[发明专利]一种利用电磁法实时测量流体电导率的装置

权利要求书

1.一种利用电磁法实时测量流体电导率的装置，其特征在于，该装置包括：传感器、电磁检测模块、上位机；

所述传感器由探针和前端电路组成，其中，探针由线圈和探管共同组成，具体为一对共轭线圈以一定间距的平行方式缠绕在探管表面，四周包裹屏蔽材料；所述一对共轭线圈中一个作为激励线圈，另一个作为接收线圈；所述一对共轴线圈为中心轴线重合的两个线圈，由表面绝缘的漆皮铜丝缠绕而成，线圈的半径一定，线圈间的轴向距离一定；所述探管的材料为绝缘材料，探管直径尺寸为毫米级；

测量时将探针插入待测流体中，测量过程中保持探针上的共轴线圈全部处于待测流体液面以下；该探针具有屏蔽层，且材料表面为绝缘物质；

所述前端电路用于实现激励信号的关断、功率放大、互感信号的预处理功能；

由传感器感知的互感信号经电磁检测模块数字化处理后通过USB传输到上位机；

所述电磁检测模块用于产生激励交流信号、进行模数转换、执行相敏解调并与上位机进行指令交互；

所述上位机用于设置激励频率、在线标定、实时显示测量结果；

具体而言，工作过程中，向激励线圈中注入交流信号，四周产生的电磁涡流电场约束方程为：

其中，算子×表示场量的旋度，E为电场，J为激励电流，k(r)为空气中的波数，k_b为导电流体中的波数，ω为激励信号频率，μ为磁导率；

由伯恩近似，即假设频率和物体电导率都很低，则认为散射场很微弱，在忽略位移电流且流体分布均匀的情况下，上式(1)经推导 得到散射场公式：

E_s(r，r′)＝-jωσμ₁∫dr″G(r，r″)E₀(r″，r′)  (2)

其中，∫dr″G(r，r″)E₀(r″，r′)看做一个和线圈管道尺寸相关的比例系数，σ为介质电导率，反映了材料的导电性能；而散射场的强度与接收线圈的感应电压成正比，从上式可以看出被测物体对感应信号产生的影响主要表现在虚部；由于不同电导率的流体其磁导率变化不大，因此其相位变化与被测流体的电导率呈正比，其比例系数α，即相角变化值/流体电导率，既可以通过公式计算出来，也可以在实际测量中通过标定得到，比例系数α是线圈半径R、共轴线圈间距D、激励信号频率ω的函数，可以表示为α＝f(R，D，ω)；

此外，所述电磁检测装置由FPGA实现，其包括：DDS模块、MCU、USB接口；所述前段电路包括：功率放大器、信号预处理器；具体过程为：首先由DDS模块，即直接数字频率合成器，产生用于激励的交流参考信号，经功率放大器进行功率放大后注入激励线圈，然后接收线圈采集到的感应信号经信号预处理器后进行数字化采样生成离散采样信号，在MCU控制下利用相敏解调方法根据离散采样信号计算出互感信号的相位值，然后通过USB传输到上位机；

所谓相敏解调方法是众多解调方法的一种，可以将被高斯白噪声污染甚至淹没的有用信号提取出来，用途非常广泛，也称为锁相检测、锁相放大、相关检测和相关解调方法；

此处将上述得到的离散采样信号M[n]表示为：

其中，A为幅值，φ为相位，f_m为信号频率，f_s为采样频率，N_s为采样点数；

整个相敏解调方法分两步：

第一步，将离散采样信号M[n]与由DDS产生的数字交流参考信号相乘，得到：

其中，I[n]为互感信号实部分量，Q[n]为虚部分量；

第二步，将上一步得到的信号通过一个低通滤波器，将谐波分量滤除，就得到代表被解调信号的实虚部信息，进一步通过求反切计算得到相位；

所述电磁检测装置还设置为可以接收上位机指令进行激励频率的切换，调整电导率测量范围；

所述上位机通过USB和电磁检测装置进行数据交互，得到相位信息后加权比例系数就可得到电导率值并实时显示；操作人员还可以通过UI界面设置相关参数，如激励频率和标定参照物，最大限度的保证测量精度；标定参照物包括空气、纯水或电导率已知的电解质溶液；

在实施操作中，整个测量过程如下：首先在上位机中设置激励频率，选择标定参照物，将探针插入到标定参照物中，要求共轴线圈全部处于液面下保持静止，采集标定结果，根据标定结果实时更新比例系数a；然后将探针插入到被测流体中，得到测量结果。