用于使用四电极设备进行液体阻抗测量的方法和设备与流程

本发明构思涉及一种用于使用四电极设备测量液体阻抗的方法和设备。

背景技术：

1、例如水等液体的阻抗可以提供其污染、盐度等信息，因为溶解的盐或其他类型的离子通常会影响水的电气特性。测量水的电导率通常涉及测量暴露在水中的一对电极之间的阻抗，其中，阻抗与电导率的倒数成比例。现有技术中已知的是使用两个或四个电极的阻抗测量技术。然而，这种适合在现场条件下使用的技术准确度低，而使用这种技术对液体进行准确的阻抗测量通常需要实验室条件。因此，需要一种用于在现场条件下进行两电极或四电极液体阻抗测量的改进方法。

技术实现思路

1、本发明构思的目的是提供一种用于在现场条件下进行液体阻抗测量的改进方法。

2、根据第一方面，提供了一种用于使用包括电极结构的四电极设备进行液体阻抗测量的方法。该方法包括在所述电极结构的第一外电极和第二外电极上施加正弦电压信号并执行第一组测量，该第一组测量包括：测量与通过所述第一外电极和所述第二外电极的电流成比例的值；测量与所述第一外电极和所述第二外电极上的电压降成比例的值；以及测量与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的电压降成比例的值。该方法进一步包括在参考阻抗上施加所述正弦电压信号并执行第二组测量，该第二组测量包括：测量与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；以及测量与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值。该方法进一步包括基于以下各项计算所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：所述参考阻抗；与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值；以及与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值。该方法进一步包括基于以下各项计算所述第一内电极与所述第二内电极之间的内阻抗：所计算的外阻抗；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；以及与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。

3、电极结构可以浸没在液体中，以对液体进行阻抗测量。因此，结果是正弦电压信号可以施加在存在于第一外电极与第二外电极之间的液体上，通过第一外电极和第二外电极的电流可以是通过存在于第一外电极与第二外电极之间的液体的电流，第一外电极与第二外电极之间的电压降可以是通过存在于第一外电极与第二外电极之间的液体的电压降，外阻抗可以是存在于第一外电极与第二外电极之间的液体的阻抗，并且内阻抗可以是存在于第一内电极与第二内电极之间的液体的阻抗。如果要测量的液体与相对低的阻抗相关联，即，即使液体的测量阻抗与四电极设备的内部阻抗大小相当，该方法也可以促进准确地测量液体阻抗。在施加和/或放大正弦电压信号时，这样的内部阻抗可能会不期望地存在，从而导致测量量失真，因为例如在对低阻抗液体进行阻抗测量时，内部阻抗上可能存在明显的电压降。通过对四电极结构和参考阻抗的上述测量步骤，该方法可以考虑到这种内部阻抗，从而提高四电极设备的液体阻抗测量准确度。因此，该方法可能适合于在液体为要测量的水(确定水质为饮用水)的情况。这种水可能含有离子、盐等，这些离子、盐等可能会显著增加水的电导率，从而降低测量的阻抗。因此，该方法可以促进基于水的阻抗来准确地确定水质。与通常需要更临床的环境进行准确的液体阻抗测量的传统准确液体阻抗方法相比，四电极设备可以进一步适合在现场条件下使用，所需的维护和电力最少。

4、第一外电极和第二外电极负责电流注入，而其余的电极(即，第一内电极和第二内电极)被配置用于测量其间的电压。实际上，由于流经内电极的电流很小，因此这些电极上会存在有限量的电化学反应，比如电镀、腐蚀。这种电化学反应可能会影响电极的有效测量面积。因此，所提出的方法可以促进减少这种电化学反应，从而提高内电极之间测量电压准确度，进而提高阻抗。进一步地，四电极结构可以减少电极-电解质现象的影响。

5、贯穿本披露内容，对例如外阻抗和内阻抗的计算可以使用等式来披露。自然，对应的计算可以使用相应的等式来执行。然而，如技术人员将很容易认识到的，这种计算可以采用若干种不同的数学等价方式(例如，以不同的阶或类似方式)来执行。对应的计算通过相应的等式被描述为“可表示”应当被理解为涵盖了这种数学等价运算。

6、根据实施例，处理器或电路被配置为：计算所述外阻抗，如可表示为：

7、

8、并且计算所述内阻抗，如可表示为：

9、

10、其中，zt为所述外阻抗，zi为所述内阻抗，zr为所述参考阻抗，～ir为与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，～vo为与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，～vr为与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，～is为与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，并且～vi为与所述电极结构的所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。

11、因此，促进了对内阻抗的直接计算，这可以降低四电极设备的功耗，从而促进该四电极设备在现场条件下使用的质量。

12、在上面的量和下面的量中的一些量前面的波浪号～表示“与......成比例”。因此，～x应当被理解为与x成比例的值，即，x乘以比例常数。

13、根据实施例，每一次所述施加所述正弦电压信号包括由数模转换器dac施加所述正弦电压信号。

14、dac可以提供具有明确定义的幅度、频率和相位的正弦电压信号，从而促进所测量/计算的液体阻抗的准确度。正弦电压信号可以由功率缓冲器(下文将进一步讨论)放大，该功率缓冲器中可能存在内部阻抗，该方法在确定液体阻抗时会考虑到该内部阻抗。

15、根据实施例，每一次所述测量包括由模数转换器adc进行转换。adc可以促进对测量数据的进一步分析。

16、根据实施例，每一次所述测量包括记录时间序列。

17、优选地，每个时间序列包括一个或多个周期的数据以形成(截断的)正弦函数以供进一步分析，这可能会促进该方法的准确度。

18、根据实施例，每一次所述测量进一步包括对所记录的时间序列应用离散傅里叶变换dft。

19、dft可以促进在计算上高效的方法以进一步分析所记录的(正弦)时间序列。

20、根据实施例，所述应用所述离散傅里叶变换包括将每个所记录的时间序列转换为对应的频谱，并且所述测量进一步包括：确定所述频谱的主导频率仓；以及根据所述主导频率仓确定测量值。这是在所记录的时间序列中去除的噪音或其他伪像的特别高效的方法。

21、根据第二方面，提供了一种用于液体阻抗测量的四电极设备。四电极设备包括电极结构，该电极结构包括第一外电极、第二外电极、第一内电极以及第二内电极。四电极设备进一步包括参考阻抗和信号发生器，该信号发生器被配置为生成正弦电压信号，其中，所述四电极设备被配置为测量：与通过所述第一外电极和所述第二外电极的电流成比例的值；与所述第一外电极和所述第二外电极上的电压降成比例的值；与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的电压降成比例的值；与通过所述参考阻抗的电流成比例的值；以及与所述参考阻抗两端的电压降成比例的值。四电极设备进一步包括处理器或电路，该处理器或电路被配置为基于以下各项计算所述第一外电极与所述第二外电极之间的外阻抗：所述参考阻抗；与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值；以及与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值。四电极设备基于以下各项进一步包括所述第一内电极与所述第二内电极之间的内阻抗：所计算的外阻抗；与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；以及与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。

22、此方面总体上可以呈现与前一方面相同或对应的优点。与第一方面相关的上述特征在适用时也应用于此第二方面。

23、根据实施例，所述处理器或电路被配置为计算所述外阻抗，如可表示为：

24、

25、并且计算所述内阻抗，如可表示为：

26、

27、其中，zt为所述外阻抗，zi为所述内阻抗，zr为所述参考阻抗，～ir为与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值，～vo为与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值，～vr为与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值，～is为与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值，并且～vi为与所述电极结构的第一内电极和第二内电极上的所述电压降成比例的所述值。

28、根据实施例，四电极设备进一步包括第一开关和第二开关，该第一开关和该第二开关被配置为在生成所述正弦电压信号时，在跨所述电极结构与跨所述参考阻抗之间切换所述正弦电压信号能够穿越的路径。因此，第一开关和第二开关可以被布置为使得当正弦电压信号穿越电极结构时，参考阻抗与电极结构电解耦，并且反之亦然。这是使用单个电压源来测量不同部件的电气特性的特别有能效的方法。

29、根据实施例，该信号发生器包括数模转换器dac。

30、根据实施例，四电极设备进一步包括：第一模数转换器adc，该第一adc被配置为测量与所述第一外电极和所述第二外电极上的所述电压降成比例的所述值和与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；第二adc，该第二adc被配置为测量与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值；以及第三adc，该第三adc被配置为测量与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值和与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值。

31、根据实施例，四电极设备进一步包括第三开关和第四开关，该第三开关和该第四开关被布置为选择性地连接所述第一adc。第三开关和第四开关可以是所谓的开-关类型。因此，当这些开关被设置为“关”模式时，第一adc与四电极设备的其余电路电解耦。当开关被设置为开模式时，可以获取并记录有关外电极上或参考阻抗两端的电压降的数据。

32、根据实施例，处理器或电路进一步被配置为记录与以下各项中的每一项相关的时间序列：与所述第一外电极和该第二外电极上的所述电压降成比例的所述值；与所述参考阻抗两端的所述电压降成比例的所述值；与所述第一内电极和所述第二内电极上的所述电压降成比例的所述值；与通过所述第一外电极和所述第二外电极的所述电流成比例的所述值；以及与通过所述参考阻抗的所述电流成比例的所述值。

33、根据实施例，该处理器或电路进一步被配置为对每个所记录的时间序列应用离散傅里叶变换dft。