大器的負輸入端與激勵驅(qū)動電路的輸出端之間， 其中激勵驅(qū)動電路的輸出端連接該激勵線圈；以及限流電阻，連接于該放大器的輸出端與激勵驅(qū)動電路的輸出端之間。
8. 如權利要求7所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測裝 置，其特征在于，該激勵線圈短路檢測電路包括感知電路，連接該放大器的輸出端；峰峰測量電路，連接該感知電路的輸出端，依據(jù)該放大器的電壓擺幅產(chǎn)生 一檢測電壓；以及電平監(jiān)視器，連接該檢測電壓，當該檢測電壓超過一門限時判定該激勵線 圈短路。
9. 如權利要求8所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測裝 置，其特征在于，該峰峰測量電路包括第一二極管，反向連接在該感知電路的輸出端與一參考電位之間； 第二二極管，正向連接在該感知電路的輸出端與一輸出節(jié)點之間，該輸出 節(jié)點輸出該檢測電壓。
10. 如權利要求9所述的電磁式溶液電導率測量裝置的短路和斷路檢測裝置，其特征在于，還包括分壓電路，連接在該輸出節(jié)點與該電平監(jiān)視器之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電磁式溶液電導率測量中傳感器及接線的斷路和短路的檢測方法及裝置，電磁式溶液電導率測量是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(nèi)至少有二個磁環(huán)，其中一磁環(huán)上設激勵線圈，另一磁環(huán)上設有感應線圈，激勵線圈上施加交流激勵電壓，而在感應線圈側(cè)會有與被測溶液電導率有關的交流感應電流或感應電壓，本發(fā)明的方法和裝置用于檢測傳感器及接線的斷路或短路，其方案是，在激勵線圈和/或感應線圈的接線端口引入一微小直流電流，用以檢測裝置的斷路；以及檢測激勵驅(qū)動電路的輸出擺幅，用以檢測裝置的短路；從而使所測結(jié)果十分可靠。
文檔編號G01R31/02GK101629984SQ20081004054
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權日2008年7月14日
發(fā)明者J·安曼, 軍 夏, 王馮晉, 王曉凱, 王長林 申請人:梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司