一种电场耦合型感应式电导率传感器及其特性补偿器的制作方法

本实用新型属于传感器及检测技术领域，具体涉及一种电场耦合型感应式电导率传感器及其特性补偿器。

背景技术：

在工业领域，电导率检测技术被广泛应用于电力、石化、造纸、食品、环保等生产过程，用于对电解质溶液的离子浓度、水中电解质成分含量、水污染程度等化工参数的测量。在电力生产过程中，电导率常被用作衡量锅炉和汽轮机循环水质的重要指标；在环境保护领域，电导率常被用作衡量工业废水及水体受污染程度的一项重要指标；在自来水生产过程中，电导率也被用作衡量自来水干净程度，保证饮用水生产质量的重要指标；在制浆造纸生产过程中，电导率的测量则被用于多个方面，如苛性钠稀释浓度的间接测量、纸浆洗涤干净程度的衡量、化学制浆工艺中加热器冷凝水是否被黑液污染的检测以及冷凝水排放方式的控制等。终上所述，电导率在线检测技术的发展和应用对国民生产和生活的各个方面具有极为重要的意义。

电导率传感器主要分为电极式电导率传感器和电磁感应式电导率传感器，其中，电极式又可分为两电极、三电极、四电极、七电极等方式，并且，近年来随着MEMS技术应用于电极的加工制作，实现了电极式电导率传感器的小型化和集成化，测量性能也不断提高。但是，由于电极式电导率传感器的电极为金属导体元件，在线测量时需要长期将电极置于溶液中，而长期浸泡的电极易被腐蚀，从而导致测量出现偏差甚至电极失效，需要定期对电极进行保养和维护。除此以外，极化效应、电容效应和接触电势效应都会对电导率测量的准确性产生较大影响。电磁感应式电导率传感器则是通过主要由激励线圈、感应线圈及磁芯组成的与电解质溶液隔离的测量系统，基于电磁场耦合及电磁感应原理对电导率进行测量，磁芯、线圈与被测液体可以不直接接触，故传感器探头不易被腐蚀，且不存在极化效应、电极电容效应和接触电势效应等问题，故感应式电导率传感器较电极式电导率传感器具有无可比拟的优越性，在工业应用中，采用感应式电导率传感器代替电极式电导率传感器是检测技术发展的必然趋势。

但是，由于感应式电导率传感器内部磁芯的非线性磁化特性及温度系数的影响，故传感器的输出具有较大的非线性和温度系数，其测量特性需要采取相关的方法进行补偿，以改善测量特性，提高测量精度；并且，在石油化工、制浆造纸等流程工业生产中，更适合采用集成化、小型化的感应式电导率传感器探头。

2003年顾敏杰公开了“电磁感应式电导率传感器”，该传感器实现了感应式液体电导率的测量，解决了磁屏蔽问题，但是没有对温度进行补偿，测量精度不高；2010年苏瑞东发表了“一种基于电涡流的电解质溶液电导率测量方法”，该方法采用涡流感应(即磁场耦合)方式测量电导率，其测量线圈需安装于容器或管道的侧壁，难以实现传感器探头的集成化和小型化；2012年陆贵荣等人公开了一种“一种非接触式电导率传感器”，该发明采用电感、电容双参数进行电导率检测，测量灵敏度高，但未见对坡莫合金温度特性的补偿传感器和补偿方法；2013年，安德烈亚斯·埃贝尔海姆等人公开了“电磁感应式电导率传感器”，给出了一种集成在电路板中的带屏蔽的电导率传感器，但未见探头集成及测量特性补偿；2013年，刘畅等人公开了“一种测量流体电导率的装置和方法”，该发明在发射线圈和接收线圈之间附加与被测流体通路并联的补偿绕组，利用补偿绕组接入时的输出量补偿传感器温度特性，保证了传感器高温环境测量准确性，但是补偿绕组需通过发射线圈及接收线圈的中心，无法实现传感器探头的集成化设计，且补偿实验数据获取过程较为复杂；2016年托马斯·纳格尔等人公开了“感应电导率传感器及其生产方法”，带有温度传感器，但未见温度特性及非线性特性补偿方案；2016年，托尔斯滕·佩希施泰因公开了“用于测量介质的比电导率的感应式电导率传感器”，2017年，E·安德利克公开了“运行感应式电导率传感器的方法和感应式电导率传感器”，但两者均未见温度传感器的应用及测量特性补偿；2017年刘海韵等人公开了“一种基于MEMS技术的感应式电导率传感器及其制造方法”，该发明将MEMS技术应用于感应式电导率传感器。

本实用新型提出了一种电场耦合型感应式电导率传感器及其特性补偿器，以构造集成化、小型化的感应式电导率传感器，并对传感器的温度特性及非线性特性进行补偿。

技术实现要素：

为了采用感应式电导率传感器代替常用的电极式电导率传感器，并且提高传感器耐腐蚀性，克服极化效应、电容效应等问题，同时克服感应式电导率传感器具有较大温度系数和非线性特性的缺点，本实用新型基于电场耦合型电磁感应的基本原理，设计了一种集成化、小型化的感应式电解质溶液电导率传感器，并设计出一种测量特性补偿器对传感器的温度特性及非线性特性进行补偿，以达到对电解质溶液进行在线精确测量的目的。本实用新型的内容主要包括电场耦合型感应式电导率传感器的设计及传感器测量特性的补偿两个方面。

电场耦合型感应式电导率传感器的设计方面，该传感器主要由激励线圈、感应线圈和热电阻组成，其中，两个线圈分别紧密绕制在铁氧体磁环上构成环形磁芯线圈，两个环形磁芯线圈通过中间的环状绝缘支撑组件同轴安装，构成圆筒状传感器探头，两线圈之间以电解质溶液为媒介构成了电场耦合系统，并在传感器中设置1只热电阻以检测传感器工作温度。

传感器测量原理及信号流向关系为：在激励线圈两端施加交流电压信号，从而在激励磁环中产生交变磁场，交变磁场在溶液中产生闭合的交变耦合电场，耦合电场沿轴向穿过感应线圈的磁环，并沿电场方向产生一定的分布电流，交变的感应耦合电场和分布电流在感应线圈的磁环中沿磁环圆周方向产生交变的响应磁场，绕制在磁环上的感应线圈中的磁通量发生交变，从而在感应线圈中产生交流输出电压，该输出电压与液体电导率成单调非线性函数关系，从而通过输出交流电压信号对液体电导率进行测量。

测量特性补偿方面，该测量特性补偿器由信号调理电路、A/D转换器、补偿CPU、参数存储器、输出单元组成，其中，信号调理电路包括处理交流感应电压信号的检波器、滤波放大器以及处理热电阻信号的直流电桥，该补偿器各部件之间的连接关系为：感应线圈及热电阻接至信号调理电路，信号调理电路的两个输出分别接至A/D转换器的两个输入通道，A/D转换器的数字输出端接至补偿CPU的I/O接口1，参数存储器接至补偿CPU的I/O接口2，输出单元接至补偿CPU的I/O接口3。

补偿器原理和信号流向关系为：感应线圈输出的交流感应电压经检波器检波后变换为直流信号，该直流信号再经过滤波放大器进行滤波和放大处理后输入至A/D转换器的一个通道，同时热电阻信号经过直流电桥变换为直流电压信号，并输入至A/D转换器的另一个通道，感应电压和温度信号经过信号调理及A/D转换后输入至补偿CPU，补偿CPU通过二元非线性函数运算对输入信号进行处理后即可由输出单元输出最终电导率值，从而实现对传感器的温度特性和非线性特性的补偿，提高测量精度。

所述传感器激励线圈和感应线圈之间本质上通过中间电场发生耦合关系，耦合电场线同时穿过激励线圈和感应线圈的磁环，激励线圈和感应线圈之间通过电解质溶液中的感应电场及分布电流传输电磁能量。

所述传感器激励线圈两端施加的交流电压信号工作频率在1.8MHz～2.4MHz范围内取值，取该频率范围内传感器幅频特性的峰值点，且该激励信号由DDS频率合成器产生。

所述激励线圈、感应线圈、热电阻及绝缘支撑组件安装在聚醚醚酮材料制作的外壳内部，构成集成化的传感器探头，从探头引线端通过电缆引出两个线圈及热电阻信号至后继补偿器中。

所述测量特性补偿器采用的二元非线性函数运算以温度值和感应电压值作为输入，以电导率值作为输出，其优选的运算关系模型采用二元高阶最小二乘曲面拟合模型。

优选地，所述补偿器中的二元非线性函数运算的模型参数采用实验及回归分析方式获取，即对所设计的传感器探头进行标定测试实验，测得不同工作温度条件下的感应电压和标准电导率之间的对应关系数据，利用感应电压值、热电阻输出值和标准电导率值进行回归分析，获得以感应电压值和工作温度值为自变量的二元非线性函数运算关系模型的参数。

所述测量特性补偿器的参数存储器采用非易失性的E²PROM实现，预先存入了不同型号传感器的特性补偿运算模型参数，用户可根据探头型号选择相应的运算模型参数。

所述补偿器输出单元方案包括LCD数字显示输出方式、4～20mA模拟信号输出方式、工业现场总线传输方式，具体工程实施中根据需要选取不同输出方式。

本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)激励线圈、感应线圈、热电阻及其它附件均安装在耐腐蚀性材料制作的外壳内，便于构成集成化电导率传感器探头，并提高传感器耐腐蚀性。

(2)传感器通过耦合电场建立激励线圈和感应线圈之间的电磁耦合关系，两个线圈间由绝缘支撑组件形成了一定距离，二者间的直接磁场感应耦合弱，直接耦合对输出的不利影响小。

(3)传感器激励信号频率取1.8MHz～2.4MHz范围内的幅频特性峰值点，传感器结构和激励信号幅值一定的情况下，测量灵敏度最高，且通过DDS频率合成器产生该激励信号，频率调整灵活、方便。

(4)采用该测量特性补偿器，温度特性和非线性特性可以同时得到补偿，补偿效率高、成本低。

(5)测量特性补偿器的温度补偿范围宽，且不受非线性特性的类型限制，凸函数型、凹函数型均能适用，补偿后传感器的温度适应性和线性度好。

(6)测量特性补偿器适用于不同结构参数的电导率传感器，补偿模型参数方便获得，且补偿器可存储各个规格传感器的补偿模型参数，方便根据传感器规格选择采用。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的电场耦合型感应式电导率传感器及其特性补偿器的基本组成原理示意图，其中未画出传感器探头的外壳和绝缘支撑组件。

图2为传感器的探头组成结构图。

图3为传感器的幅频特性曲线。

图4为传感器的感应电压-温度-电导率关系测量曲线。

图5为电压-温度-电导率二元三阶最小二乘曲面拟合模型拟合效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型基于电场耦合型电磁感应的基本原理，设计了一种集成化、小型化的感应式电解质溶液电导率传感器，并设计出一种测量特性补偿器对传感器的温度特性及非线性特性进行补偿，以达到对电解质溶液进行在线精确测量的目的。本实用新型的内容主要包括电场耦合型感应式电导率传感器的设计及传感器测量特性的补偿两个方面。

电场耦合型感应式电导率传感器的设计方面，该传感器主要由激励线圈、感应线圈和热电阻组成，其中，两个线圈分别紧密绕制在铁氧体磁环上构成环形磁芯线圈，两个环形磁芯线圈通过中间的环状绝缘支撑组件同轴安装，构成圆筒状传感器探头，两线圈之间以电解质溶液为媒介构成了电场耦合系统，并在传感器中设置1只热电阻以检测传感器工作温度。

传感器测量原理及信号流向关系为：在激励线圈两端施加交流电压信号，从而在激励磁环中产生交变磁场，交变磁场在溶液中产生闭合的交变耦合电场，耦合电场沿轴向穿过感应线圈的磁环，并沿电场方向产生一定的分布电流，交变的感应耦合电场和分布电流在感应线圈的磁环中沿磁环圆周方向产生交变的响应磁场，绕制在磁环上的感应线圈中的磁通量发生交变，从而在感应线圈中产生交流输出电压，该输出电压与液体电导率成单调非线性函数关系，从而通过输出交流电压信号对液体电导率进行测量。

传感器具体测量机理定量关系可概括如下：

如图1所示，施加在激励线圈两端的电压信号在线圈中激励出交变电流，从而在磁环中产生磁场在溶液中产生闭合的耦合电场由麦克斯韦方程得

式中，ω为激励信号的角频率。闭合的耦合电场沿轴向穿过感应线圈的磁环，并沿电场方向产生一定的分布电流，其电流密度为交变的感应耦合电场和分布电流在感应线圈的磁环中沿环绕方向产生交变的磁场其耦合关系可表示为

式中，μ为磁环的磁导率，ε为被测电解质溶液的介电常数，σ为被测电解质溶液的电导率。绕制在磁环上的感应线圈中的磁通量发生交变，从而通过电磁感应产生交流输出电压其输出关系可表示为

式中，N为感应线圈的匝数，A0为磁环的导磁径向截面积，为磁场在磁环任意径向截面A0处的平均磁通密度。由式(2)、(3)可以看出，电导率σ变化会导致发生变化，且与σ成单调函数关系。因此，可以通过的幅值对溶液的电导率σ进行测量。

可见，所述传感器激励线圈和感应线圈之间本质上通过中间电场发生耦合关系，耦合电场线同时穿过激励线圈和感应线圈的磁环，激励线圈和感应线圈之间通过电解质溶液中的感应电场及分布电流传输电磁能量。

传感器探头的一种实施结构如图2所示，传感器的激励线圈、感应线圈、热电阻及绝缘支撑组件安装在聚醚醚酮材料制作的外壳内部，构成集成化的传感器探头，从探头引线端通过电缆引出两个线圈及热电阻信号至后继补偿器中。

所述激励线圈、感应线圈分别紧密绕制在铁氧体磁环上构成环形磁芯线圈，所述铁氧体磁环选用高磁导率的锌锰铁氧体材料，其初始磁导率为2500H/m，饱和磁通密度为500mT，矫顽力为12A/m。

所述热电阻采用Pt100超小型铂热电阻温度传感器，作为另外替代的可以是负温度系数NTC半导体热敏电阻或其它集成型半导体温度传感器如AD590、DS18B20。

所述绝缘支撑组件材料为聚醚醚酮材料，其内径、外径及高度与磁环相同，并与两个环形磁芯线圈同轴安装，构成圆筒状传感器探头。

实施实例中，如图3所示，通过实验测试了同一温度下(30℃)在三种不同电导率(2.13mS/cm、5.31mS/cm和8.89mS/cm)的NaCl溶液中，激励信号频率f＝50kHz～5MHz时传感器的幅频特性，可见激励频率在2MHz附近时出现测量峰值，且电导率分辨率高，故传感器激励线圈两端施加的交流电压信号工作频率在1.8MHz～2.4MHz范围内取值，具体取如图3所示该频率范围内传感器幅频特性的峰值点，以提高传感器的测量灵敏度和分辨率，且该激励信号由DDS频率合成器产生，所述DDS频率合成器采用AD9852集成芯片实现。

实施实例中，传感器激励信号取峰值电压VPP＝2V、频率f＝2.1MHz，通过实验分别测量在室温(22℃)、30℃、40℃、50℃、60℃和70℃时电导率在0～10mS/cm(量程)范围内变化的感应电压有效值，如图4所示，可见传感器感应电压输出具有较大的非线性，且受到温度影响较大，故采用以下实施方案对传感器的非线性特性和温度特性进行补偿。

测量特性补偿方面，该测量特性补偿器由信号调理电路、A/D转换器、补偿CPU、参数存储器、输出单元组成，其中，信号调理电路包括处理交流感应电压信号的检波器、滤波放大器以及处理热电阻信号的直流电桥，该补偿器各部件之间的连接关系为：感应线圈及热电阻接至信号调理电路，信号调理电路的两个输出分别接至A/D转换器的两个输入通道，A/D转换器的数字输出端接至补偿CPU的I/O接口1，参数存储器接至补偿CPU的I/O接口2，输出单元接至补偿CPU的I/O接口3。

补偿器原理和信号流向关系为：感应线圈输出的交流感应电压经检波器检波后变换为直流信号，该直流信号再经过滤波放大器进行滤波和放大处理后输入至A/D转换器的一个通道，同时热电阻信号经过直流电桥变换为直流电压信号，并输入至A/D转换器的另一个通道，感应电压和温度信号经过信号调理及A/D转换后输入至补偿CPU，补偿CPU通过二元非线性函数运算对输入信号进行处理后即可由输出单元输出最终电导率值，从而实现对传感器的温度特性和非线性特性的补偿，提高测量精度。

所述信号调理电路中的检波器采用由集成有效值检波芯片AD637构成的有效值检波器，其直流输出电压值等于交流输入电压信号的有效值。

所述信号调理电路中的滤波放大器兼有低通滤波和信号放大功能，采用由集成运算放大器OP07构成的二阶有源低通滤波器，同时该滤波器具有正向比例放大功能。

所述信号调理电路中的直流电桥采用惠斯通直流单臂电桥，Pt100铂电阻接入其中一个桥臂，通过热电阻和直流电桥将传感器工作温度转换为直流电压输出。

所述A/D转换器采用双通道12位ADC芯片MAX1383，热电阻信号变换的直流电桥输出电压输入至通道1，感应电压经过信号调理后输入至通道2，作为替代的可以为同等转换指标的ADC集成芯片或CPU内部集成ADC通道。

所述补偿CPU采用ATmega162单片机实现，作为替代的可以是AT89C52、MSP430F149型号单片机、TMS320F2812型号DSP芯片、STM32F103型号ARM芯片。

所述参数存储器采用8kb容量的非易失性E²PROM芯片AT24C08实现，作为替代的可以是容量相当的FLASH芯片或单片机内部集成FLASH数据存储器。

所述补偿CPU的I/O接口1采用ATmega162集成SPI外设接口，CPU通过SPI接口获取两个通道的A/D转换结果，所述I/O接口2采用ATmega162的PB0、PB1两个GPIO数字接口，通过模拟I²C协议接口存取数据，所述I/O接口3采用ATmega162的PA和PC两个并行接口，通过并行总线输出补偿后电导率数据至LCD输出单元进行显示输出。

所述测量特性补偿器采用的二元非线性函数运算以温度值和感应电压值作为输入，以电导率值作为输出，其优选的运算关系模型采用二元高阶最小二乘曲面拟合模型。

优选地，所述补偿器中的二元非线性函数运算的模型参数采用实验及回归分析方式获取，即对所设计的传感器探头进行标定测试实验，测得不同工作温度条件下的感应电压和标准电导率之间的对应关系数据，利用感应电压值、热电阻输出值和标准电导率值进行回归分析，获得以感应电压值和工作温度值为自变量的二元非线性函数运算关系模型的参数。

以下给出一个采用二元三阶最小二乘曲面拟合模型及回归分析的实施实例：

取感应电压U、温度测量值T、电导率σ满足的三阶曲面拟合多项式为

σ＝C00+C10U+C01T+C20U²+C11UT+C02T²+C21U²T+C12UT²+C03T³ (4)

式中，C00，C01，C10，C20，C02，C11，C12，C21，C03为待定系数。

曲面拟合模型的误差平方和为

式中，(σt，Ut，Tt)为图4给出的实施过程中的实测数据，t＝1，2，…，n。

基于最小二乘法原理，即误差平方和Q值最小的原则，可求解得到表达式中的待定系数，根据偏导数为0的法则求取函数Q的极值，得到待定系数Cij满足的方程组，即

式中，i＝0，1，2；j＝0，1，2，3。求解方程组(17)，得到待定系数Cij，进而得到该曲面拟合表达式为

σ＝1.016+4.235U-0.09988T+22.17U²-0.2675UT+0.002935T²-0.07757U²T+0.002424UT²-0.0165T³ (7)

图5给出了式(7)所对应的曲面拟合效果。测量特性补偿器的实施中，将式(7)给出的特性补偿运算模型参数存入补偿器的参数存储器中，所述测量特性补偿器的参数存储器采用非易失性的E²PROM实现，掉电不消失，且预先存入了不同型号传感器的特性补偿运算模型参数，用户可根据探头型号选择相应的运算模型参数。

所述补偿器输出单元除LCD数字显示输出方式外，还包括4～20mA模拟信号输出方式、工业现场总线传输方式，具体工程实施中根据需要选取不同输出方式。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。