本发明专利技术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。
Devices and methods for measuring electrical properties of substances
The invention relates to an apparatus and a method for measuring the electrical properties of a substance, in particular to an apparatus and a method for measuring the conductivity of a liquid, including a waveform generator module configured to generate a first waveform signal and provide the first waveform signal to a sensor, and a waveform generator module configured to receive a first waveform signal from the waveform generator module and generate a phase shift signal from the first waveform signal. A phase adjustment module; and a signal combination module configured to receive the return signal from the sensor and the phase shift signal from the phase adjustment module and sum the return signal and the phase shift signal to generate an adjusted return signal containing information related to the electrical performance of the liquid.
【技术实现步骤摘要】
测量物质的电学性能的装置和方法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”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术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。
技术介绍
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，参见专利技术人为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(SYSTEMANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITYOFFLUID)的美国专利以及专利技术人为Barnett、专利号为6,232,786、名称为用于测量电导率的装置和方法(APPARATUSANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITY)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，参见专利技术人为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(APPARATUSANDMETHODFORTHEMEASUREMENTOFELECTRICALCONDUCTIVITYANDDIELECTRICCONSTANTOFHIGHIMPEDANCEFLUIDS)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，参见专利技术人为Barnett、专利号为6,232,786、名称为用于测量电导率的装置和方法(APPARATUSANDMETHODFORMEASURINGCONDUCTIVITY)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。使用正弦波驱动的液体电导率仪曾经尝试通过试图从返回信号中减去特定量的正交相位信号来处理该大的异相位的返回分量(例如，参见用于型号627电导率仪的操作员手册(OperatorManualforModel627ConductivityMeter)，这是从新泽西州的普林斯顿的Scientifica购买的以及参考专利号为6,265,883的美国专利)。然而，因为异相位返回信号——以及因此补偿减法信号——可以是大于感兴趣的同相位的返回信号的数量级，所以在补偿正交相位减法信号中的极其小的相位误差可能引起相对大的测量准确度误差。还使用非正弦波(例如方波)驱动信号来测量液体系统的电导率。例如，参见专利技术人为Clark、专利号为6,265,883、名称为用于组合测量流体的电学性能和深度的装置和方法(APPARATUSANDMETHODFORCOMBININGMEASUREMENTOFELECTRICALPROPERTIESANDDEPTHOFAFLUID)的美国专利以及专利技术人为Blades、专利号为4,683,435、名称为用于补偿非线性的电导率测量系统的电路(CIRCUITFORCOMPENSATINGNON-LINEARITIESINELECTROLYTECONDUCTIVITYMEASUREMENTSYSTEM)的美国专利。对于具有极其低的电导率和大量的并联电容的样品系统，使用非正弦波驱动可以隔离电容返回信号并去除处理当试图解决涉及分出同相位的返回信号分量的非常小的相位角时可能发生的大的准确度误差的一些困难。当使用非正弦波驱动时，可能失去通过使用窄频带驱动信号获得的许多信噪比的改进。另外，所使用的频率不再仅仅是要求阻止在电极处形成双层的相应物的函数。对于在波形转换边缘的由寄生并联电容引起的电流尖脉冲，该频率必须保持足够低以在作出测量之前衰减。这可能限制了可以在一些系统上使用的频率。在能够测定具有范围从大约1fS/cm(毫微微西门子每厘米)(例如，1,4-二氧己环或甲苯)直到大约1mS/cm(毫西门子每厘米)(例如，5mM氯化钾水溶液)的电导率和范围从1.8(例如，戊烷或己烷)到差不多200(例如，N-甲基乙酰胺或N-甲基甲酰胺)的介电常数的流体的电导率和介电常数的仪器的情况下，也希望具有电池常数(定义为A/L，面积与间隙长度的比)在可能遇到的流体参数的整个范围内不改变的探针。由于电极边缘的电场的边缘(fringing)，电极的有效面积通常大于根据电极的尺寸从几何面积计算的面积。由于电场的边缘的范围是样品性能的函数，所以需要使用边缘对电池常数的影响很小的电池设计，以及使用有效的电池常数的改变对于范围从最小的到最大的可能的介电常数或电导率的所有样品来说是可以忽略的这样的电池设计。这样的电池允许在覆盖的范围内的任何一个点处确定电池常数，而不是甚至对于适度范围的电导率和介电常数都要求使用非常接近于未知样品的值的标准电导率和要求多个校准常数。尽管已经说明了被防护的、具有固定和可调整的电池常数的平行板电池(Dikarev,B.N.等人发表在介电材料、测量和应用会议出版物(DielectricMaterials,MeasurementsandApplicationsConferencePublicationNo.473,)No.473,中的“用于液体电介质的电导率测量的测试电池的设计特征”(DesignFeaturesoftheTestCellsforConductivityMeasurementinDielectricLiquids))，但目前获得的大多数电导率测定用电池是没有防护的并需要多个校准流体来限定必须储存在仪表中的多个校准常数。尽管很麻烦，但该方法在较高(例如水溶液)的电导率范围(>10uS/cm(微西门子每厘米))中是可能的，因为在本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于测量液体的电学性能的探针，所述探针包含：外部圆柱形电极；与所述外部电极同心的内部信号电极；以及两个圆柱形防护电极，所述两个圆柱形防护电极分别邻近所述内部信号电极的端部设置并且与所述信号电极电气隔离，其中所述防护电极配置为使在所述外部圆柱形电极和所述内部信号电极之间的电场线大体上在所述内部信号电极的整个长度上保持均匀并且减少所述信号电极的边缘处的电场边缘。
【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/790,6681.一种用于测量液体的电学性能的探针，所述探针包含：外部圆柱形电极；与所述外部电极同心的内部信号电极；以及两个圆柱形防护电极，所述两个圆柱形防护电极分别邻近所述内部信号电极的端部设置并且与所述信号电极电气隔离，其中所述防护电极配置为使在所述外部圆柱形电极和所述内部信号电极之间的电场线大体上在所述内部信号电极的整个长度上保持均匀并且减少所述信号电极的边缘处的电场边缘。2.根据权利要求1所述的探针，其中所述防护电极具有与所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：格伦·T·赫布，克雷格·A·赫布，库尔特·W·亚尔瓦，
申请(专利权)人：伊利昂科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US
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