以单一或多个的形式（例如将方 波脉冲叠加在正弦、方形、三角等波形上）产生例如正弦、方形、三角等波形状。当信号驱动 单元产生正弦波时，本发明的系统使用返回信号处理单元检测返回信号的异相位分量并且 通过在输入放大器处减去适当量的异相位信号来动态补偿返回信号的异相位分量。这确保 了可以放大返回信号的同相位分量而没有由于异相位信号导致的削弱。因为在补偿信号中 的任何相位误差可能引起不需要的准确性的减弱，所以本发明的系统构建为以所有使用的 频率，以及如果需要的话以所有使用的增益自校准它的补偿信号的相位。
[0012] 然后，该系统可以测定来自返回信号的同相位分量的样品的电导率，以及作为附 加的利益可以测定来自它的监测的异相位返回信号的系统/样品并联电容和补偿信号所 需的水平。可以使用该电容信息计算样品的其它性能例如介电常数。还应当注意的是在具 有高的电导率和低的并联电容的系统中（例如，使用低的面积/间隙长度比用探针测量的 高的电导率流体），其中同相位返回信号远大于异相位（正交）返回信号，通过从补偿部分 减去允许正交返回信号的较大的增幅的同相位分量，可以使用本发明的系统找到具有较高 准确性的介电常数。
[0013] 本发明的系统还动态确定对于测量存在的样品的导电性何种波形是最优的。例 如，可以使用正弦波驱动对电导率和并联电容作出（或调整作出）第一次估算，并根据该第 一次估算来确定用来测量样品的最佳的频率和波形状。在正在进行的测量过程中，继续核 查最佳的频率和驱动波形状。要么作为使用它的电流测量参数的正在进行的核查，要么通 过将它的电流测量参数接入或切换为一组可替换的用于感测电容和其它"设置测定"的功 能的更优化的参数。这允许缓慢追踪变化的样品特征以及动态样品变化。如果该系统确定 由于电导率的范围和存在的并联电容而非正弦波驱动是更加适合的，则使用它的电导的和 并联电容的测量值来选择最佳波形状，以及选择用于测量的样品的频率以便使准确性和性 能最大化。
[0014] 在已经选择波形状和频率之后，该系统不断地调整驱动波形的振幅和输入放大器 链的增益以使测量的返回信号和它的信噪比特征最佳化。
[0015] 外部信号和与电导率测定池或探针连接的驱动线圈都各自被屏蔽并且连接屏蔽 栅以便以在信号返回线圈上实际上没有电容性负载或分流以及在信号返回线圈和防护罩 之间有很少的或没有阻性泄漏的方式来电气防护返回信号。这允许使用广泛的电缆的长 度而没有对测量电路系统造成任何影响，而且这是对现有技术的造成主要问题的电缆和并 联电容的改进（参见发明人为Zhou等人、专利号为7, 550, 979、名称为用于测量流体电导 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，这些专利文献的全部 内容出于所有目的以它们的整体通过引用结合于此，如同在此详细陈述/解释一样。
[0016] 在该系统已经处理返回信号和数字分离同相位的和异相位的返回信号之前和之 后，该系统对信号应用各种自适应滤波器以进一步提高信噪比。
[0017] 本发明提供自适应补偿和波形状，这允许非常宽范围的具有自动设换范围能力的 电导率测量；可以被本发明的装置容忍的宽范围的并联电容允许范围从小的到非常大的 A/L(面积/间隙长度）比的测量电池，也就是探针的电池常数；自适应滤波器在系统的量 程的两端提供更稳定的读数；以及包括在所有使用的增益和频率上的补偿异相位信号的相 位的自校准的自校准在电导率、介电常数和探针电池常数的极其大的范围内动态增加测量 的准确性。
[0018] 本发明说明的仪器能够测定具有范围从大约lfS/cm(例如，1，4-二氧己环或甲 苯）到大约lmS/cm(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。以下表1给出了落在该范围内的示例液体的简短列表：
[0019] 表 1
[0020] 都在本发明的装置的测量范围内的液体的示例
[0021]
[0022]注释：
[0023] (1)所有的值在25摄氏度测定
[0024] (2)除非另有注释，数据来自作者为KosukeIzutSu，Wiley-VCH编写的"非水溶液 电化学（ElectrochemistryinNonaqueousSolutions)"，2009
[0025] (3)来自作者为Daniels&Alberty、JohnWiley&Sons编写的"物理化学（Physical Chemistry) "，第三版，1986
[0026] 由于可以由该仪器测得的宽范围的值，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。本发明还提供一种使 用完全防护的信号电极以及结合锥形机构的探针设计以精确保持外部圆柱形电极和内部 圆柱形电极之间的同心性。锥形设计进一步使得易于移除外部电极以便于清洗的能力成 为可能，同时提供确保甚至在许多个移除/再附接周期之后电池常数将保持不变的鲁棒方 法。
【附图说明】
[0027] 参照以下【具体实施方式】并结合附图将更容易理解本发明的各个特征和优势，其中 相同的附图标记表示相同的结构元件，并且附图中：
[0028] 图1说明了根据本发明的实施例的示意性电路图；
[0029] 图2说明了根据本发明的可编程相位调整功能的可供替换的实施例的示意性电 路图；
[0030] 图3说明了示出本发明的校准功能的实施例的示意性电路图；
[0031] 图4A和4B说明了无防护和全防护的同心圆柱形电导池的示意图；以及
[0032] 图5和5B说明了本发明的全防护的同心圆柱形电导池的横截面视图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明提供了用于测量液体的电导率、介电常数和相关性能的方法和实施所述方 法的装置。本发明还提供了与测量装置联用的防护探针。
[0034] 图1示出了根据本发明的实施例的示意性电路图，电路包含如下所示的与液体 样品传感器（电解池或探针）和处理器连接的主要部件。处理器（10)可以是标准形式， 例如用于将手工和/或编程的指令传输给电路部件并储存和管理获得的数据的德州仪器 (TexasInstruments)TMS320F2808微处理器控制器。编程以实施以下所描述的过程步骤。
[0035] 如图1所示，由放大器（1)、反馈网络（2)、可编程的滤波段（3)和可编程的电压增 益放大器（4)示意性表示特征可以动态改变的返回信号处理单元的放大器和滤波器。传感 器返回信号与放大器（1)的求和点（12)连接[这可以用例如美国模拟器件公司（Analog Devices，inc)的AD8627这样的部件实现]，进行连接以作为跨阻放大器。围绕放大器（1) 的反馈网络（2)由处理器（10)控制并且在一个实施例中可以将放大器（1)的增益从大约 10, 000V/A改变为大约一亿V/A。跨阻放大器（1)的输出端与可编程的滤波段（3)连接[这 可以用连接的部件--例如MaximMAX7424和MAX7405--实现以便处理器可以控制和选 择使用哪一个]。
[0036] 处理器（10)控制滤波器（3)的特征以优化带通来给给定的预期的返回信号的噪 声性能产生最佳的波形状和信号。例如，在一个实施例中，如果预期的返回信号是低频率的 正弦波，则调整可编程的滤波器（3)以提供具有高频截止的线性相位特征，这是精确的小 倍数的预期的频率。这确保以众所周知的计算的相移传递返回正弦波并确保使返回信号的 噪声带宽最小。
[0037] 作为另一示例，如果预期的返回波形是方波，则将滤波器的高频截止设置为远大 于方波的基本频率以便使得波形的边缘不扭曲，以及由于正弦波的相移不再是重要的问题 滤波器的特征从线性相位类型的滤波器变为快速转降的椭圆类型的滤波器。
[0038] 可编程的滤波器（3)与可编程的电压增益放大器（4)连接，在一个实施例中可编 程的电压增益放大器（4)具有范围从lx到ΙΟΟχ的增益[这可以用例如线性科技（Linear Technology)的LTC6912这样的部件实现]。处理器（10)控制该放大器的增益使得已处理 的返回信号尽可能的大而没有引起信号限幅或扭曲。可编程的放大器（4)的输出端与模拟 数字转换器（ADC) (9)连接[其可以用例如集成到微处理器中的ADC这样的部件实现]，模 拟数字转换器（ADC) (9)相应地与处理器（10)连接。
[0039] 在一个实施例中，处理器（10)将ADC的采样率控制为刺激频率的准确的倍数（不 管波形状）和将ADC的检验算法控制为与输出刺激信号同相位的。检测器的同步特征能够 测量正弦刺激驱动中的返回信号的同相位和异相位分量，而且还能够自动调整方波刺激信 号的极性反转。检测器的同步特征导致用于噪声降低的非常窄的带通滤波器。在该系统已 经处理过返回信号并且数字分离同相位的和异相位的返回信号之前和之后，该系统给信号 应用各种自适应滤波器以进一步提高信噪比。
[0040] 如图1所示，可编程的波形发生器（5)和可编程的电压增益放大器（6)示意性代 表了根据一个实施例的信号驱动单元。为了控制传感器的驱动电极，处理器（10)将可编程 的波形发生器（5)[可以用例如美国模拟器件公司（AnalogDevices)的AD9837这样的部件 实现]设置为适用于被测量的样品的波形类形和频率。根据感测到的被测量的样品的特