专利名称：一种测量溶液浓度的装置及方法
技术领域：
本发明属于一种利用微波测量溶液浓度的装置及其方法，这里所述的溶液是指溶液、悬浮液或乳浊液。具体讲是利用微波测量二元溶液的浓度或测量多元溶液中主要是一个组元含量的变化的装置及该装置的使用方法。该装置由微波源、探头和检测器构成。
北京大华仪器厂与华南热带作物学院于1983年联合研制成功了利用微波衰减法测定天然胶乳中干胶含量的仪器。该仪器是利用胶乳中干胶含量对微波透射强度的影响来测定胶乳中干胶的浓度。该仪器由稳频稳幅微波源、隔离器、探头和由精密衰减器及检波器组成的检测器构成。根据检测出的透射强度查干胶含量与微波透射强度间的关系曲线，以求得胶液中干胶的浓度。该仪器的缺点为1、由于仪器中使用多个微波器件，特别是使用了如稳频稳幅微波源精密衰减器等精密微波器件，使仪器的生产成本昂贵，难以推广使用;2、仪器体积大、笨重，电耗量大;3、需要进行采样测定，无法实现直接测量;4、仪器本身无法直接给出浓度值，需要进行查表，测量中费工、费时;5、由于透射强度是温度的函数，因此需建立不同温度条件下透射强度与溶液浓度间的关系曲线。又由于仪器的一致性差，需逐台制作不同温度下透射强度与溶液浓度间的关系曲线。因此给仪器的制造、维修带来极大的困难;6、仪器无法排除被测溶液中人为的干扰。如胶乳中经常有人为加入电解质的掺假现象，而这种掺假现象会使胶液的透射强度改变，产生错误指示。
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种利用微波测量溶液浓度的产品及使用方法。
本发明的目的的实现基于这样一个事实，即微波在溶液中的反射强度与溶液组元的浓度有相应的关系。
本发明的目的可以通过下述措施实现微波探测器为一装有环行器的T分支机构，微波管、检波管和探头分别装于T分支机构的三支臂上，检测器由检波管、线性化电路和电测仪表组成。由微波源产生的微波信号经环行器导入探头，作用到被测介质中，由被测介质反射回来的反射波信号返回到探头，经环行器导入检测器，反射波信号经检波和线性化处理后送入电测仪表产生指示。这里的电测仪表可以是电压表，也可以是电流表。
实现本发明目的的另一种方式是微波管、探头和检波管均装在一直波导器件上，检波管安装在直波导上位于微波波腹的位置，以获取反射波波幅和相位的全息信号，将此全息信号送入检测器中得到溶液浓度的信息。
本发明的目的还可通过下述措施来实现探头为一直波导器件，而不采用现有技术中的天线状探头。微波源由体效应管和微波腔体构成，微波振荡频率为8000-12000兆赫。
本发明的一个实施例中，微波源为一脉冲调制式微波源，其占空比 1/10 ～ 1/1000 ，以此减少振荡器的工作时间，有效地降低耗电。
本发明的一个实施例中，检测器中的线性化电路为一比较电压，用电压表显示检波电压与比较电压的差值。
线性化电路中的比较电压作为本发明的装置中的一个测量基点，采用一个电位器对比较电压进行调整，在检波电压与比较电压间接另一个电位器，由对该电位器所调整的电压值作为装置的另一测量基点，或者，用电压表基准电压作为装置的另一测量基点，并通过对基准电压的调整来调整该测量基点。
本发明的一个实施例中，有一电导报警器，它由一对电极和由这对电极控制的蜂鸣器组成。电极可以直接安装于探头上。
本发明的方法是对测量浓度的装置进行校准的方法。本发明的方法是在测定中采用浓度已确定的、与被测溶液的组元相同或基本相同的溶液作为标准校对测定装置进行校准，即根据标准样的已知浓度值对测定装置的测量基点进行调整。
本发明的优点在于 1、由于本发明的装置只用极少的微波器件，特别是采用标准样校准方法，可使装置使用非精密微波器件，所以可大大降低成本。
2、电耗低、重量轻，可在无电源地区和野外进行测量。
3、可在很大范围内实现浓度值的直读。使用本发明，对浓度与反射信号强度呈线性关系的溶液进行测量，可完全实现直读;对于浓度与反射信号强度分段呈线性关系的溶液，可通过用标准样分段校准的方法实现直读;对于浓度与反射信号强度有较好线性关系的溶液测量时，可采用修正方法近似读数。但本装置不适于测量浓度与反射信号呈非单调关系的溶液。
4、由于采用“标准样”定标校准的方法，可提高测量精度和测量的可靠性，而且还可避免温度对测量的影响。
5、采用电导报警器，可排除因被测溶液中被加入过量电解质的掺假而引起的对测量的干扰。
6、可对测量溶液进行直接测量，免除了现有技术中的取样问题，在实际测定中可将探头直接插入被测溶液中，并立刻获得读数，测定速度极快。
本发明的结构及优点，通过对附图的解说，将会更清楚。
附
图1为本发明的结构图，其中1A为装置原理图，1B为探测器结构图。
附图2为本发明的另一种结构图，其中2A为原理图，2B为探测器结构图。
附图3为脉冲调制器电路图。
附图4是检测器中的检波器与线性化电路。
附图5是探头及电导报警器的电极装配示意图。
附图6为利用本发明所测得的几种溶液浓度与检波电压间关系曲线。其中6A为天然胶乳中干胶含量与检波电压间关系曲线;
6B为河水中泥沙含量与检波电压间关系曲线;
6C为电解液中金属离子含量与检波电压间关系曲线;
6D为糖溶液中糖含量与检波电压间关系曲线。
附图1A中微波振荡由微波源1产生，经环行器2和探头3导入被测介质4中，被介质反射的信号经环行器2送入检测器5中，获得浓度信息。附图1B为微波探测器的结构图，微波探测器为一T分支机构，微波管8和检波器9分别置于T分支机构的臂14和臂13上，臂15与探头3相连结。螺钉10、11、12用于调整微波振荡频率和相位。
附图2A中1为微波源，5为检测器，3为探头，4为被测介质。附图2与附图1的不同在于微波探测器为一直波导器件，并且不使用环行器，这一点在附图2B中可以看的很清楚。由图2B可见检测器5中的检波器9、微波管8和探头3均在一直波导器件上，检波器9安装在直波导上位于微波驻波波腹的位置，以获取反射波波幅和相位的全息信号。螺钉16和17用于改变微波振荡器的频率和相位。采用附图2的结构既可省去环行器，简化机构，又可以提高检测的灵敏度。
微波管8为体效应管。由体效应管和微波腔体构成微波振荡器，其振荡频率应以8000-12000兆赫为最好。
在附图1与2中7为脉冲调制器，所产生的脉冲信号作用到微波管8上产生脉冲调制的微波振荡信号，以此减少振荡器工作时间，降低电耗，脉冲调制占空比应在 1/10 - 1/1000 之间为最佳。
附图3提供了一种矩形脉冲调制电路，由BG1、BG2产生多谐振荡，在R4上获得矩形脉冲，经BG3功率放大后由BG3的射极输出。需说明的是在实施本发明时还可采用现有技术中的各种脉冲调制器。
附图4提供了检测器中检波与线性化电路。由图4可见，线性化缏肺槐冉系缪梗觳ㄆ 2检波后的检波信号与比较电压进行比较，其差值由电压表21显示。电压表可采用指针式的，也可是数字式的。比较电压用一只电位器W1进行调整，所调整的电压作为本发明的装置的一个测量基点;检波电压与比较电压间接一只电位器W2，由W2所调整的电压值作为本发明的装置的另一个测量基点。通过对这两个测量基点的“调整”，可使检波电压与被测浓度值的比值为1，实现直读。这里所述的“调整”即为本发明所公开的“标准样”校准法。作为本发明的另一种实施方式，可以用电压表21的基准电压，即调整表头灵敏度，作为本发明的另一个测量基点，用调整表头21的基准电压，即调整表头灵敏度，取代对电位器W2的调整。
“标准样”校准法是采用两个浓度值已知但不等的、组元成份与被测溶液相同或相近似的溶液作为“标准样”，将本发明的装置探头插入“标准样”中浓度值低的一个，根据已知浓度值调整电位器W1，使表头指示值与已知浓度值对应，然后将探头插入浓度较高的“标准样”中，调整电位器W2，使表头指示在与其浓度值对应值的附近，再将探头插入低浓度值“标准样”中，重复上述过程，逐步逼近，最终使表头的指示分别与二个“标准样”浓度值对应，至此，完成了对装置的校准工作。如采用调整表头灵敏度取代调整电位器W2，其校准工作与前述程序相同，但整个校准工作较简便，不需要多次重复，逐步逼近。这是因为对表头灵敏度的调整不会引起比较电压的变化。采用“标准样”校准的方法可使由非精密微波器件构成的探测器在测量工作中产生的误差随时得到纠正。当“标准样”的温度与被测溶液温度相同时，校准工作本身即可排除温度因素对测量的影响，而不再需用现有技术中采用的补偿法来克服温度对测量的影响。
由附图5中可见，探头18为一直波导器件，采用直波导的探头，既可简化结构，也可避免现有技术中采用的天线状探头引起的微波传输中的匹配问题。探头端部的19为由高频介质构成的窗口。高频介质可以是有机玻璃、聚四氟乙烯、尼龙;或聚苯乙烯等。20为一电极，探头波导壁为另一电极，这对电极与蜂鸣器相连结，构成电导报警装置，蜂鸣器电路设计及电极的间隔应能满足被测溶液中电解质含量不大于额定值时蜂鸣器不发出音响。
附图1与2中的6为电源，它可以是一蓄电池构成的直流电源，也可是一整流稳压电源，也可以是由交流充电电源和蓄电池构成的电源。
附图6是采用本发明所测的几种溶液浓度与检波电压间的关系曲线。由图可见检波电压与这些溶液的浓度有良好的线性关系。利用本发明测量线性关系不好的溶液时，可采用多个“标准样”分段校准，或加修正值的方法读数。
对本发明的实施并不局限于以上所述，可根据本发明所公开的构思利用现有技术的多种方式实现。
权利要求
1.一种微波测量溶液浓度的装置，包括微波源、探头、检波管和检测器，其特征在于微波探测器为装有环行器的T分支机构，微波管、检波管和探头分别装于T分支机构的三支臂上，检测器由检波管、线性化电路和电测仪表组成。
2.一种微波测量溶液浓度的装置，包括微波源、探头、检波管和检测器，其特征在于微波管、检波管和探头装在一直波导器件上，检波管装在直波导上位于微波波腹的位置，检测器由检波管、线性化电路和电测仪表组成。
3.权利要求1或2的装置，其特征在于探头为一直波导器件。
4.权利要求3的装置，其特征在于微波源由体效应管和微波腔体构成，微波振荡频率为8000～12000兆赫。
5.权利要求4的装置，其特征在于微波源为脉冲调制式微波源，其占空比为 1/10 ～ 1/1000 。
6.权利要求4的装置，其特征在于线性化电路为一比较电压和一显示检波电压与比较电压间的差值的电压表。
7.权利要求5的装置，其特征在于线性化电路为一比较电压和一显示检波电压与比较电压间的差值的电压表。
8.权利要求6的装置，其特征在于用比较电压作为装置的一个测量基点，并用一个电位器对比较电压进行调整，在检波电压与比较电压间接另一个电位器，由对该电位器所调整的电压值作为装置的另一测量基点，或者，用电压表基准电压作为装置的另一测量基点，并通过对基准电压的调整来调整该测量基点。
9.权利要求7的装置，其特征在于用比较电压作为装置的一个测量基点，并用一个电位器对比较电压进行调整，在检波电压与比较电压间接另一个电位器，由对该电位器所调整的电压值作为装置的另一测量基点，或者，用电压表基准电压作为装置的另一测量基点，并通过对基准电压的调整来调整该测量基点。
10.权利要求8的装置，其特征在于装置上有报警器，它由安装于探头上的一对电极和由这对电极控制的蜂鸣器组成。
11.权利要求9的装置，其特征在于装置上有报警器，它由安装于探头上的一对电极和由这对电极控制的蜂鸣器组成。
12.用微波装置测量溶液浓度的方法，其特征为在测量过程中用标准样对测量装置进行校准。
全文摘要
本发明公开一种用微波测量溶液浓度的装置和方法。本发明的装置由微波源、检测器和探头构成，利用微波在被测溶液中的反射波信号测定出溶液浓度值，并可实现浓度值的直读。采用本发明的方法可排除温度因素对测量的影响，并使非精密微波元件构成的装置测量中产生的误差得以校正。
文档编号G01N22/00GK1034431SQ8910010
公开日1989年8月2日 申请日期1989年1月4日 优先权日1989年1月4日
发明者李治锋 申请人:兰州大学