[发明专利]测量物质的电学性能的装置和方法

说明书

本发明涉及测量物质的电学性能的装置和方法，特别涉及一种用于测量液体的电导率的装置和方法，包括配置为生成第一波形信号并将第一波形信号提供给传感器的波形发生器模块；配置为接收来自波形发生器模块的第一波形信号并由第一波形信号生成相移信号的相位调整模块；以及配置为接收来自传感器的返回信号和来自相位调整模块的相移信号并求和返回信号和相移信号以产生包含与液体的电学性能有关的信息的经调整的返回信号的信号组合模块。

本申请是国际申请号为PCT/US2014/024226，国际公开号为WO2014/150785，于2015年11月13日进入中国国家阶段，中国申请号为201480027400.X，申请日为2014年3月12日，名称为“测量物质的电学性能的装置和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种测量物质的电导率、介电常数和相关性能的装置和方法，并包括一种用于精确测量具有从极低(～10^-15S/cm)到较高(～10^-13S/cm)(S/cm＝西门子每厘米)的范围的电导率的液体的电导率的装置和方法。

背景技术

测量非常低的液体的电导率(1nS/cm)(纳西门子每厘米)历来对仪器造成问题。除了明显的阻性泄漏通道的问题以外，液体在电场下具有极化的趋势并且可以在电极界面形成可以屏蔽测量区域的大量的样品的双层。为了补偿该极化，使用交变极性(AC)波形进行大多数液体的电导率测量。选择足够快的该波形的频率以便没有由于在测量区域的极性转换之前在被测量的样品中发生的双层极化而导致的可观察到的场屏蔽。用于这些AC测量的典型的频率范围可以从水相体系的远大于10KHz到一些非水相体系的小于1Hz。

增加的测量问题是当使用AC测量波形时，寄生电容分流被测量的样品可能引起大的异相位的返回信号。当被测量的电导率非常低时，这些异相位的电流可以是大于感兴趣的同相位的返回信号的数量级。这些异相位的信号不仅可以使输入放大器阶段过载，而且由于并联电容值通常是被测量的液体的介电常数的强函数，所以对于通用的液体电导仪，并联电容本身可以根据被测量的样品而变化大于50比1。一些现有技术的系统起到了补偿外部电缆电容的作用，但假定使样品分流的寄生电容仅是测量电池的几何结构的函数并且是一固定值。例如，参见发明人为Zhou等人、专利号为7,550,979、名称为用于测量液体电导率的方法和装置(SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING CONDUCTIVITY OF FLUID)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(APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING CONDUCTIVITY)的美国专利。其它现有技术系统已经试图以降低电池常数和/或限制可以测量的液体类型为代价使该并联电容最小化。例如，参见发明人为Fougere、专利号为8,552,750、名称为用于测量高阻抗性流体的电导率和介电常数的装置和方法(APPARATUS AND METHOD FOR THE MEASUREMENT OF ELECTRICALCONDUCTIVITY AND DIELECTRIC CONSTANT OF HIGH IMPEDANCE FLUIDS)的美国专利。

通常需要使用正弦波驱动来感测电导率因为这允许极其窄频段区分返回信号，这辅助消除来自谐波、驱动频率附近的串扰和其它不需要的干扰信号的噪声。例如，参见发明人为Barnett、专利号为6,232,786、名称为用于测量电导率的装置和方法(APPARATUS ANDMETHOD FOR MEASURING CONDUCTIVITY)的美国专利。这对于其中异相位的返回信号是易管理的这样的系统可以起到好的效果，但当异相位与同相位的返回分量的比变得非常高时，误差趋向于迅速增加，显著降低了测量的准确性。