（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)論文）電磁式酸堿濃度傳感器的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 在化工、制藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域，廣泛涉及對(duì)酸堿溶液濃度的測量，因?yàn)?電導(dǎo)率與溶液中的離子濃度成一定的比例關(guān)系，所以通過測量溶液的電導(dǎo)率可以 間接推測出溶液的濃度。本課題在總結(jié)國內(nèi)外電磁式酸堿濃度傳感器的研究成果 及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，對(duì)電磁式酸堿濃度傳感器的測試原理及參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了 分析，基于電磁感應(yīng)原理，提出了傳感器的關(guān)鍵檢測部分采用非接觸式測量的技 術(shù)方案，勵(lì)磁方式采用正弦交流信號(hào)，檢測到的濃度信號(hào)經(jīng)測量放大、峰值保持 電路后，再經(jīng)a d 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終將測得的濃度結(jié)果顯示在 液晶顯示屏上。由于采用非接觸式測量方法，徹底解決了傳統(tǒng)接觸式測量過程中 電極易腐蝕的問題，同時(shí)為了解決溫度對(duì)濃度測量的影響，采用單片機(jī)進(jìn)行軟件 溫度補(bǔ)償。通過單片機(jī)程序內(nèi)嵌的經(jīng)m a t l a b 擬合好的公式實(shí)時(shí)地自動(dòng)轉(zhuǎn)化成濃度 值和溫度補(bǔ)償值，并經(jīng)過運(yùn)算處理得到最終的濃度值。在測量0 - - 1 4 和1 8 0 o - - 4 0 的n a o h 溶液和0 3 0 h 2 s 0 4 溶液時(shí)，傳感器測量的相對(duì)誤差分別為3 、2 、 4 ，同時(shí)對(duì)傳感器的靈敏度隨著被測溶液濃度變化的規(guī)律進(jìn)行了探討，并且通 過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的穩(wěn)定性能良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)運(yùn)行可靠，測量相 對(duì)精度與穩(wěn)定性均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，傳感器設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的指標(biāo)。電磁式 酸堿濃度傳感器可以用于一些腐蝕性較強(qiáng)的溶液濃度的測量，是一種比較理想的 物性分析儀器，具有精度高、操作簡單、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞濃度傳感器；酸堿濃度：電磁感應(yīng)；溫度補(bǔ)償；單片機(jī) 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i nt h ec h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，f o o da n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf i e l d s ，aw i d e r a n g ei n v o l v e sm e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fa c i d b a s es o l u t i o n s i n c ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yi si np r o p o t i o nt oi o nc o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o n , w ea r ea b l et oi n d u c et h e c o n c e n t r a t o no fs o l u t i o nf r o mt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fi t i n s u m m i n gu pt h i st o p i c a th o m ea n da b r o a da c i d b a s e c o n c e n t r a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cs e n s o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u oo n ，t h ep r o j e c ti st o a n a l y s et h e t e x t t h e o r y a n d p a r a m e t e r s o fa c i d - b a s ec o n c e n t r a t i o ns e n s o ro f e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，ip r o p o s et h a tw e s h o u l d a p p l y t h ec o n t a c f l e s s m e a s u r i n gs t r a g t e g yf o rt h ek e yt e x t e dp a r t so f s e n s o r s e x c i t a t i o nm e t h o du s e sas i n u s o i d a la cs i g n a la n dh a v eb e e ng o tm e a s u r i n g a m p l i f i e ra n dp e a kv a l u e ，t h ec o n c e n t r a t i o ns i g n a l sa r es e n tt om c u t od a t ap r o c e s s i n g a f t e rb e i n gt r a n s f o r m e db ya d e v e n t u a l l y , w ec a ns e et h er e s u l t so fc o n c e n t r a t i o no n t h el c d o w i n gt ot h ec o n t a c t l e s sm e a s u r i n gm e t h o d , w es o l v et h ee l e c t r o d ec o r r o s i v e b y t r a d i t i o n a le l e c t r o d ec o n t a c tm e a s u r e s m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o d a p p l i e s t h e t e m p e r a t u r ec o m p l i m e n to fs o f t w a r ef o rt h em c ut oo v e r c o m et h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e w ec a nu s et h ee m b e d d e dp r o g r a mm a t l a bf o r m u l ai nt h em c dt or e a l i z e a u t o m a t i cc o n c e n t r a t i o na n dp e a kv a l u et r a n s f o r m a t i o n , a n dg e tt h ef i n a lc o n c e n t r a t i o n t h r o u g ho p e r a t i o np r o c e s s i n g i nt h em e a s u r e m e n to fo 1 4 a n d18 4 0 n a o hs o l u t i o na n d0 , - - 3 0 h 2 s 0 4 s o l u t i o n ，t h er e l a t i v ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts e n s o r sw e r e4 - 3 ，士2 ，4 - 4 e x p l o r e dt h es e n s i t i v i t yo ft h es e n s o r 謝t l lt h em e a s u r e dc o n c e n t r a t i o nc h a n g e si nt h e l a w e x p e r i m e n t ss h o w t h es t a b i l i t yo ft h es e n s o rh a sg o o d p e r f o r m a n c e t h et e x tp r o v e s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mr u n sr e l i a b l y ，a n dt h em e a s u r i n gr e l a t i v ea c c u r a c y a n ds t a b i l i t ya r e i nl i n e 、i t hd e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ed e s i g no fs e n s o rg e t st h e e x p e c t e dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s a c i d b a s ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sc a l l b eu s e di nan u m b e ro fc o r r o s i v es t r o n gc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t s ，i sa l li d e a l p h y s i c a la n a l y s i si n s t r u m e n t s ，誠mk 曲p r e c i s i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，g o o ds t a b i l i t ya n d i i a b s t r a c t k e yw o r d s c o n c e n t r a t i o ns e n s o r ；a c i d - b a s ec o n c e n t r a t i o n ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ； t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；m c u i i i 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨建塹盔堂或其他教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 i i 學(xué)位論文作者簽名：務(wù)牟扣學(xué)簽字日期：函勿年，月彩日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨蕉江太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán) 保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)墨蕉江太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者躲杏錯(cuò) 簽字日期勘尼年妨劾日 導(dǎo)師簽名：卯 簽字日期：幽桕年歲月砂日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向l - - 。e 、 工作單位：熏粗7 = 窮璀刃翟矛拷琴挺衣嗲睦電話：侈j 膨l 莎釣鄉(xiāng) 通訊地址：斷常穆屢薌矽眵仟鄉(xiāng)f 田鋪郵編：7 如鈿 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 課題背景及研究意義 濃度的測定是分析檢測中的一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，也是表征介質(zhì)溶液特性的主 要參量之一，在化工、制藥、食品、環(huán)保等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，是許多質(zhì)檢 部門與相關(guān)基層單位對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)分級(jí)與質(zhì)量把關(guān)必不可少的環(huán)節(jié)之一，更是 保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品產(chǎn)量的重要技術(shù)手段，對(duì)其進(jìn)行深入研究與探討具有很 強(qiáng)的實(shí)際意義。酸堿溶液的濃度與許多物理量都有關(guān)系，如密度、電導(dǎo)率、折射 率及聲速等，因此，原則上可以用其中某一物理量的變化來表征濃度的變化。常 用的方法都是以檢測溶液電導(dǎo)率的方式來進(jìn)行酸堿濃度的測量，由于電導(dǎo)率與溶 液中的離子濃度成一定的比例關(guān)系，因此通過測量溶液的電導(dǎo)率可間接推測出溶 液的濃度。目前最主要的測量方法還是接觸式測量，即以電極的形式和被測液體 接觸以測其電導(dǎo)率，以此來確定液體的酸、堿濃度。但是這種測量方式通常采用 鉑電極，生產(chǎn)成本高，而且最顯著的缺點(diǎn)就是電極極易污染，嚴(yán)重影響測量的精 度和壽命，尤其在測量腐蝕性強(qiáng)和高電導(dǎo)率溶液時(shí)，此類分析儀器的弱點(diǎn)更為突 出【l 】o 本課題基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種非接觸式傳感器一電磁式酸堿濃度傳感 器，能夠很好地解決以上問題。電磁式酸堿濃度傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是感應(yīng)元件不 與待測溶液直接接觸，故稱為非接觸式測量法，只要有合適的耐腐蝕材料將測量 部件密封，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種腐蝕性溶液濃度的測量；同時(shí)也免除了電極式測量 易污染和極化而造成精度降低和工作不穩(wěn)定等一系列問題，因此它具有精度高、 穩(wěn)定性好、經(jīng)久耐用、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在一些腐蝕性較強(qiáng)的溶液濃度的測量中， 是一種比較理想的測量方法，可以廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域的酸堿溶液濃度的 在線連續(xù)測控，測量靈敏度較高，溫度補(bǔ)償效果理想，抗干擾能力強(qiáng)，具有很廣 闊的應(yīng)用前景。 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 _i i 1 2 濃度測量方式簡介 下面簡要介紹一下工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種溶液濃度測量方式： 1 2 1 光學(xué)式濃度計(jì) 光學(xué)式濃度計(jì)主要有自動(dòng)折光濃度計(jì)和自動(dòng)旋光濃度計(jì)。圖1 1 是一種差動(dòng)式 自動(dòng)折光濃度計(jì)。該儀器是利用灌注有標(biāo)準(zhǔn)液的空心三角棱鏡與測量池內(nèi)的被測 液界面的折射角變化而引起兩個(gè)光電池接收能量變化，即光電差動(dòng)信號(hào)來連續(xù)測 量液體濃度的。 溯羅弩液樣 試樣鼉鼽姚三角棱鏡登鬻二， 反射鏡l u 試樣出f 巷一鼎 蘭j 滑零偏轉(zhuǎn)器 匕：二蛆丫1l 光電池 標(biāo)準(zhǔn)液 一j ll2 嚼! 陌磊1 捌：二：量三剖 - ： 圖1 1 差動(dòng)式自動(dòng)折光濃度計(jì) 2 1 f i g 1 - 1a u t o m a t i cd i f f e r e n t i a lr e f r a c t i v ec o n c e n t r a t i o nm e t e r 圖1 2 是一種全反射式自動(dòng)折光濃度計(jì)。儀器有一個(gè)與被測液相接的棱鏡，用 于產(chǎn)生光的全反射，q c 為臨界角。當(dāng)被測液濃度變化時(shí)，折射率和臨界角也隨之 變化，從而反射光也變化。該儀器就是利用光全反射信號(hào)變化而導(dǎo)致的電信號(hào)變 化來測量液體濃度的。這類濃度計(jì)，廣泛用于石油、化工、食品、飲料、造紙、 制藥、制糖和釀酒等工業(yè)的生產(chǎn)管線或罐中連續(xù)測量濃度，以調(diào)節(jié)和控制生產(chǎn)， 提高生產(chǎn)管理水平。 第1 章緒論 避蒙器放大器 圖1 - 2 全反射式自動(dòng)折光濃度計(jì)【2 】 f 塘1 - 2a t r a u t o m a t i cr e f r a c t i o nc o n c e n t r a t i o nm e t e r 圖1 3 是一種光電式自動(dòng)旋光濃度計(jì)。通過充滿被測液體的旋光管的偏振光 經(jīng)磁光調(diào)制器調(diào)制后射到光電管上，由于光電效應(yīng)在光電管上產(chǎn)生電信號(hào)，該信 號(hào)經(jīng)放大使可逆電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。石英補(bǔ)償器由兩塊石英組成，一個(gè)可移動(dòng)，一個(gè)固定 不動(dòng)。石英片的移動(dòng)是借助于減速器進(jìn)行的，其移動(dòng)量取決于被測溶液濃度變化 引起的旋光度變化量，同時(shí)，該變化信號(hào)使差動(dòng)變壓器的鐵芯上下移動(dòng)而產(chǎn)生的 電感信號(hào)自動(dòng)連續(xù)地輸給二次儀表即指示器。這類儀器專用于制糖工業(yè)，但也可 用于化學(xué)、石油、食品、香料及制藥等工業(yè)領(lǐng)塒2 1 。 圖1 3 光電式自動(dòng)旋光濃度計(jì)1 2 1 f i g 1 - 3p h o t o e l e c t r i ca u t o m a t i co p t i c a lc o n c e n t r a t i o nm e t e r 1 光源；2 一聚光鏡；3 起偏振器；4 一旋光管；5 一濾光片；6 物鏡；7 一磁光調(diào)制器； 8 一石英補(bǔ)償器；9 檢偏振器；1 0 物鏡：1 l 光電管；1 2 一減速器；1 3 可逆電機(jī)； 1 4 放大器；1 卜電源 黑龍江大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 2 2 電導(dǎo)式濃度計(jì) 電導(dǎo)式濃度計(jì)是利用溶液電導(dǎo)率與其濃度關(guān)系測量液體濃度的一種儀器。電 導(dǎo)率單位為西門子每米( s m ) 。物質(zhì)的電導(dǎo)率越大，它的導(dǎo)電本領(lǐng)越強(qiáng)。對(duì)于電 解液來說，它的導(dǎo)電性能不僅與電解液的性質(zhì)、溫度有關(guān)，而且與它的濃度有關(guān)， 即使是同一種溶液，濃度不同其導(dǎo)電性能也不同。 電導(dǎo)式濃度計(jì)主要由傳感器電化池( 也稱電導(dǎo)池) 和電測部分組成。電導(dǎo)池 的特征用電導(dǎo)池常數(shù)表示，單位為m - 1 。對(duì)于每臺(tái)濃度計(jì)來說，電導(dǎo)池常數(shù)k 是一 定的。它是由電導(dǎo)池內(nèi)電極間的距離三與極板面積彳決定的。計(jì)算電導(dǎo)池常數(shù)的公 式為： r k = 蘭艘。 ( 1 1 ) 彳 。 式中r 廠_ 溶液電阻； 置溶液電導(dǎo)率。 為適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的不同使用條件，電導(dǎo)池主要有四種結(jié)構(gòu)形式，分為浸入式、 旋入式、可卸式和直通式。電導(dǎo)池中的電極結(jié)構(gòu)簡單，常見的有平板電極、圓筒 形電極與環(huán)形電極。圖1 4 是一種用于連續(xù)測量與控制硫酸生產(chǎn)的d d 5 型硫酸濃 度計(jì)測量系統(tǒng)。 可逆電機(jī) 圖1 - 4d d 5 型硫酸濃度計(jì)測量系統(tǒng)【2 1 f i g 1 4d d - 5t y p es u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o nm e t e rm e a s u r i n gs y s t e m 第1 蘋緒論 如圖1 4 所示，溫度補(bǔ)償采用雙電導(dǎo)池法，其中參比電池內(nèi)裝有濃度為9 8 的硫酸溶液( 電阻為母) 。顯示部分采用自動(dòng)交流平衡電橋，疋為工作電導(dǎo)池的電 阻【2 】。 1 2 3 電磁式濃度計(jì) 電磁式濃度計(jì)是利用電磁感應(yīng)原理來測量液體電導(dǎo)率與其濃度關(guān)系的一種儀 器。但是電導(dǎo)池內(nèi)沒有與液體試樣相接觸的電極。該儀器主要由兩個(gè)環(huán)形變壓器 和電測系統(tǒng)構(gòu)成。圖1 5 所示的是常用的測量系統(tǒng)。被測溶液構(gòu)成一短路線圈作 為勵(lì)磁變壓器的次級(jí)繞組，當(dāng)一定頻率交流電通過時(shí)，由于電磁感應(yīng)原理，在這 個(gè)短路線圈中流過與被測溶液濃度成正比的電流f 1 ，與電流相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u 即檢測變壓器上的輸出電壓，常用平衡法加以檢測。溶液電導(dǎo)率由滑動(dòng)電阻昂上 滑動(dòng)片移動(dòng)的位置a 來確定： ：傳冬 m 2 ) 式中心與勵(lì)磁變壓器正連接的線圈匝數(shù)； 惕與檢測變壓器正連接的線圈匝數(shù)； 墨補(bǔ)償電阻( 埠j i c p ) ； 尼液體試樣短路線圈中的電阻。 由勵(lì)磁變壓器互與檢測變壓器正組成的傳感元件也稱磁頭，它是濃度計(jì)的重 要部分。磁頭結(jié)構(gòu)如圖1 - 6 所示。圖1 - 6 ( a ) 中兩個(gè)變壓器上下疊放，這種結(jié)構(gòu)比較 緊湊，但中間通道長，圖1 - 6 ( b ) 是把檢測變壓器瓦嵌在勵(lì)磁變壓器五之中，這種結(jié) 構(gòu)中間通道短，但占空間大，即磁頭尺寸大。目前常用的是前一種結(jié)構(gòu)，即兩個(gè) 變壓器上下疊放。 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 5 平衡法電磁式濃度計(jì)測量系統(tǒng) 2 1 f i g 1 - 5b a l a n c 洽m e t _ h o de l e c t r o m a g n e t i cc o n c e n t r a t i o nm e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m 回路 ( a )( b ) 圖1 _ 6 兩種變壓器結(jié)構(gòu)示意圖【2 】 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h et w ol x a n s f o r m e r s 電磁式濃度計(jì)主要用于連續(xù)測量工業(yè)生產(chǎn)過程中各種酸、堿、鹽的濃度。濃 度計(jì)按傳感器安裝的形式有浸入式和流通式兩種結(jié)構(gòu)。浸入式是將傳感器直接浸 入或沉浸在開口容器或罐中，浸入深度視現(xiàn)場的需要而定；流通式是將傳感器通 過不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)法蘭直接與主管道連接1 2 j 。 以上簡要介紹了工業(yè)生產(chǎn)中常用的三種濃度計(jì)，對(duì)于酸堿溶液濃度的測量， 歸納起來說，通常可采用的方法有：電磁感應(yīng)法、電極法、壓力差法、密度測量 法及折射法等等。壓力差法( 3 】與密度測量法【4 j 都是通過測量液體的密度來得到溶液 濃度的。但是由于影響因素多，會(huì)使密度與濃度的換算不太精確，其檢測溶液的 靈敏度不高，所以一般只能用于較大濃度溶液的檢測；折射法【5 】是通過連續(xù)測量溶 液的折光率，從而換算成溶液濃度，該方法要求接收光的強(qiáng)度能夠隨溶液濃度的 第1 章緒論 變化而變化，適用范圍小；電磁感應(yīng)法和電極法都是通過測量溶液的電導(dǎo)率來檢 測溶液的濃度，因?yàn)閷?duì)于酸堿溶液來說，其濃度和電導(dǎo)率成一定比例關(guān)系 6 1 ，所以 通過測量電導(dǎo)率，可以得到溶液的濃度。電極法以電極的形式和被測液體直接接 觸進(jìn)行測量，這個(gè)過程中一個(gè)最致命的缺點(diǎn)就是電極容易被污染，尤其在測量腐 蝕性強(qiáng)的溶液濃度時(shí)尤為突出，嚴(yán)重影響了測量的準(zhǔn)確性及使用壽命【7 1 。本課題采 用電磁感應(yīng)法來檢測液體的酸堿濃度，可以很好地解決以上問題，電磁式濃度傳 感器目前在濃度檢測領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。 1 3 電磁式濃度傳感器的特點(diǎn) 本論文采用電磁式酸堿濃度傳感器來進(jìn)行酸堿溶液濃度的測量，這是由于電 磁式濃度傳感器的特點(diǎn)及優(yōu)越之處有： ( 1 ) 它具有測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性。使用電磁濃度傳感器可以實(shí)現(xiàn)在線測量，從而 可以持續(xù)地觀測到溶液濃度，給操作人員提供了連續(xù)穩(wěn)定操作的數(shù)據(jù)保證。 ( 2 ) 電磁式濃度傳感器的測量方式?jīng)Q定了它的穩(wěn)定性和可靠性。由于是非接觸 式測量，避免了接觸式測量中電極發(fā)生極化，在電極表面形成雙電層或在電極附 近溶液的濃度發(fā)生變化而產(chǎn)生誤差的情況，也可以避免由于電極被污染而出現(xiàn)電 極信號(hào)誤差導(dǎo)致的測量準(zhǔn)確性降低的情況，尤其在強(qiáng)腐蝕性和高濃度溶液中其優(yōu) 越性更加突出，為測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性提供了保證。 ( 3 ) 電磁濃度傳感器還有較好的抗干擾能力。傳感器磁頭部分采用耐腐蝕的封 裝材料進(jìn)行封裝，可以避免酸堿溶液腐蝕性的影響，電磁式的測量方法對(duì)外界工 作環(huán)境的變化帶來的電干擾、噪聲干擾等也具有很高的抑制作用。 當(dāng)然，電磁濃度傳感器在測量過程中也存在不足之處，尤其是被測溶液的溫 度變化對(duì)測量的精度影響較大，可以采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹硖岣邷y量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確 性【踟。 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 4 1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 19 2 0 年，p i c c a d 和f r i v o l d 在瑞士物理協(xié)會(huì)的“a r c h i v e sd e ss e i e n c e sp h y s i q u e s e tn a t u r e u e 刊物上，描述了通過無電極電導(dǎo)來測量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)的模型，首次 提出了采用電磁法進(jìn)行濃度測量的方法；之后，g r o s s 等人深入研究了使用繞線方 式與屏蔽層、相位識(shí)別技術(shù)相結(jié)合的方法來消除兩個(gè)線圈之間的耦合對(duì)測量的影 響【9 】【1 0 1 。k l a u ss t r i g g o w 和r e i n h a r dd a n k e r t 在發(fā)表的論文中指出了溫度和壓力對(duì) 鐵芯磁導(dǎo)率存在非線性的影響，同時(shí)還有磁滯效應(yīng)的影響【l 。r o s e r n o u n t 公司介 紹了一種利用彈性隔膜來防止沉積物附著在濃度傳感器上，從而提高感應(yīng)式測量 精度的方法【翻。德國b h 公司為避免氣泡對(duì)濃度測量的影響，改進(jìn)了感應(yīng)式電 導(dǎo)濃度傳感器的外形結(jié)構(gòu)，同時(shí)還進(jìn)行了溫度的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)及自動(dòng)檢測設(shè)計(jì)， 進(jìn)一步拓寬了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍1 3 1 - 4 1 5 1 。日本生產(chǎn)的雙線式電導(dǎo)率傳感器系 統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)器，用三維函數(shù)關(guān)系式( 濃度、電導(dǎo)率、溫度) 代替通常使用的二維關(guān) 系式，使儀表內(nèi)部存儲(chǔ)器比通常方式存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，從而在相同存儲(chǔ)容量下大 大擴(kuò)展了濃度測量范圍。 國外的電磁濃度計(jì)研究發(fā)展十分迅速，美國、德國、日本、瑞士等國家生產(chǎn) 的電磁濃度計(jì)覆蓋了國際市場，主要產(chǎn)品有：美國哈希( h a c h ) 公司的3 7 0 0 系列 感應(yīng)式電導(dǎo)濃度計(jì)、德國e + h 公司的c l s 5 0 系列感應(yīng)式電導(dǎo)濃度計(jì)、日本d k k 公司的m b 3 2 及m d m 3 0 0 電磁濃度計(jì)以及瑞士梅特勒一托利多( m e t t l e rt o l e d o ) 公司的i n p r 0 7 2 0 0 、7 2 5 0 系列感應(yīng)式電導(dǎo)濃度計(jì)，這些產(chǎn)品不僅在測量精度高， 而且注重使用的溫度、壓力、測量范圍、測量響應(yīng)時(shí)間等方面的研究，全面提高 了傳感器的各項(xiàng)性能【1 6 - 1 。 國外電磁式濃度傳感器研究發(fā)展迅速，重視分析外界環(huán)境因素對(duì)測量的影響， 提出了多種改進(jìn)傳感器的方案，傳感器的種類很多，性能也很優(yōu)良。 第1 章緒論 1 4 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 我國對(duì)電磁式酸堿濃度傳感器的研究起步較晚，相比于電極式傳感器，目前 使用的也不多，隨著電磁式傳感器的優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，急需豐富產(chǎn)品類型，提高產(chǎn) 品性能，所以迫切要求我國進(jìn)一步提高對(duì)電磁式傳感器的研究能力與技術(shù)水平。 下面介紹一下國內(nèi)的研究現(xiàn)狀。 吉林熱電廠熱工分場于1 9 7 0 試制成功了電磁式酸堿濃度計(jì)，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn) 了無電極測量酸堿溶液的濃度。傳感器采用流通式結(jié)構(gòu)，適用于常壓情況下，連 續(xù)測量和自動(dòng)記錄工業(yè)生產(chǎn)過程中各種酸堿鹽溶液的濃度。 二十世紀(jì)八十年代末，天津大學(xué)的李永和著作的電磁濃度計(jì)檢測器結(jié)構(gòu)參 數(shù)的選擇，討論了檢測器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)儀器線性度和靈敏度的影響，并提出了檢 測器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則1 7 1 。之后李永和在頻率對(duì)電磁濃度計(jì)性能的影響一 文中進(jìn)一步討論了激磁電壓頻率對(duì)儀器線性度和靈敏度的影響【1 8 1 。北京理工大學(xué) 的蔣健和黃有之對(duì)電磁濃度傳感計(jì)的發(fā)送器作出兩項(xiàng)改進(jìn)：傳感器采用液體耦合 的初級(jí)和次級(jí)變壓器線圈，初級(jí)變壓器由方波振蕩器激勵(lì)，以增加穩(wěn)定性；次級(jí) 變壓器采用零輸入阻抗放大器，以消除磁力線引起的鐵芯中磁導(dǎo)率的變化【1 9 】。 二十世紀(jì)九十年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)以其價(jià)格低廉，適應(yīng)性強(qiáng)， 使用靈活等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，尤其是測量領(lǐng)域，以單片機(jī)為核心的 智能測量儀以其精度高、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)替代了由手工操作的測量。沈陽工業(yè) 學(xué)院李福剛等人利用單片機(jī)為核心器件實(shí)現(xiàn)了堿溶液的自動(dòng)檢測，同時(shí)進(jìn)行了非 線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償【2 0 1 。這個(gè)時(shí)期最有代表性的是陳義新于1 9 9 7 年發(fā)表的一種 電磁式酸堿濃度監(jiān)測裝置獲得了專利【2 1 1 。該專利提出了一種新的激勵(lì)與檢測方 法，采用可變諧振式勵(lì)磁方式和峰值檢波技術(shù)制成的電磁式酸堿濃度監(jiān)測裝置， 充分利用了檢測變壓器在l c 并聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)輸出電壓最大的特性，在單片機(jī)的控 制下，自動(dòng)跟蹤檢測變壓器的諧振頻率變化趨勢(shì)并及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁頻率，同時(shí)考慮 了實(shí)際環(huán)境的影響，運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行一些復(fù)雜的補(bǔ)償運(yùn)算，使檢測靈敏度大為提 高，零點(diǎn)十分穩(wěn)定，實(shí)用性更強(qiáng)，適合連續(xù)檢測各種強(qiáng)電解質(zhì)溶液濃度。 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 r_ a i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 二十一世紀(jì)以來，東北電力學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系萬瑞軍等人設(shè)計(jì)了掃頻諧振式電 磁濃度計(jì)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)理的分析，選擇出了初次級(jí)線圈的匝數(shù)并消除了部分空 氣耦合磁場的干擾；設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃頻電路、峰值檢波電路，可以有效減小環(huán)境條 件改變時(shí)頻率對(duì)測量產(chǎn)生的影響，提高了儀器的抗干擾能力；另外還分析了溫度 對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，整機(jī)電路經(jīng)調(diào)試后，能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，而且噪聲度 較小【2 2 l 。寧夏大學(xué)韓玉蘭等人設(shè)計(jì)了一種新型電磁式濃度計(jì)，采用硬件和軟件同 時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，對(duì)放大調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行a d 轉(zhuǎn)換、 計(jì)算濃度、顯示等，對(duì)傳感器的硬件和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，提高了傳感 器的性能和靈敏度瞄】。 國內(nèi)對(duì)于電磁式酸堿濃度傳感器的研究相比于國外起步較晚，種類較少，應(yīng) 用范圍窄，性能不夠穩(wěn)定。對(duì)電磁式酸堿濃度傳感器的研究需要采用新技術(shù)和新 材料，提高測量的精度和靈敏度，進(jìn)一步朝著集成化、智能化、多功能化方向發(fā) 展。 1 5 本課題主要完成工作 課題在比較幾種常用的濃度測量方法的基礎(chǔ)之上，提出了基于電磁感應(yīng)原理 進(jìn)行濃度測量的方法，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)了一種電磁式酸堿濃度傳感器， 主要完成的工作有： l 、詳細(xì)介紹了國內(nèi)外電磁式酸堿濃度傳感器的研究成果，在對(duì)電磁式酸堿濃 度傳感器的基本原理及特點(diǎn)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)影響濃度測量的因素進(jìn)行了 深入分析，在此基礎(chǔ)之上對(duì)傳感器的鐵芯、激勵(lì)源參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了采用 單片機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎO(shè)計(jì)了傳感器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案。 2 、在硬件設(shè)計(jì)中充分考慮了傳感器的測量范圍和精度要求來選擇芯片，詳細(xì) 介紹了勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路、檢測信號(hào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制及顯示電路、溫 度補(bǔ)償電路及電源電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 3 、軟件設(shè)計(jì)采用c 5 ) 語言模塊化編寫主程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理程序 第1 章緒論 及溫度補(bǔ)償程序，運(yùn)用軟件方式進(jìn)行濾波和溫度補(bǔ)償，提高了測量的精度。 4 、課題創(chuàng)新性地引入了m a t l a b 數(shù)據(jù)擬合功能，從濃度傳感器和溫度傳感器檢 測到的數(shù)據(jù)能夠分別通過單片機(jī)程序內(nèi)嵌的經(jīng)m a t l a b 擬合好的公式自動(dòng)轉(zhuǎn)化成 濃度值和溫度補(bǔ)償值，并經(jīng)過運(yùn)算處理得到最后的濃度值。 5 、對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過大量實(shí)驗(yàn)測試傳感器性能，從而驗(yàn)證了 傳感器方案設(shè)計(jì)的合理性與可行性。 完成這些工作后，要達(dá)到的系統(tǒng)總體性能指標(biāo)為： 1 、傳感器濃度測量范圍：實(shí)驗(yàn)中選取酸堿溶液中具有代表性的n a o h 溶液和 h 2 s 0 4 溶液為溶液樣本，通過理論與實(shí)驗(yàn)研究確定所設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)于這兩種酸堿 溶液的測量范圍，同時(shí)對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行研究探討。 2 、傳感器溫度測量范圍為1 0 4 0 。 3 、傳感器的相對(duì)誤差要求控制在5 之內(nèi)，穩(wěn)定性能良好。 4 、可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液濃度和溫度的實(shí)時(shí)檢測。 1 6 本章小結(jié) 本章主要闡述了論文的選題背景、研究意義以及國內(nèi)外電磁式濃度傳感器的 研究進(jìn)展情況，并對(duì)國內(nèi)外學(xué)者的研究概況和濃度測量方法進(jìn)行了綜述，最后對(duì) 論文所完成的具體工作了一個(gè)簡要的介紹。 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計(jì) 2 1 酸堿濃度與電導(dǎo)率 2 1 1 酸堿濃度與電導(dǎo)率關(guān)系的理論依據(jù) 電解質(zhì)溶液之所以能導(dǎo)電，是由于溶液中有離子存在。不同的電解質(zhì)溶液有 不同的導(dǎo)電能力，當(dāng)電流通過電解質(zhì)溶液時(shí)呈現(xiàn)出與金屬一樣的電阻尺。，溶液的 電導(dǎo)g 用其電阻尺。的倒數(shù)表示： g ：一1 ：一a 圪 ( 2 1 ) r 。 三 式中三電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電長度； 么電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電截面積； k 電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。 岸與溶液的濃度有關(guān)， 咒：絲l( 2 2 ) 咒= 一 l z z ， 1 0 0 0 6 式中入當(dāng)量電導(dǎo)率； c 溶液濃度； 6 溶質(zhì)的克當(dāng)量。 從式( 2 2 ) 可以看出，當(dāng)入、6 為常數(shù)時(shí)，電導(dǎo)率k 就僅是濃度c 的函數(shù)，而6 僅決定于溶質(zhì)的分子量。當(dāng)溶液濃度較低時(shí)，當(dāng)量電導(dǎo)率入近似為常數(shù)，故電導(dǎo)率 k 與濃度c 接近線性關(guān)系。 但在濃度較高時(shí)，電導(dǎo)率與濃度之間會(huì)出現(xiàn)非線性關(guān)系。這是因?yàn)?，電解質(zhì) 溶液的離子數(shù)不僅與溶液的濃度有關(guān)，還與在該濃度下的電離度有關(guān)，當(dāng)濃度增 加到一定數(shù)值時(shí)，溶液的電離度減小，使離子總數(shù)下降，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降2 4 1 。 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計(jì) 2 1 2 酸堿濃度對(duì)電導(dǎo)率的關(guān)系曲線 圖2 1 給出了不同電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系曲線。從圖2 1 中可以看出， 隨著濃度的增大，曲線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即會(huì)有同一個(gè)電導(dǎo)率值對(duì)應(yīng)著兩個(gè)濃度值的 情況。所以當(dāng)雜質(zhì)和溶劑的變化引起的電導(dǎo)率改變較小，符合儀表內(nèi)設(shè)濃度特性 曲線的變化時(shí)，測量是合理的。如果溶劑的變化太大而超越儀表內(nèi)設(shè)濃度特性曲 線時(shí)，這種電導(dǎo)率改變的測量值是不合理的。由于曲線在拐點(diǎn)處往往較平緩，因 此在拐點(diǎn)處的分辨率最差，故在實(shí)際測量中，測量范圍要避開拐點(diǎn)及其附近的濃 度值。制造一種測量范圍包括所有這些點(diǎn)的儀表是很難的，因此儀表的測量范圍 必須分段設(shè)置以避開拐劇2 4 1 。例如n a o h 溶液大約在濃度為1 6 時(shí)對(duì)應(yīng)最大的電 導(dǎo)率值( 拐點(diǎn)) ，因此可能的濃度測量范圍應(yīng)當(dāng)是0 - - - 1 4 或1 8 0 0 - 4 0 ，從拐點(diǎn)處分 段測量。h 2 s 0 4 溶液的濃度特性曲線有三個(gè)拐點(diǎn)，其濃度測量范圍分別為0 3 0 、 4 0 8 0 、9 3 9 9 5 。 電導(dǎo)率( s i r r a ) 、 i、 l i，l 、 一， 1 l l i r i 1 i l 。、i jll、l ：蟛 ，j r l ， 1 l ， 、 一 r 囊什錛q 1 l ll， 、 f i i盼 i r ，i 啦，眨tq、 l一 、 ，一l，l 一一 l簪l、1 托硝t ，r ， 1 刊 01 02 03 0 4 05 06 07 0 8 09 01 0 0 圖2 1 在2 0 c t 橢解質(zhì)溶液電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系 2 4 1 f i g 2 - 12 0 。c i nd i f f e r e n te l e c t r o l y t es o l u t i o n s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n d u c t i v i t ya n dc o n c e n t r a t i o n 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 3 影響溶液電導(dǎo)率大小的因素 在外加電場的作用下，電解質(zhì)溶液中電流的大小是由外加電壓的溶液導(dǎo)電 能力決定的。影響溶液的電導(dǎo)率大小的因素主要有： ( 1 ) 電解質(zhì)的種類 由于電解質(zhì)溶液中各種離子在電場作用下移動(dòng)的速度不同，造成了溶液電導(dǎo) 率的不同。離子所帶電荷越多，受到的外加電場作用就越大，其運(yùn)動(dòng)速度就越快， 導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。 強(qiáng)電解質(zhì)的電導(dǎo)率往往大于弱電解質(zhì)的電導(dǎo)率。因?yàn)閺?qiáng)電解質(zhì)在較稀的濃度 范圍內(nèi)1 0 0 電離，而弱電解質(zhì)卻只有很少一部分電離，所以兩種電解質(zhì)溶液，盡 管濃度相同，但由于有效離子濃度不同，導(dǎo)電能力完全不同1 2 5 1 。 ( 2 ) 溶液濃度 在低濃度范圍內(nèi)，電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與濃度之間具有線性關(guān)系。當(dāng)溶液濃 度增加時(shí)，有效離子濃度也增加，離子遷移速度就越大，電導(dǎo)率也就越高，當(dāng)濃 度大到一定程度后，由于離子間相互碰撞、吸引機(jī)會(huì)的機(jī)率增加，離子有效濃度 就會(huì)下降，溶液的導(dǎo)電能力反而降低1 2 6 。對(duì)于弱電解質(zhì)來說，由于受平衡條件的 約束，單位體積內(nèi)能導(dǎo)電的離子數(shù)目并不明顯隨濃度的增加而增加，其電導(dǎo)率也 就幾乎不隨濃度的變化而變化。 ( 3 ) 溶液的溫度 溫度直接影響溶液中電解質(zhì)的電離度、溶解度、離子遷移速度、溶液的粘度、 溶液的膨脹度等，從而影響溶液的電導(dǎo)率 2 7 1 。簡單的說，當(dāng)溫度升高時(shí)，溶液粘 度降低，離子運(yùn)動(dòng)速度加快，在電磁場作用下，離子的定向運(yùn)動(dòng)也加快，溶液電 導(dǎo)率增加。反之，溫度下降時(shí)，溶液電導(dǎo)率減d x t 2 s 。因此對(duì)電解質(zhì)溶液，其電導(dǎo) 率的溫度系數(shù)是i e 的t 2 9 1 。溶液溫度升高時(shí)，溶液的導(dǎo)電能力增大。電導(dǎo)率與溫度 之間的關(guān)系表示如式( 2 3 ) 所示： = i c , o 牡+ f l l ( t - t o ) + p 2 ( t - t o ) 2j ( 2 3 ) 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計(jì) i il ii ii i 式中e f 溫度下溶液的電導(dǎo)率； 一。o 溫度下溶液的電導(dǎo)率； 屆、尾溶液電導(dǎo)的溫度系數(shù)。 要求不高時(shí)，可舍去高次項(xiàng)得： 墨= _ o 【1 + 口o r o ) 】( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中口與式( 2 - 3 ) 中屈相同。 從上述情況可以了解到，溶液的電導(dǎo)率隨著電解質(zhì)的種類、離子的濃度、以 及溫度的不同而不同。由此，我們可以通過測量溶液的電導(dǎo)率以表征該溶液的物 理、化學(xué)性質(zhì)，借以判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。前兩種因素是電導(dǎo)率測量方法的檢測 機(jī)理，后者則是設(shè)計(jì)制造儀器時(shí)，人為考慮加以消除的因素 3 0 l 。一般溶液的電導(dǎo) 率會(huì)隨著溫度的升高而增大，而不同溶液，不同濃度下，其增大的斜率一般是不 同的。在確定濃度時(shí)，為了便于統(tǒng)一比較，也是要求得到參考溫度下的濃度值， 傳統(tǒng)使用2 5 c 為測量的參考溫度【2 1 1 。當(dāng)水溫不為2 5 c 時(shí)，就要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，折 換成2 5 時(shí)的濃度值。在本課題中結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，采用2 0 為測量的參考 溫度來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 2 2 電磁濃度傳感器工作原理分析 2 2 1 法拉第電磁感應(yīng)定律 為了尋求“磁生電 方法，法拉第經(jīng)過十多年努力，終于在1 8 3 1 年8 月2 9 曰使用人類第一個(gè)變壓器一軟鐵環(huán)上的初、次級(jí)線圈，成功地完成了電磁感應(yīng)實(shí) 驗(yàn)，其后由法拉第和楞次等人歸納成為電磁感應(yīng)定律。 法拉第根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)總結(jié)出了如下定律：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā) 生變化，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電流 稱為感應(yīng)電流。 當(dāng)導(dǎo)體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u 與通過閉合回路面積的磁感應(yīng)通量九的變化率成i e l l u ：k 墮 ( 2 5 ) 講 這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。 式中，比例系數(shù)k 由實(shí)驗(yàn)確定。在國際單位制中，【，的單位為v ，九的單位 為w b ，r 的單位為s 。如果k = 1 ，并考慮u 的方向，則上式可表示為 u ：一盟 ( 2 6 ) 緒 如果只考慮u 的大小，就可以略去上式中單的負(fù)號(hào)，即： 講 u ：盟毗y( 2 7 ) 講 式中召- 磁感應(yīng)強(qiáng)度5 三磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體在垂直磁場方向的長度； y 導(dǎo)體在磁場中作垂直于磁場方向運(yùn)動(dòng)的速度。 由( 2 7 ) 式可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度b 恒定不變以及導(dǎo)體長度上為定長時(shí)，感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)的大小僅與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度成正比1 3 l 】。 下面進(jìn)一步探討感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的種類： ( 1 ) 感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件 l 、電路是閉合且通的； 2 、穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化。 以上兩個(gè)條件須同時(shí)具備，如果缺少一個(gè)條件，就不會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。 ( 2 ) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的種類： l 、動(dòng)生電動(dòng)勢(shì) 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)閷?dǎo)體自身在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)，其方向用右手定則判斷，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直并且都跟手掌在一個(gè) 平面內(nèi)，把右手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向， 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計(jì) 則其余四指指向動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向。動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向與產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向 相同。右手定則確定的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的方向符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。 2 、感生電動(dòng)勢(shì) 感生電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)榇┻^閉合線圈的磁場強(qiáng)度發(fā)生變化產(chǎn)生渦旋電場導(dǎo)致電流 定向運(yùn)動(dòng)，其方向符合楞次定律。右手拇指指向磁場變化的反方向，四指握拳， 四指方向即為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向。 電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相 互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對(duì)其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對(duì)麥克斯韋 電磁場理論的建立具有重大意義。法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義在于，一方面， 依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機(jī)，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送成 為可能；另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都 有廣泛的應(yīng)用【3 2 】。 2 2 2 傳感器工作原理與理論方程式 電磁濃度傳感器是利用電磁感應(yīng)原理來反映電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率變化，實(shí)現(xiàn) 對(duì)溶液濃度的測量。電磁濃度傳感器是由兩個(gè)變壓器( 也稱磁頭) ，勵(lì)磁變壓器z 和檢測變壓器正組成。傳感器測量原理如圖2 2 所示： 圖2 - 2 電磁式濃度傳感器測量原理示意圖 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o n c e n t r a t i o n $ e r l s o r 圖2 3 是圖2 - 2 的等效電路，u 為激勵(lì)電壓；“、厶分別為互的原邊電 黑龍江大學(xué)碩士學(xué)位論文 流、繞組匝數(shù)和電感系數(shù)；、厶為正副邊繞組匝數(shù)和電感系數(shù)；呢、厶為疋的 原邊繞組匝數(shù)和電感系數(shù)；配、厶、之為正副邊的繞組匝數(shù)、電感系數(shù)和電流；u 2 為輸出電壓；z 為互的負(fù)載阻抗；m l 、鳩分別為五、五的互感系數(shù)；為流過 溶液電阻r ，的電流。顯然，r ，、厶、厶、呢構(gòu)成的回路就是環(huán)形流通管中 溶液所構(gòu)成的回路的等效電路，故畈= 職= 1 匝。 程： t l 固 一 一i a m l m 2 圖2 - 3 傳感器檢測裝置等效電路 f i g 2 - 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fs e n s o r sd e t e c t i n gd e v i c e 設(shè)u 為正弦波電壓，根據(jù)理想變壓器原理，由圖2 - 3 可列出如下三個(gè)回路方 u 1 = j r o l l i i + j r o m l j r j 月，丘+ j c o ( l 2 + 三3 也+ j o ) m l l l + j c o m 2 之= 0 u 2 + j r a l 4 1 2 + j o j m 2 l = 0 解方程( 2 8 ) ( 2 1 0 ) 可求得： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 蜘蒜兩m , 0 一可r 0 2 m 習(xí)2 2 1 2 喇2 - 1 1 ) 吼5 一一一叱一2 。1 。 根據(jù)電感和互感系數(shù)的定義可知( 考慮到= = 1 匝) ： 第2 章電磁式酸堿濃度傳感器測試原理及參數(shù)設(shè)計(jì) ，厶 厶= 壬 2 r厶 鏟孝 將這些參數(shù)帶入式( 2 一i i ) 可得： 吣j c ol4雩rs+c02i 4 2 臥 砰弋引l 4 。j 若負(fù)載z 一，則厶o ，故 u 2 地砰一等( 1 ) 2 2 + f ，墮、1 2 。l 2