用于流体采样的电导率测试传感器实现方案

1 溶液的电导率通常采用两种方法测量

通过测量方法的原理可知, 第一种方法其实测量的是电阻率然后换算为电导率, 第二种直接测试的就是电导率。第二种方法的好处在于传感器和被测试的溶液不接触不用考虑防腐问题, 另外安装也非常灵活, 也不需要考虑电极极化效应对测量产生影响的问题。作者主要考虑了第二种方法的实现方案。

第二种电磁互感的方法主要有以下两种实现方案。

(1) 高感量耦合接收方案, 这种方案要求接收信号幅度足够大, 接收端耦合电感的匝数为发送电感线圈的10~15倍, 要求接收的电感在工作频带达到100m H左右要求磁芯提供很高的磁通率值, 同时又希望在温度的变化区间内感量不会有很大的变化, 能满足这种要求的磁芯目前比较容易获得的主要就是纳米晶磁芯。

(2) 谐振接收的方式方案, 这种方案不需要很高的感量, 收发磁环的匝数相同, 电感量相同, 一般几个m H就可满足信号测量需要了, 但是要求更低的温度变化率, 和很高的Q值, 目前看比较理想的就是MPP (钼坡莫合金) 合金粉芯材料。

(3) 常用软磁磁芯的种类。

铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。

按 (主要成分、磁性特点、结构特点) 制品形态分类: (1) 粉芯类:磁粉芯, 包括:铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯 (High Flux) 、坡莫合金粉芯 (MPP) 、铁氧体磁芯 (2带绕铁芯:硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金磁芯的有效磁导率计算公式:µe=D L/4 N 2 S X 1 0 9其中:D为磁芯平均直径 (cm) , L为电感量 (享) , N为绕线匝数, S为磁芯有效截面积 (cm2) 。

2 测量电路

2.1 发送信号电路

本系统的测试信号发送部分的工作频率为40KHz。前端波形发生器采用了 (MAX038) , MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器, 他能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制。所需的输出波形可由在A0和A1输入端设置适当的代码来选择。其性能特点如下: (1) 0.1Hz~20MHz工作频率范围; (2) 15%~85%可变的占空比; (3) 低阻抗输出缓冲器:0.1; (4) 低失真正弦波:0.75%; (5) 低温度漂移:200ppm/℃。

后级功放电路采用LMH6321, 0.1d B带宽为130MHz, 最大输出电流可达300m A, 输出阻抗50欧。

对于高感量耦合接收方案, 直接驱动发送线圈, 对于谐振接收的方式方案电路采用并联LC电路的选频电路作为负载。

2.2 高感量耦合接收方案电路

采用AD620运放仪表放大电路, 添加AD548共模噪声去除电路, 经过互感线圈接收的信号, 经过检波, 滤波电路形成一个直流电平分量, 然后经过放大调理电平后经过, 之后经过LM331将电平信号转换成为频率信号作为输出。

2.3 谐振接收的方式方案电路

阻抗匹配单元包括:选频网络, 电压跟随, 放大电路。测量线圈通过RLC并联联谐振的方式接入检测电路, 作为谐振选频网络。通过并联联谐振来完成对40KHz载波信号的选频接收。选频网络后接电压跟随网络, 选用NE5532作为跟随器, 单位增益带宽10M, 满足带宽要求, 实现了前级和后级电路的阻抗匹配。放大环节选用OP47010MHz下放大倍数设为8倍。经过检波, 滤波电路形成一个直流电平分量, 然后经过放大调理电平后经过, 之后经过LM331将电平信号转换成为频率信号作为输出。

2.4 信号强度校准电路

由于信号强度和磁环的感量密切相关, 当感量变化时信号强度也变化, 导致测量不准确, 这和温度等外部条件相关, 为了校准这部分电路误差, 在接收电路中设置一路模拟开机, 在互感回路中加入一根耦合线作为校准电路, 当外部条件影响信号的强度, 通过这部分标准信号的强度来确认一个加权因子。

2.5 互耦线圈部分

收发线圈距离安装越近测量的插入噪声就越低, 小信号精度就越高, 对低电导率溶液的测试就越准确。要求磁芯到电路的连接采用同轴屏蔽线。接收端的电路需要对屏蔽地接参考回馈平衡电路, 以提高测量精度。通过谐振选频电路接收检波后变为直流电平信号, 经过整理放大和量程比较, 确认信号的强度, 通过刻度值对比表, 计算最终的电导率测量结果。

2.6 传感器刻度

传感器在设备上安装完毕后, 需要用标准盐水进行刻度调教, 并使用测量参考电路测量标准放大参数数, 用于最终测量值的计算校准。

2.7 测量精度指标

最终该电路可测试范围:

电导率0.000u S/cm~300.0m S/cm分辨率0.001/0.1。

盐度0.0~80.0ppt分辨率0.1。

尤其是对于低浓度的盐水和纯水以及空气等有较高的分辨率。

3 结语

此传感器电路初始设计存在着, 单独测试信号斜度大分辨AD548共模噪声去除电路率高, 上一起骨架后信号变小, 分辨率变差的问题, 另外易受到外部环境影响。添加信号强度校准电路和AD548共模噪声去除电路后, 又研究了磁环的材料选择, 替换了最开始的普通铁氧体磁环, 以上问题得到了解决。实际在测井使用过程中工作稳定, 测量精确。

摘要：石油测井设备对地层液体进行测量, 以确认地层的含油情况和进行采样分析。地层液体的电导率是一项重要的测试指标, 对分析地层液体有非常重要的意义。由于测井过程中提取液体的通道有高温高压高腐蚀性的特征, 所以非接触测试方法是最好的选择。本文提供了一种实用的测量方案, 可以通过电磁线圈互耦测量液体的电导率。

关键词：电导率,尔劳施 (Kohlrausch) 电极测量,软磁磁芯,纳米晶磁芯,MPP (钼坡莫合金) 合金粉芯,共模噪声去除电路

参考文献

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