C4D技術(shù)在工業(yè)管道流體電導(dǎo)測量中的應(yīng)用

呂穎超，冀海峰，楊世杰，王保良，黃志堯，李海青

(浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)學(xué)院，工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，310027)

?

C4D技術(shù)在工業(yè)管道流體電導(dǎo)測量中的應(yīng)用

呂穎超，冀海峰，楊世杰，王保良，黃志堯，李海青

(浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)學(xué)院，工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，310027)

基于虛擬電感技術(shù)研發(fā)一種工業(yè)毫米級管道新型電容耦合式非接觸電導(dǎo)測量傳感器。虛擬電感基于Riordan電路研制，相應(yīng)的工業(yè)型C4D傳感器基于串聯(lián)諧振原理實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)測量，并采用特殊的屏蔽罩結(jié)構(gòu)屏蔽工業(yè)干擾。研究結(jié)果表明，所研制的虛擬電感與實(shí)際電感相比，具有內(nèi)阻小和電感可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。在內(nèi)徑為1.80 mm的管道內(nèi)進(jìn)行電導(dǎo)測量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所研發(fā)的工業(yè)型C4D傳感器是可行的和有效的，可用于實(shí)際工業(yè)毫米級管道流體的電導(dǎo)率在線測量。

電容耦合式非接觸電導(dǎo)測量；虛擬電感；毫米級管道流體；電導(dǎo)測量

電容耦合式非接觸電導(dǎo)測量(capacitively coupled contactless conductivity detection, C4D)技術(shù)是一種新型電導(dǎo)測量技術(shù)[1?4]。由于電極不直接與被測液體接觸，因此可以有效避免傳統(tǒng)電導(dǎo)測量技術(shù)中電極極化和電化學(xué)腐蝕等問題[5?7]。然而，目前該技術(shù)的研究與應(yīng)用主要局限于分析化學(xué)領(lǐng)域中的毛細(xì)管尺度及以下的離子濃度檢測[6?10]，且基本處于理想的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，C4D技術(shù)在實(shí)際工業(yè)環(huán)境下對流體電導(dǎo)率測量的應(yīng)用研究還鮮有文獻(xiàn)報道[11?12]。隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備呈現(xiàn)小型化、集成化趨勢，然而對于毫米級管道而言，現(xiàn)有的電導(dǎo)率測量方法還難以滿足要求，因此，亟需一種適用于實(shí)際工業(yè)毫米級管道流體電導(dǎo)率測量的方法。近年來，JI等[13]在該領(lǐng)域已有一定的研究，已提出一種適用于實(shí)際工業(yè)環(huán)境中毫米級管道的電導(dǎo)測量方法及相應(yīng)的C4D傳感器?；诖?lián)諧振原理，通過串聯(lián)實(shí)際電感，消除由電極、管壁和導(dǎo)電流體形成的耦合電容的影響，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率測量；設(shè)計的一種特殊的金屬屏蔽罩結(jié)構(gòu)用以消除雜散電容的不良影響并可屏蔽來自工業(yè)環(huán)境的干擾。但由于實(shí)際電感的限制，該C4D傳感器具備以下不足：1) 由于實(shí)際電感通常為繞線式電感，其尺寸相對毫米級測量管徑而言較大，因而不利于傳感器小型化和集成化；2) 傳感器的諧振頻率由電感和耦合電容決定，由于耦合電容不變，實(shí)際電感確定后不能變動或可調(diào)節(jié)范圍較小，因此，諧振頻率的選擇或可調(diào)范圍受到限制，傳感器對激勵源的要求較高；3) 內(nèi)阻較大。虛擬電感技術(shù)是一種利用有源器件(如運(yùn)算放大器)以及電阻和電容構(gòu)成的用以實(shí)現(xiàn)電感功能的一個整體電路模塊[14?17]。和實(shí)際電感相比，虛擬電感具有內(nèi)阻低、電感可調(diào)和易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此，虛擬電感技術(shù)提供了一種可有效克服實(shí)際電感不足的方法。然而，目前虛擬電感技術(shù)主要應(yīng)用于集成電路領(lǐng)域，并不適用于本課題中的C4D傳感器，故仍需要對現(xiàn)有的虛擬電感電路進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足本課題需求。本文作者擬引入虛擬電感技術(shù)，用虛擬電感代替實(shí)際電感，研制出基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器。

1 虛擬電感

目前，虛擬電感技術(shù)主要應(yīng)用于集成電路領(lǐng) 域[14?17]，根據(jù)所構(gòu)建的虛擬電感的不同可以將虛擬電感分為2類：接地虛擬電感以及浮置虛擬電感。接地虛擬電感一端必須接地，典型的接地虛擬電感主要有BERNDT等[14?16]各自構(gòu)建的電路。Berndt電路構(gòu)建的虛擬電感的等效電感受制于電路的激勵信號頻率；Prestcott電路構(gòu)建的等效電感和等效內(nèi)阻之間存在耦合，不能相互獨(dú)立的調(diào)節(jié)；Riordan電路雖然具有結(jié)構(gòu)簡單及電感量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，但作為接地虛擬電感，其電路的一端需要接地，不能作為一個獨(dú)立的模塊接入電路中。因此以上典型的接地虛擬電感都無法滿足本課題的要求。而浮置虛擬電感雖然能夠作為一個單獨(dú)的模塊引入到相關(guān)電路中，但由于大多數(shù)浮置虛擬電感都是在接地虛擬電感的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，因此大部分依然具有接地虛擬電感的不足(電感和內(nèi)阻不能相互獨(dú)立調(diào)節(jié)等)，一些浮置虛擬電感電路雖然克服了這些缺點(diǎn)卻存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)的缺陷。因此浮置虛擬電感也無法滿足本課題的要求。本文基于Riordan電路提出了一種滿足本課題要求的改進(jìn)的虛擬電感電路，可作為獨(dú)立模塊直接應(yīng)用到C4D傳感器中，其電路圖如圖1所示。

圖1 虛擬電感模塊電路圖

由圖1可得：

為了使虛擬電感電路可以作為獨(dú)立的模塊使用，必須滿足1=2，因此，根據(jù)式(1)~(3)可得：

為方便式(4)成立，則使下列等式成立：

1=2(5)

62=79(6)

13=810(7)

由此可得虛擬電感模塊的阻抗為

由式(8)可以看出：虛擬電感模塊可以等效為1個電阻和1個電感串聯(lián)，即

根據(jù)式(9)和式(10)，只需改變電阻m及電容1，即可實(shí)現(xiàn)該虛擬電感模塊的內(nèi)阻R和電感可調(diào)，在實(shí)際電路中，用可調(diào)電阻m來替代4和5，在確保電感調(diào)節(jié)的同時，進(jìn)一步簡化了電路(其他電阻及電容均固定)，且選擇6＞＞m時，則可使虛擬電感模塊的內(nèi)阻足夠小，且虛擬電感等效電感的調(diào)節(jié)對內(nèi)阻的影響足夠小。

2 基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器

圖2所示為基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器結(jié)構(gòu)圖。其中：用虛擬電感模塊代替實(shí)際電感模塊。該C4D傳感器基于串聯(lián)諧振原理，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)測量；特殊的金屬屏蔽罩結(jié)構(gòu)用以屏蔽來自工業(yè)環(huán)境的干擾，詳見文獻(xiàn)[13]。

圖2 基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖3所示為基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器的等效電路圖，其中虛擬電感模塊已用等效電阻和等效電感來表示。

圖3 基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器等效電路圖

傳感器電路中，p1和p2為電極、管壁和導(dǎo)電流體形成的耦合電容，d1和d2為雜散電容，11和12為2個電極分別與法蘭之間的導(dǎo)電流體的等效電阻，x為電極間被測導(dǎo)電流體的等效電阻。d1很小，因此可以被忽略，而d2與運(yùn)算放大器直接相連，因此對電路的影響可以忽略[12?13]。簡化的等效電路圖如圖4所示。

由圖4可得：虛擬電感模塊和傳感器電路的總阻抗為

其中：為交流激勵源的激勵信號頻率。而在傳感器中，2個電極的長度相等，2個電極到法蘭之間的距離相

圖4 基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器簡化等效電路圖

等，故p1=p2=，11=12=x。因此，式(11)可表示為

根據(jù)諧振頻率原理，當(dāng)達(dá)到諧振頻率0時，總阻抗的虛部為0，電路呈現(xiàn)純阻性，此時0為

諧振狀態(tài)下，虛擬電感模塊和傳感器電路的總阻抗為

3 實(shí)驗(yàn)及討論

3.1 虛擬電感測試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了測試虛擬電感的性能，搭建了測試電路，如圖5所示。其中：電容用以模擬C4D傳感器中的耦合電容，電感部分由實(shí)際電感和虛擬電感分別接入進(jìn)行測試，電阻用以限制電路電流，交流激勵源提供諧振頻率下的激勵信號，i和o分別為輸入輸出信號被測點(diǎn)。

圖5 虛擬電感測試電路

該測試電路中，電容為40.588 pF，電阻為302 Ω，激勵信號為正弦電壓信號，對虛擬電感電路中的電阻和電容參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)置(滿足式(5)~(7)，且選擇6＞＞m)，此實(shí)驗(yàn)中虛擬電感的等效電感范圍為10~45 mH。圖6所示為選取諧振頻率為235.85 kHz、峰峰值為1 V的正弦電壓信號并分別接入實(shí)際電感和虛擬電感后的輸入輸出信號波形圖，此時實(shí)際電感為11.2 mH。

(a) 接入實(shí)際電感；(b) 接入虛擬電感

接入實(shí)際電感時，輸入信號幅值|4?3|為1 V，輸出信號幅值|2?1|為0.9 V，2個信號的周期|2?1|為4.24 μs(信號頻率為235.85 kHz)；接入虛擬電感時，輸入信號幅值|4?3|為1 V，輸出信號幅值|2?1|為 0.98 V，2個信號的周期|2?1|為4.24 μs(信號頻率為235.85 kHz)。

由圖6可見：在確定頻率下，接入實(shí)際電感和虛擬電感時，輸入信號和輸出信號的相位差都幾乎為0，說明虛擬電感工作性能良好，可以使電路處于較好的諧振狀態(tài)且性能不低于實(shí)際電感。另外，實(shí)際電感的調(diào)節(jié)范圍較小(可調(diào)電感的調(diào)節(jié)范圍一般為15%左右)，因此一個實(shí)際電感很難滿足不同的諧振頻率需求，而虛擬電感的等效電感的范圍為10~45 mH，因此使用一個虛擬電感就可以使電路諧振頻率在一個較大的范圍內(nèi)(該測試電路中為120~250 kHz)可調(diào)，降低了對激勵源的要求。同時，實(shí)際電感的內(nèi)阻一般均大于20 Ω，而通過合理設(shè)定虛擬電感中的電阻(令6＞＞m)，則可以使虛擬電感的內(nèi)阻R小于實(shí)際電感內(nèi)阻(本實(shí)驗(yàn)中，虛擬電感的內(nèi)阻小于10 Ω)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：和實(shí)際電感相比，虛擬電感具有內(nèi)阻小、電感可調(diào)的特點(diǎn)，該虛擬電感的性能優(yōu)良。

3.2 電導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

圖7所示為電導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)裝置。采用的導(dǎo)電流體為標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液，其濃度范圍為0~0.5 mol/L，對應(yīng)的電導(dǎo)率范圍為0~60 ms/cm，測量管道內(nèi)徑為1.80 mm，激勵信號為正弦電壓信號，峰峰值為8 V，調(diào)節(jié)虛擬電感的電感，使得諧振頻率為121.2 kHz，將采集到的反應(yīng)被測流體電導(dǎo)率變化的電壓進(jìn)行擬合得到電導(dǎo)率測量值，用商業(yè)化接觸式電導(dǎo)率儀(FE30，Mettler Toledo公司生產(chǎn)，電導(dǎo)測量范圍為0~199.9 ms/cm，測量精度為±5%)對被測流體的電導(dǎo)率測量值作為電導(dǎo)率參考值。

圖7 電導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)裝置

對內(nèi)徑為1.8 mm管道中的流體電導(dǎo)率進(jìn)行多次測量，重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果表明，該基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器的測量重復(fù)性較好，測量精度較高。多次實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出的最大測量相對誤差為5.1%(1組典型的流體電導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示)，且絕大部分測量相對誤差均小于5%。

圖8 1.80 mm管道中1組典型的流體電導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因此，該基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器是有效的，C4D技術(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)管道中導(dǎo)電流體電導(dǎo)率測量中。

4 結(jié)論

引入虛擬電感技術(shù)，研發(fā)出一種基于虛擬電感技術(shù)的工業(yè)毫米級管道新型C4D傳感器。虛擬電感電路基于Riordan電路研制，使得虛擬電感可以作為獨(dú)立的模塊應(yīng)用，滿足本課題的要求。相應(yīng)的工業(yè)型新型C4D傳感器，用虛擬電感代替實(shí)際電感，基于串聯(lián)諧振原理實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)測量，并采用特殊的金屬屏蔽罩結(jié)構(gòu)來屏蔽來自工業(yè)環(huán)境的干擾。作為初步研究，對虛擬電感進(jìn)行性能測試實(shí)驗(yàn)，并在內(nèi)徑為1.80 mm的管道中進(jìn)行了電導(dǎo)測量實(shí)驗(yàn)。

虛擬電感測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相較于實(shí)際電感，虛擬電感具有內(nèi)阻小、電感可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，其工作性能良好且降低了傳感器對激勵源的要求。電導(dǎo)測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電導(dǎo)率測量實(shí)驗(yàn)的最大相對誤差小于5.1%，所提出的基于虛擬電感技術(shù)的新型工業(yè)型C4D傳感器是可行和有效的。本研究為C4D技術(shù)在工業(yè)管道流體電導(dǎo)測量中的應(yīng)用提供了參考。

[1] GA? B, DEMJANěNKO M, VACIK J. High-frequency contactless conductivity detection in isotachophoresis[J]. Journal of Chromatography A, 1980, 192(2): 253?257.

[2] da SILVA J A F, DO LAGO C L. An oscillometric detector for capillary electrophoresis[J]. Analytical Chemistry, 1998, 70(20): 4339?4343.

隨著燃料乙醇和食品加工中伴生的液體副產(chǎn)品產(chǎn)量增加、果蔬種植規(guī)?；樯孽r基飼用資源增加，加上環(huán)保要求趨嚴(yán)、飼料成本上升，促進(jìn)了液體農(nóng)副產(chǎn)品、鮮基地源飼料和發(fā)酵液體飼料的應(yīng)用和推廣，液體飼料具有廣闊的發(fā)展前景[1]。

[3] ZEMANN A J, SCHNELL E, VOLGGER D, et al. Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis[J]. Analytical Chemistry, 1998, 70(3): 563?567.

[4] KUBá? P, HAUSER P C. A review of the recent achievements in capacitively coupled contactless conductivity detection[J]. Analytica Chimica Acta, 2008, 607(1): 15?29.

[5] KUBá? P, HAUSER P C. Contactless conductivity detection for analytical techniques: developments from 2012 to 2014[J]. Electrophoresis, 2015, 36(1): 195?211.

[6] COLTRO W K T, LIMA R S, SEGATO T P, et al. Capacitively coupled contactless conductivity detection on microfluidic systems: ten years of development[J]. Analytical Methods, 2012, 4(1): 25?33.

[7] de DIEGO A, USOBIAGA A, FERNáNDEZ L A, et al. Application of the electrical conductivity of concentrated electrolyte solutions to industrial process control and design: from experimental measurement towards prediction through modelling[J]. TrAc Trends in Analytical Chemistry, 2001, 20(2): 65?78.

[8] KUBá? P, HAUSER P C. Ten years of axial capacitively coupled contactless conductivity detection for CZE: a review[J]. Electrophoresis, 2009, 30(1): 176?188.

[9] KUBá? P, HAUSER P C. Fundamental aspects of contactless conductivity detection for capillary electrophoresis. Part I: frequency behavior and cell geometry[J]. Electrophoresis, 2004, 25(20): 3387?3397.

[10] KUBá? P, HAUSER P C. Fundamental aspects of contactless conductivity detection for capillary electrophoresis. Part II: signal‐to‐noise ratio and stray capacitance[J]. Electrophoresis, 2004, 25(20): 3398?3405.

[11] HUANG Zhiyao, JIANG Weiwei, ZHOU Xinmiao, et al. A new method of capacitively coupled contactless conductivity detection based on series resonance[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2009, 143(1): 239?245.

[12] HUANG Zhiyao, LONG Jun, XU Wenbo, et al. Design of capacitively coupled contactless conductivity detection sensor[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2012, 27: 67?70.

[13] JI Haifeng, LI Zhongzhu, WANG Baoliang, et al. Design and implementation of an industrial C4D sensor for conductivity detection[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 213: 1?8.

[14] BERNDT D F, DUTTA ROY S C. Inductor simulation using a single unity gain amplifier[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1969, 4(3): 161?162.

[15] ROY S C D, NAGARAJAN V. On inductor simulation using a unity-gain amplifier[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1970, 5(3): 95?98.

[16] RIORDAN R H S. Simulated inductors using differential amplifiers[J]. Electronics Letters, 1967, 3(2): 50?51.

[17] BHASKAR D R, SENANI R. Simulation of a floating inductance: a new Two-CFOA-based configuration[C]// Proceeding of 5th IEEE International Conference on Computational Intelligence, Modelling and Simulation. Seoul, South Korea, 2013: 381?383.

(編輯 陳愛華)

Application of C4D technique to conductivitymeasurement of fluid in industrial pipe

LYU Yingchao, JI Haifeng, YANG Shijie, WANG Baoliang, HUANG Zhiyao, LI Haiqing

(State Key Laboratory of Industrial Control Technology,College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Based on simulated inductor technique, a new Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection (C4D) sensor which is suitable for industrial conductivity measurement in millimeter-scale pipes was developed. The simulated inductor is on the basis of the basic Riordan circuit. The corresponding industrial C4D sensor was implemented to conductivity measurement by series resonance principle. And a specific shield configuration was adopted to overcome the interference from the industrial fields. The experimental results indicate that the simulated inductor is successful. Compared with the practical inductor, the simulated inductor has the advantages of low internal resistance and adjustable inductance. As a preliminary research, the conductivity detection experiment is carried out in the pipe with the inner diameter of 1.80 mm. The experimental results show that the corresponding C4D sensor is feasible and effective which can be applied to the industrial conductivity measurement of fluid in millimeter-scale pipes.

capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D); simulated inductor; fluid in millimeter-scale pipes; conductivity measurement

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.044

TP212

A

1672?7207(2016)08?2873?06

2015?10?12；

2015?12?25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476139)(Project(51476139) supported by National Natural Science Foundation of China)

冀海峰，博士，副教授，從事檢測技術(shù)與自動化裝置研究；E-mail：hfji@iipc.zju.edu.cn