非侵入式電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率測量的研究

袁愷涵，朱武

（上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201306）

電導(dǎo)率是溶液的基本屬性，利用溶液的電導(dǎo)率可以分析出液體的純凈度、帶電粒子濃度等參量。目前電導(dǎo)率的測量逐步深入到醫(yī)藥衛(wèi)生、水環(huán)境監(jiān)測、土壤鹽度分析等諸多領(lǐng)域，它是很多相關(guān)部門保證產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)方法。電導(dǎo)率測量最常用的方法是以電極為基礎(chǔ)的接觸式測量，由于接觸式測量使用電極與液體直接接觸，因此在充電后，該電極會對液體產(chǎn)生一系列的影響，例如微小電解而產(chǎn)生的導(dǎo)電性能改變，液體形狀和測量深度不一致導(dǎo)致電導(dǎo)率測量值不準(zhǔn)確，并且電極式傳感器還存在電極污損、電極表面極化以及因電極接入而可能導(dǎo)致溶液體系改變等弊端，在實(shí)踐中有很大局限性。

還有一種研究較為成熟的電導(dǎo)率測量方法是基于電渦流效應(yīng)的電磁感應(yīng)技術(shù)。電渦流檢測是一種非接觸無損傷的檢測方法，以電渦流為基礎(chǔ)的傳感器，不僅改善了傳統(tǒng)電極式傳感器的缺點(diǎn)，而且其由于結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在金屬檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液渦流信號微弱，電導(dǎo)率低，所以需要改進(jìn)傳統(tǒng)的信號處理電路來提高測量的靈敏度。

該研究利用電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率測量，搭建了一套基于FPGA 的非侵入式電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)，并針對不同電導(dǎo)率的鹽溶液進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。

1 原理

非侵入式電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)利用渦流檢測技術(shù)搭建。渦流檢測是一種以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的探測技術(shù)，它的工作原理是在傳感器的線圈中通以變化的電流，使其附近的空間磁場發(fā)生相應(yīng)的改變，從而使處在交流磁場中的導(dǎo)體近表面積形成極小的渦流，進(jìn)而阻止導(dǎo)體本身所處的磁場發(fā)生改變。利用探頭和被測物體之間的磁場能量耦合實(shí)現(xiàn)對被測量的檢測。非侵入式測量不需要改變原有管道的結(jié)構(gòu)形狀或改變流體的流動形態(tài)，作為非接觸測量方法，有效解決了電極式測量電極極化，以及電極表面涂鍍耐腐蝕材料堵塞等問題。

電渦流測量法常用的傳感器結(jié)構(gòu)為單線圈或雙線圈結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用單線圈結(jié)構(gòu)的傳感器，可以集信號發(fā)射、接收于一體，線圈既負(fù)責(zé)磁場激勵信號的產(chǎn)生，又負(fù)責(zé)電渦流反饋磁場信號的檢測。當(dāng)改變被測溶液時，控制其他參數(shù)不變，通過信號檢測電路對單一線圈的阻抗參數(shù)變化進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)被測溶液電導(dǎo)率的實(shí)時測量。與發(fā)射接收式雙線圈結(jié)構(gòu)相比，這種單線圈結(jié)構(gòu)安裝使用方便，在水果成熟度檢測、人體腦部成像、人體呼吸監(jiān)測等方面，具有良好的實(shí)用性。單線圈式電渦流傳感器檢測的等效電路如圖1 所示。

圖1 傳感器等效電路

圖1 中將被測溶液等效為電阻和電感的串聯(lián)，檢測線圈會與被測溶液上線圈的渦流產(chǎn)生磁耦合，從而得到渦流檢測等效電路。根據(jù)基爾霍夫定律，分析圖1 中的等效電路，可以得到關(guān)系式：

其中，Ra、La為檢測線圈的等效電阻和等效電感，Rb、Lb為目標(biāo)溶液的等效電阻和等效電感，M為線圈與溶液之間的互感，M會隨著兩者之間間距的增大而減小，從而產(chǎn)生提離效應(yīng)，所以在電渦流檢測過程中要控制線圈與被測溶液之間的距離不變。

從式（1）中提取出線圈傳感器的等效電阻為：

線圈傳感器的等效電感為：

分析式（3），傳感器的線圈會對被測線圈產(chǎn)生耦合，使線圈的等效電阻和等效電感發(fā)生變化，而且隨著激勵頻率的增大，線圈等效電感和等效電阻變化的靈敏度也越來越高，在實(shí)驗(yàn)時可以通過增大激勵頻率來解決測量靈敏度不達(dá)標(biāo)的問題。對于被測溶液的阻抗Z，激勵電流I、電流的角頻率ω、電導(dǎo)率S、被測溶液與線圈間距X等參數(shù)都是引起線圈阻抗Z變化的自變量，通過公式可表示為：

采用控制變量法，在不改變其他參數(shù)的情況下，只改變被測溶液的電導(dǎo)率，阻抗Z會隨著被測溶液電導(dǎo)率的變化而變化，通過信號處理將阻抗信號轉(zhuǎn)化成電信號，并對阻抗和該參數(shù)之間的變化關(guān)系進(jìn)行分析，使用這種方法設(shè)計一套溶液電導(dǎo)率的渦流檢測系統(tǒng)。

2 測量系統(tǒng)

電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)由傳感器探頭、信號處理電路、FPGA 信號處理三個模塊組成。首先將傳感器探頭緊貼容器壁，保持測量過程中與溶液的間距不變。再利用壓控振蕩器生成激勵信號，由于溶液的電渦流效應(yīng)原理，溶液會對激勵信號產(chǎn)生一定影響，將受到影響的激勵信號進(jìn)行放大、整形、降噪處理，最后送入FPGA 中進(jìn)行計算。采用全同步測頻法對信號頻率進(jìn)行計數(shù)，通過信號頻率的變化來計算溶液電導(dǎo)率濃度。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測量系統(tǒng)框圖

2.1 傳感器探頭設(shè)計

實(shí)驗(yàn)使用單線圈式傳感探頭，集信號激勵和信號檢測兩項(xiàng)功能于一體，利用FPC 柔性電路板制成，如圖3 所示。FPC 軟線路板可以經(jīng)受幾百萬次的動態(tài)彎曲而不會對電線造成損傷，根據(jù)空間布局的需要可以隨意地移動和伸縮，實(shí)現(xiàn)元件組裝與電線的結(jié)合，具有配線密度高、質(zhì)量輕、厚度薄、彎折性好的特點(diǎn)。

圖3 傳感探頭設(shè)計

使用兩個相同的傳感器探頭，其中一個線圈用作差動，以減小外界干擾帶來的頻率變化。由于存在線圈的提離效應(yīng)，電渦流的大小會隨著線圈與待測物體之間距離的變化而變化，所以實(shí)驗(yàn)過程中將測量線圈固定在容器底部，抑制線圈的提離效應(yīng)，提高測量信號的穩(wěn)定性。線圈等效電感的計算公式為：

其中，L為線圈電感，μ0是真空中磁導(dǎo)率，為4π×10-7H/m，n為線圈匝數(shù)，davg是內(nèi)外直徑的平均值(m)，ρ為填充率，可通過式（6）計算，dout為線圈外直徑，din為線圈內(nèi)直徑。由于設(shè)計的線圈為圓形，系數(shù)c1=1,c2=2.46,c3=0,c4=0.2，根據(jù)式（5）、（6），線圈參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 傳感線圈尺寸參數(shù)

2.2 信號處理電路

信號處理電路使用了傳統(tǒng)的金屬電導(dǎo)率測量方法，但由于溶液的電導(dǎo)率較低，渦流較弱，所以適用于金屬、合金等傳統(tǒng)的渦流信號處理電路難以達(dá)到系統(tǒng)靈敏度的要求。為了在溶液中得到更大的電渦流，實(shí)驗(yàn)過程中要選擇更高的工作頻率，這就要求測量信號在保證靈敏度的同時要有較高的穩(wěn)定性。信號處理模塊由壓控振蕩電路、幅值放大和施密特整形電路組成。壓控振蕩電路利用壓控振蕩器MC1648 提取渦流信號，再將采集到的測量信號接入AD829 運(yùn)算放大器進(jìn)行放大處理，提高信號的幅值，最后再通過通施密特整形電路對信號進(jìn)行處理，得到頻率穩(wěn)定的方波信號。

2.2.1 壓控振蕩電路

振蕩電路以壓控振蕩器MC1648 為核心，利用其壓控特性在輸出四腳產(chǎn)生頻率信號。輸入設(shè)置振蕩電容，與線圈組成電感檢測電路，可間接測量線圈電感。在線圈處并聯(lián)小電容可以提高測量穩(wěn)定性，并增加多處電容對信號進(jìn)行濾波處理。該電路以諧振的方式測量線圈電感，振蕩電路設(shè)計如圖4 所示。

圖4 壓控振蕩電路

式（7）為振蕩電路頻率計算公式，其中諧振頻率f為MC1648 的四腳輸出的信號頻率，C為振蕩電容，大小設(shè)置為100 pF，L為振蕩電感，也就是線圈電感，在室溫20 ℃，并且無外界干擾的情況下電感值約為65 μH，根據(jù)式（7）可知，未放置溶液時輸出信號頻率約為1 974 132 Hz。

2.2.2 放大電路及過零比較電路

1）放大電路

放大電路如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)用到的FPGA 開發(fā)板使用的是TTL 電平，而振蕩電路輸出信號幅值約為0.4 V，不能被FPGA 識別，所以需要對輸出信號幅值進(jìn)行放大處理。放大電路以高速運(yùn)算放大器AD829為核心，其輸出噪聲低，具有優(yōu)異的直流特性，經(jīng)過放大后的信號幅值約為2.4 V，符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖5 放大電路

2）過零比較電路

過零比較電路如圖6 所示，振蕩電路輸出信號為正弦波信號，而且經(jīng)過放大電路后的信號噪聲較大，所以需要將正弦波信號轉(zhuǎn)換為方波信號，有利于FPGA 進(jìn)行信號識別。過零比較電路采用施密特觸發(fā)器74HC14，通過分壓電阻將交流信號衰減至比較器正端輸入，當(dāng)交流輸入超過零基準(zhǔn)電壓時，過零檢測電路會改變比較器的輸出狀態(tài)，使正弦波信號轉(zhuǎn)換為方波信號。

圖6 過零比較電路

2.3 FPGA信號采集模塊

Cyclone IV 系列FPGA 是Altera 公司生產(chǎn)的低成本、低功耗可編程邏輯器件。該實(shí)驗(yàn)使用Cyclone IV系列的EP4CE10F17C8作為主控芯片，對信號處理電路的輸出信號進(jìn)行采集，并利用全同步測頻法對信號頻率進(jìn)行測量，通過頻率的變化來顯示電導(dǎo)率的大小。為了消除空氣、溫度等外界因素的影響，在系統(tǒng)內(nèi)部同樣使用了一個傳感探頭，通過差動的方式提高測量的穩(wěn)定性。圖7是FPGA及其外圍電路框圖。

圖7 FPGA系統(tǒng)框圖

實(shí)驗(yàn)對測量線圈采集的信號頻率進(jìn)行測量，再通過標(biāo)定處理將信號頻率轉(zhuǎn)化為溶液電導(dǎo)率，所以對信號頻率的精確測量是研究的關(guān)鍵。全同步測頻法原理如圖8 所示。

圖8 全同步測頻法原理

圖中FS是標(biāo)準(zhǔn)晶振信號頻率，F(xiàn)X是被測信號頻率，TS是實(shí)際閘門時間，設(shè)定被測信號每次上升沿觸發(fā)一次脈沖，實(shí)際閘門時間內(nèi)脈沖個數(shù)為NX，同理標(biāo)準(zhǔn)晶振信號脈沖個數(shù)為NS，由于兩路信號實(shí)際閘門時間相同，被測信號頻率FX由式（8）可得。

在參考閘門時間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)晶振信號和被測信號同時在上升沿時觸發(fā)門控信號，控制實(shí)際閘門的開啟。參考閘門時間結(jié)束后，門控信號控制實(shí)際閘門關(guān)閉。這樣實(shí)際閘門時間既是被測信號周期的整數(shù)倍，也是晶振信號周期的整數(shù)倍，在閘門時間內(nèi)被測信號和標(biāo)準(zhǔn)晶振信號都沒有量化誤差從而有效消除±1 周期計數(shù)誤差，提高了頻率測量的精度和準(zhǔn)確性。而利用FPGA 并行傳輸?shù)膬?yōu)勢以及高速數(shù)據(jù)采集能力，可以實(shí)現(xiàn)同時對多路信號的高精度頻率測量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

根據(jù)1978 年設(shè)定的實(shí)用鹽標(biāo)，NaCl 溶液的濃度和電導(dǎo)率大小成正比，所以可以使用不同濃度的NaCl 溶液來配制不同大小電導(dǎo)率的電解質(zhì)溶液。實(shí)驗(yàn)通過對不同電導(dǎo)率NaCl 溶液的測量來對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，同時驗(yàn)證系統(tǒng)的靈敏度。

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用容器直徑為8 cm，容器壁厚約為2 mm；按電導(dǎo)率儀測量用校準(zhǔn)溶液制備方法(GB/T 27502-2011)進(jìn)行制備，被測電解質(zhì)溶液由去離子水和純NaCl 在（25±0.2）℃中配制得到，使用電子天平對溶液和NaCl 進(jìn)行稱重，溶液體積均為100 mL，溶液電導(dǎo)率由上海雷磁DDSJ-307F 電導(dǎo)率儀進(jìn)行標(biāo)定。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對不同濃度的NaCl 溶液進(jìn)行八次測試，每組對被測溶液重復(fù)進(jìn)行十次測量，再去掉測得數(shù)據(jù)的最大值和最小值，取剩下的八次測量結(jié)果的平均值，并將八組測量結(jié)果繪制成曲線圖，觀察系統(tǒng)測量的線性測量情況，測量情況如表2 所示。

表2 不同電導(dǎo)率溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

圖9 中實(shí)線是系統(tǒng)輸出信號頻率的線性擬合曲線，擬合方程為：

圖9 測量結(jié)果擬合曲線

其中，Y表示信號頻率的大小，單位為Hz，X表示溶液電導(dǎo)率大小，單位為S/m。

總體來說，系統(tǒng)在測量不同大小電導(dǎo)率溶液時，可以實(shí)現(xiàn)線性測量，證實(shí)了渦流磁場與電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率大小正相關(guān)的理論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明頻率最大偏差值不超過10 Hz，測得的最低電導(dǎo)率為0.293 S/m，在實(shí)驗(yàn)測量范圍內(nèi)系統(tǒng)靈敏度較均勻，約為44.5 Hz/(S/m)。

4 結(jié)論

該文設(shè)計了一種基于FPGA 的非侵入式電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的傳感器為單線圈結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單易于安裝。系統(tǒng)利用電渦流的原理實(shí)現(xiàn)了非侵入式測量，無需改變?nèi)芤旱牧黧w狀態(tài)。通過改進(jìn)信號處理電路，將壓控振蕩器應(yīng)用于渦流信號提取，并且增加差動線圈，提高了測量的靈敏度和穩(wěn)定性。利用激勵信號頻率的變化來表示溶液電導(dǎo)率的大小，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)對于不同電導(dǎo)率溶液的檢測具有較高的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)溶液的非侵入式電導(dǎo)率測量。