测量物质的电学性能的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量物质的电导率、介电常数和相关性能的装置和方法，并包括 一种用于精确测量具有从极低（~10 15s/cm)到较高（~10 13S/cm) (S/cm=西门子每厘 米）的范围的电导率的液体的电导率的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 测量非常低的液体的电导率（〈InS/cm)(纳西门子每厘米）历来对仪器造成问题。 除了明显的阻性泄漏通道的问题以外，液体在电场下具有极化的趋势并且可以在电极界面 形成可以屏蔽测量区域的大量的样品的双层。为了补偿该极化，使用交变极性（AC)波形进 行大多数液体的电导率测量。选择足够快的该波形的频率以便没有由于在测量区域的极性 转换之前在被测量的样品中发生的双层极化而导致的可观察到的场屏蔽。用于这些AC测 量的典型的频率范围可以从水相体系的远大于ΙΟΚΗζ到一些非水相体系的小于1Hz。
[0003] 增加的测量问题是当使用AC测量波形时，寄生电容分流被测量的样品可能引起 大的异相位的返回信号。当被测量的电导率非常低时，这些异相位的电流可以是大于感兴 趣的同相位的返回信号的数量级。这些异相位的信号不仅可以使输入放大器阶段过载，而 且由于并联电容值通常是被测量的液体的介电常数的强函数，所以对于通用的液体电导 仪，并联电容本身可以根据被测量的样品而变化大于50比1。一些现有技术的系统起到了 补偿外部电缆电容的作用，但假定使样品分流的寄生电容仅是测量电池的几何结构的函数 并且是一固定值。例如，参见发明人为Zhou等人、专利号为7, 550, 979、名称为用于测量液 体电导率的方法和装置（SYSTEMANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITYOFFLUID) 的美国专利以及发明人为Barnett、专利号为6, 232, 786、名称为用于测量电导率的装置 和方法（APPARATUSANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITY)的美国专利。其它现有 技术系统已经试图以降低电池常数和/或限制可以测量的液体类型为代价使该并联电容 最小化。例如，参见发明人为Fougere、专利号为8, 552, 750、名称为用于测量高阻抗性流 体的电导率和介电常数的装置和方法（APPARATUSANDMETHODFORTHEMEASUREMENT0F ELECTRICALCONDUCTIVITYANDDIELECTRICCONSTANTOFHIGH頂PEDANCEFLUIDS)的美 国专利。
[0004] 通常需要使用正弦波驱动来感测电导率因为这允许极其窄频段区分返回信号，这 辅助消除来自谐波、驱动频率附近的串扰和其它不需要的干扰信号的噪声。例如，参见发明 人为Barnett、专利号为6, 232, 786、名称为用于测量电导率的装置和方法（APPARATUSAND METHODFORMEASURINGCONDUCTIVITY)的美国专利。这对于其中异相位的返回信号是易管 理的这样的系统可以起到好的效果，但当异相位与同相位的返回分量的比变得非常高时， 误差趋向于迅速增加，显著降低了测量的准确性。
[0005] 使用正弦波驱动的液体电导率仪曾经尝试通过试图从返回信号中减去特定量的 正交相位信号来处理该大的异相位的返回分量（例如，参见用于型号627电导率仪的操作 员手册（OperatorManualforModel627ConductivityMeter)，这是从新泽西州的普林斯 顿的Scientifica购买的以及参考专利号为6, 265, 883的美国专利）。然而，因为异相位返 回信号一一以及因此补偿减法信号一一可以是大于感兴趣的同相位的返回信号的数量级， 所以在补偿正交相位减法信号中的极其小的相位误差可能引起相对大的测量准确度误差。
[0006] 还使用非正弦波（例如方波）驱动信号来测量液体系统的电导率。例如，参见发 明人为Clark、专利号为6, 265, 883、名称为用于组合测量流体的电学性能和深度的装置和 方法（APPARATUSANDMETHODFORCOMBININGMEASUREMENTOFELECTRICALPROPERTIES ANDDEPTHOFAFLUID)的美国专利以及发明人为Blades、专利号为4, 683, 435、名称为用 于补偿非线性的电导率测量系统的电路（CIRCUITFORCOMPENSATINGNON-LINEARITIESIN ELECTROLYTECONDUCTIVITYMEASUREMENTSYSTEM)的美国专利。对于具有极其低的电导 率和大量的并联电容的样品系统，使用非正弦波驱动可以隔离电容返回信号并去除处理当 试图解决涉及分出同相位的返回信号分量的非常小的相位角时可能发生的大的准确度误 差的一些困难。当使用非正弦波驱动时，可能失去通过使用窄频带驱动信号获得的许多信 噪比的改进。另外，所使用的频率不再仅仅是要求阻止在电极处形成双层的相应物的函数。 对于在波形转换边缘的由寄生并联电容引起的电流尖脉冲，该频率必须保持足够低以在作 出测量之前衰减。这可能限制了可以在一些系统上使用的频率。
[0007] 在能够测定具有范围从大约IfS/cm(毫微微西门子每厘米）（例如，1，4-二氧己 环或甲苯）直到大约lmS/cm(毫西门子每厘米）（例如，5mM氯化钾水溶液）的电导率和范 围从1.8(例如，戊烷或己烷）到差不多200(例如，N-甲基乙酰胺或N-甲基甲酰胺）的 介电常数的流体的电导率和介电常数的仪器的情况下，也希望具有电池常数（定义为A/ L，面积与间隙长度的比）在可能遇到的流体参数的整个范围内不改变的探针。由于电极 边缘的电场的边缘（fringing)，电极的有效面积通常大于根据电极的尺寸从几何面积计 算的面积。由于电场的边缘的范围是样品性能的函数，所以需要使用边缘对电池常数的影 响很小的电池设计，以及使用有效的电池常数的改变对于范围从最小的到最大的可能的介 电常数或电导率的所有样品来说是可以忽略的这样的电池设计。这样的电池允许在覆盖 的范围内的任何一个点处确定电池常数，而不是甚至对于适度范围的电导率和介电常数都 要求使用非常接近于未知样品的值的标准电导率和要求多个校准常数。尽管已经说明了 被防护的、具有固定和可调整的电池常数的平行板电池（Dikarev，B.N.等人发表在介电 材料、测量和应用会议出版物（DielectricMaterials,MeasurementsandApplications ConferencePublicationNo. 473, _ 2000)No. 473, @ 2000 中的"用于液体电介质的电导 率测量的测试电池的设计特征"(DesignFeaturesoftheTestCellsforConductivity MeasurementinDielectricLiquids))，但目前获得的大多数电导率测定用电池是没有防 护的并需要多个校准流体来限定必须储存在仪表中的多个校准常数。尽管很麻烦，但该方 法在较高（例如水溶液）的电导率范围（>10uS/cm(微西门子每厘米））中是可能的，因为 在该范围中存在一些可获得的已知的标准。然而，在低于luS/cm的整个范围中目前没有可 获得的可靠的校准流体。这是特别有问题的因为该范围中的介电常数覆盖了 2-80的大得 多的范围。明显地，完全防护的电池将是对该范围中的液体的改进。因为需要具有高的A/ L比的电池在这些低的电导率范围内，所以通常选择同心圆柱体的几何结构，因为它们更紧 凑而且电极对准比平行板更不容易出错。然而，我们却不知道同心圆柱形探针，对于圆柱形 探针通过安置在其两端的防护电极可以完全防护信号电极。
[0008] 现有技术的探针还通过用在圆柱体的两端的支撑结构、通过在沿着圆柱体的多个 点处的支撑结构（例如，参见用于型号627电导率仪的操作员手册（OperatorManualfor Model627ConductivityMeter)，这是从新泽西州的普林斯顿的Scientifica购买的）、 或通过用螺丝将外部圆柱体与平坦的挡块固定（例如，参见发明人为Fougere、专利号为 8, 552, 750、名称为用于测量高阻抗性流体的电导率和介电常数的装置和方法（APPARATUS ANDMETHODFORTHEMEASUREMENTOFELECTRICAL⑶NDUCTIVITYANDDIELECTRIC CONSTANTOFHIGH頂PEDANCEFLUIDS)的美国专利）来保持圆柱体的同心性。两个端部支 撑结构和多个点的支撑结构的方法很难拆卸清洗或很难清洗安装而不影响电池常数的再 现性。用螺丝将外部圆柱体与平坦的挡块固定的方法允许拆卸，但在每个拆卸/重新组装 周期以及在长期使用和磨损的情况下易于失去电池常数的再现性。除非此处另有说明，此 处使用的"液体"或"流体"包括单一或混合的化学物质、单相或多相有机或无机化学品或 生物学，以及包括例如悬浮液、分散质、乳状液、具有气泡的液体（也就是，液体为连续相）。 待测试的液体可以是静态或动态的（流动和/或湍流的）。
【发明内容】
[0009] 本发明提供（以总成、子总成、和部件、硬件/软件水平）一种能够以弥补现有技 术遇到的问题的方式测量液体/流体的电学性能的装置、系统和方法。
[0010] 本发明的系统通常是与探针、样品容纳装置或传感器连接的测量装置。测量装置 通常包含能够刺激与探针或样品容纳装置接触的样品的信号驱动单元和返回信号处理单 元。信号驱动单元进一步包含能够产生各种波形状、振幅、频率（包括DC)和相位的波形的 可编程的波形发生器。返回信号处理单元进一步包含一个或多个放大器、特征可以动态变 化的滤波器、能够增加到信号中或从信号中减去的信号修正元件，以及其它信号处理部件。 [0011] 在信号驱动单元内的可编程的波形发生器可以