电导率测量系统的校准

摘要

公开了用于校准数字化电导率与温度测量系统的系统和方法。连接器介于数字化电导率与温度测量系统的传感器与变送器之间。具有值已知的可选择的电阻器的校准器还可以连接至连接器。传感器测量所选择的电阻器的实测电阻。数字化电导率与温度测量系统然后将实测电阻与电阻器的已知值比较以计算校准因数。

说明书

技术领域

本发明的示意性实施例大体上涉及流体电导率的测量。更具体地 讲，本发明的示意性实施例大体上涉及数字化电导率测量系统的校准。

背景技术

电导率测量通常在实验室内、在工业加工的过程中并且在其它的 环境中用作为测量、控制或监测化学过程或离子杂质的措施。这种测 量已经进行了超过100年。测量电导率是监控过程的灵敏的手段，其 能够通过适于检测离子浓度ng/L至kg/L的器械被测量。

离子是化学形态，其携带净正或负电荷，并且根据定义是导电的。 即使电导率测量值与离子浓度是成比例的，但是电导率测量也无法区 分具体的化学浓度，这是因为所有离子具有不同的离子迁移率(相对 于携带电荷的能力或效率)。然而，为了更好地理解已知化学品的应用， 确定电导率是用于测量离子浓度的优异的分析工业工具。在其它应用 中，例如在微电子、生命科学和发电应用中创建的高浓度水处理系统 中，电导率是一种用于测量离子杂质的优异的分析工具。

传统的模拟电导率测量系统包括与待测流体直接接触的传感器。 在这种电导率测量系统中还通常具有单独的微控制的变送器，其大体 上包含AC测量电子器件、读出或其它可视化显示器、用于器械控制 功能的软件菜单、以及与诸如可编程逻辑控制器(“PLC”)的外部装 置或用于工业控制系统的数据获取系统通信的其它装置。大体上快速 脱离连接式电缆常被用于将变送器连接至传感器。

因此，传统的模拟电导率测量系统包括传感器、变送器以及连接 器具。模拟电导率(或电阻率＝1/电导率)测量技术涉及使用与两个(或 多个)导电电极相连的AC电阻测量电路。各电极在一机械刚性的且 几何外形固定的结构内组装，由电绝缘材料隔离。各电极的隔离与各 电极的固定几何形状的区域传统上被称为传感器的“电池常数(cell  constant)(“cc”)”。为了测量流体的电导率，传感器被浸没在流体内， 并且位于各电极之间的流体的电阻通过AC电阻测量电路被测量。

各电极之间流体的电阻与电极之间的距离成正比。因此，电阻测 量需要针对电极之间的距离被调整或被标准化。同样，电极之间的流 体的电阻与电极的表面面积成反比。因而，电阻测量需要针对电极的 表面面积被调整或被标准化。因此，测量的电阻针对电池常数被调整 或者被标准化，从而电池常数＝电极的间距/电极的表面面积，这是根 据：

电阻率＝电阻/电池常数

并且

电导率＝1/电阻率

电阻率与离子浓度成比例。电池常数可以根据其它传统的方法被 确定。

对于模拟传感器而言，测量系统的完整的校准需要满足特定的监 管标准和/或良好的校准实践。对于模拟传感器而言，标准校准实践是 将传感器与测量电子器件脱离连接，将具有已知值的电阻器与测量电 子器件相连，并且按照需要调整测量电子器件。模拟传感器的验证也 可以以类似的方式进行。对于模拟传感器而言，该传感器从测量电子 器件脱离连接，并且具有已知值的电阻器连接至测量电子器件。测量 电子器件的输出与具有已知值的电阻器的电阻值比较。如果比较结果 位于可接受的极限内，则无需校准。

测量电子器件的这种校准技术是可行的，这是因为AC测量电子 器件大体上位于模拟电阻率测量系统的变送器内。如果多点校准功能 被用于校准单个电路的话，则该过程必须被重复。如果像通常的情况 那样在结构内嵌有多个AC电阻测量子电路，则该过程也必须重复。 这些子电路可以被用于提供多个测量范围。在测量电路已经被验证和/ 或被调整之后，可追踪的电阻器被脱离连接，并且传感器重新连接至 测量电极。正如在此所使用的那样，术语“可追踪的电阻器”指的是 具有已知值的电阻器。

校准过程的下一个步骤是验证和/或调整传感器的电池常数。为 此，传感器被浸没在具有已知的和可追踪的电导率的溶液内，并且然 后传感器的电池常数根据以下不同的计算方法被计算出：

新cc＝旧cc(基准电导率)/(测量的电导率)

或者

新cc＝(测量的电阻率)/(基准电阻率)

或者

新cc＝(测量的电阻率)×(基准电导率)

大体上，完整的模拟电导率测量系统(测量电路和电池常数这两 者)的校准完成。

数字化电导率传感器也可以用于测量电导率。数字化电导率传感 器在功能上与模拟电导率传感器等效，但是具有多个优点。在模拟电 导率传感器中，模拟AC电阻信号容易通过电缆的长度、外部噪音和 其它因素被降级，除非采取额外的保护措施。相反地，数字化电导率 传感器的变送器具有模拟电导率变送器的所有特征，但是AC测量电 路与传感器电极直接相连除外。电缆仍被用于将变送器连接至传感器。 然而，电极与数字化电导率测量系统的AC测量系统之间的小间距(例 如，＜1英寸)提供了显著的固有测量优点以及与模拟电导率测量系统 相比提供了更好的测量范围和精度方面的性能。数字化电导率测量系 统的AC测量电路将所有模拟信号转换成数字信号，该数字信号能够 通过电缆被长距离地发送至变送器而没有任何信号损失。

数字化电导率测量系统的一个挑战在于AC测量电路直接集成于 传感器防止了测量电路自传感器的随后脱离连接。更具体地，测量电 路和传感器的这种集成防止了以与模拟电导率测量系统校准相关的方 式校准测量电路。

发明内容

本发明的示意性实施例是基于这样的认知，即针对数字化测量系 统的电路没有已知的校准和/或验证方法、也没有硬件或软件校准工 具。此外，本发明的示意性实施例是基于这样的认知，即为了满足良 好的校准实践并且在某些情况下为了满足制药应用，需要AC测量电 路与传感器电池常数无关的校准。因此，在此所述的示意性实施例提 供了数字化电导率测量系统的电路的准确校准的系统和方法，包括与 传感器电池常数无关地校准AC测量电路。

大体上，在此所述的示意性实施例提供了具有三个端口的连接器、 即Y型连接器，其介于数字化电导率测量系统的传感器与变送器 (transmitter)之间。变送器可以利用电缆连接至Y型连接器。传感器 包括用于AC测量电路的电极。变送器可以具有显示器和使用者输入 装置。校准器也连接至Y型连接器。针对每个待校准的AC测量范围， 校准器具有开关和至少一个可选择的电阻器，其中所述电阻器具有已 知值。

为了校准数字化电导率测量系统，在传感器的电极之间产生断路。 通过允许电极干燥或者通过将电极与测量电路电隔离的传感器开关而 产生断路。变送器然后通过显示器向使用者提供校准指令。利用校准 器上的开关选择可追踪的电阻器，或者具有已知(电阻)值的单个电 阻器的校准器被连接。使用者将电阻器的已知的值输入到变送器中。 AC测量电路然后测量所选择的电阻器的实测电阻。已知的值和测量的 实测电阻值被存储在变送器和/或传感器的非易失性存储器内，并且校 准因数被计算并被存储在变送器和/或传感器的非易失性存储器内。这 提供了针对子电路的校准因数。如果更多的校准值需要用于校准子电 路的话，使用者利用开关选择不同的传感器，并且校准步骤重复。因 此，每个电阻器能够具有不同的已知的电阻值。

在具有多个子电路的数字化电导率测量系统中，各步骤可以在每 个子电路上针对每个校准值重复。在所有校准因数被存储在存储器中 之后，Y型连接器被取出，从发送器引出的电缆被重新连接至传感器， 并且数字化电导率测量系统准备运行。

在数字化电导率测量系统的另一结构中，传感器还可以包括电阻 温度检测器(“RTD”)或其它合适的基于电阻的测温装置。为了校准 温度测量电路，AC测量电路的子电路，RTD通过利用介于测量电路 与传感器之间的传感器开关自测量电路脱离电连接。在RTD自测量电 路脱离连接之后，可以进入温度校准模式。变送器然后通过变送器显 示器向使用者提供校准指令。具有已知值的温度电阻器利用校准器上 的开关被选择，或者具有值已知的单个电阻器的校准器被连接。使用 者然后可以经由使用者接口装置将电阻器的值输入到变送器内。AC测 量电路的温度测量电路然后测量电阻器的实测电阻，并且将实测电阻 和已知的温度电阻值存储到存储器内作为校准因数。如果需要更多的 温度校准点，则使用者连接不同的校准器或选择不同的电阻器，并且 重复校准步骤。

对于包括具有测温装置的传感器的数字化电导率测量系统而言， 因此可以校准温度测量电路和/或AC测量电路。温度测量电路的校准 优选在测量电路的校准之前进行。

校准方法和系统还可以用于变送器与传感器之间无线相连的数字 化电导率测量系统。在该结构中，连接器介于传感器与校准器之间。 在电极和/或RTD与电路脱离连接之后，可以如上所述地进行校准。

如上所述的方法和系统还可以用于验证数字化电导率测量系统的 现有的校准是否正确。在验证的过程中，变送器再次向使用者显示一 组菜单指令。使用者然后将测量的电阻与已知的或基准的电阻值比较。 在这种情况中，无需调整。实际上，仅仅比较就能提供确定是否需要 附加的调整

附图说明

除了上述提到的特点以外，其它方面将通过附图和示意性实施例 的以下说明而清楚，其中各视图中相同的附图标记指的是相同或等效 的特征，并且各附图示出了：

图1是示意图，其示出了得益于在此所述的用于校准的系统和方 法的示意性实施例的大体数字化电导率测量系统；

图2是示意图，其示出了用于校准电导率测量系统的系统和方法 的示意性实施例；

图3是简化的电路图，其示出了用于校准电导率测量系统的系统 和方法的示意性实施例；

图4是简化的电路图，其示出了用于校准具有RTD的电导率测量 系统的系统和方法的示意性实施例；

图5是示意图，其示出了得益于在此所述的用于校准的系统和方 法的示意性实施例的数字化电导率测量系统，所述数字化电导率测量 系统具有无线相连的传感器和变送器。

具体实施方式

此后，参照附图将更加完整地说明本发明的内容，在附图中示出 了一些但非全部的本发明的实施例。图1示意性示出了数字化电导率 测量系统2，其中所述数字化电导率测量系统能够利用在此所述的系 统和方法的实施例被有利地校准。如图所示，该数字化电导率测量系 统2包括传感器4。传感器4包括两个(或多个)导电的电极6，并且 所述传感器被设计成与待测流体直接接触。在这种数字化电导率测量 系统2中，AC测量电路30(如图3所示)可以直接连接至传感器4 并在该传感器4内容纳。

还设置微处理器控制的变送器8，并且该变送器具有读出器或显 示器10、用于器械控制功能的软件菜单以及与诸如PLC或用于工业控 制系统的数据获取系统的外部装置相连的其它器具。变送器8还可以 具有使用者接口装置12，因而使用者能够从菜单进行选择并且输入电 阻器的值。术语变送器8可以是任何实现在此所述的功能的装置。具 体地，变送器8可以是任何从传感器4接收数字化信号的装置，包括 但不限于计算机、PDA、智能手机或其它类似的装置。电缆14在传感 器4与变送器8之间插接，以便有助于二者之间的相连。电缆14具有 与传感器4连接的第一端16和与变送器8连接的第二端18。电缆14 可以具有快速脱离连接的特征，其允许电缆14容易从传感器4和变送 器8取下并连接至它们。

电路30与电极6之间的间距是小的，优选小于一英寸。该小的间 距提供了显著的固有测量优点并且也增加了测量范围和精度方面的性 能。电路30将所有模拟信号转换成数字信号，所述数字信号然后通过 电缆14被长距离地传送至变送器8，而不会有任何信号降级。

图2和3示意性地示出了本发明的用于数字化电导率测量系统的 校准系统和方法。图2是简化示意图，其示出了本发明的校准系统的 示意性实施例的结构。图3提供了在此所述的校准系统的示意性实施 例的简化电路图。

为了开始校准，首先验证变送器8连接至电缆14的第二端18。 传感器4然后从其所浸没的流体取出，从而电极6之间产生断路。传 感器4然后从电缆4的第一端16脱离连接。在传感器4内具有内部开 关42(如图4所示)的数字化电导率测量系统2中，传感器开关42 可以用于将电极6与AC测量电路30脱离连接，而不用将电极从流体 中取出。

设置Y型连接器20，所述Y型连接器20具有位于第一端的第一 端口22、以及位于第二端的第二端口24和第三端口26，所述Y型连 接器20在传感器4与变送器8之间插接。尽管在此使用的术语Y型连 接器，但是本领域技术人员应该理解具有三个端口的任何连接器都可 以在此使用，包括但不限于T型连接器。Y型连接器20的第一端口 22连接至传感器4。电缆14的第一端16连接至Y型连接器20的第二 端处的第二端24。校准器28连接至Y型连接器20的第二端处的第 三端口26。校准器28是包含可追踪的电阻器的装置。在其它示意性 实施例中，校准器28可以包括一组可追踪的电阻器，并且为它们所设 置的开关32可以被用于将单独的电阻器选择连接至待校准的电路。正 如在此所使用那样，术语“电阻器”用于象征电阻器或其功能性等价 物，包括但不限于模电式电阻器和开关电容器。

Y型连接器20将所选择的电阻从校准器28连接至AC测量电路 30(见图3)。AC测量电路30具有两对信号引脚36。一对引脚连接至 电极6，而另一对引脚连接至SIG+和SIG-输出端，其与校准器28上 所选择的电阻器连接。在一些示意性实施例中，电阻器4可以具有额 外的连接器，以提供将校准器28内的电阻器连接至AC测量电路30 的器具。在一些示意性实施例中，Y型连接器20可以具有至少一个屏 蔽电阻器38。该屏蔽电阻器38在校准处理的过程中降低电噪音。

在如图2所示的结构中，AC测量电路30并行连接至传感器电极 6和校准器28的电阻器。如果传感器电极6干燥的话，则在电极6之 间存在断路电阻。因而，所测量的电阻等于在校准器28内所选择的电 阻器的电阻。

在校准系统被正确地连接之后，变送器显示器10可以促使使用者 选择校准功能。在其它示意性实施例中，变送器8可以在Y型连接器 20和校准器28的连接之后自动地进入校准模式。为了校准数字化电 导率测量系统2，变送器8内菜单驱使的软件指示使用者选择具有标 称但已知值的电阻器R_1ref。使用者经由校准器28上的开关32选择电 阻器R_1ref，或者通过连接这样一种校准器进行选择，其中所述校准器 包括具有相应已知值的单个电阻器R_1ref。校准器28内的电阻器的值在 所要校准的子电路的操作范围内选择。

在完整的测量电路30内具有多个子电路。第一子电路C1被选择， 并且变送器和传感器的固件(firmware)使得电路30利用子电路C1 测量。电阻器R_1ref的可追踪的值然后利用使用者接口装置12被输入到 变送器8中。测量电路30利用所选择的子电路C1测量并报告实测电 阻(raw resistance)R_1means。这两个电阻值R_1ref和R_1means在变送器8 和/或传感器4的存储器内被存储。

为了正确地校准数字化电导率测量系统，针对每个子电路必须利 用多个校准值。如果多个校准值是必要的话，则变送器8内的菜单驱 动的软件指示使用者经由开关32选择校准器28内的第二电阻器R_2ref。 在校准器28包含仅仅单个可追踪的电阻器的示意性实施例中，可以使 用具有这样的电阻器的校准器28，其中所述校准器的电阻器具有与 R_2ref对应的已知的值。数字化电导率测量系统2中的固件使得测量电 路30仍采用子电路C1。使用者然后输入电阻器的新的可追踪的值R_2ref并且测量电路30利用子电路C1测量并报告实测电阻R_2means。这两个 新的电阻值R_2ref和R_2means然后在变送器8和/或传感器4的存储器内被 存储。这些步骤可以针对子电路C1所需的多个校准值重复进行。数字 化电导率测量系统2然后以数学的方式确定校准因数并且将这些校准 因数存储在传感器4和/或变送器8中的非易失性存储器内。这可以针 对每个子电路C2、C3、C4…重复，按照完整校准AC测量电路30所 需那样。

在完成校准数字化电导率测量系统2之后，Y型连接器20与传感 器4和电缆14脱离连接，并且传感器4重新连接至电缆14。在数字 化电导率测量系统2被重新组装时，它已经准备好重新运行。上述系 统和方法还可以被用于验证电路的精度。利用类似的菜单驱动的软件， 能够将测量的电阻与已知的或基准的电阻值进行比较。在这种情况中， 没有调整。仅仅比较就能够确定是否必须进一步调整。

图4示意性示出了用于数字化电导率测量系统的本发明的校准系 统和方法的示意性实施例，其中，传感器4包括电极6以及作为温度 测量装置的RTD 40。如图4所示，电极6和RTD 40与AC测量电路 30电连接，其中所述AC测量电路30包括温度测量电路。AC测量电 路30借助于Y型连接器20连接至校准器28。与其它结构的数字化电 导率测量系统2一样，如果传感器电极6干燥的话，则在电极6之间 存在断路电阻。因而，测量的电阻等于所选的电阻器的电阻，并且AC 测量电路30可以如上所述地被校准。

如下更加详细所述，利用在此公开的系统和方法还可以校准具有 可选的传感器开关42(如图4所示)的数字化电导率测量系统2的结 构，而无需从待测的流体中取出电极6。本领域技术人员应该理解， 传感器开关42可以与在此所述的校准系统和方法的任何示意性实施 例组合使用。

如图4所示，测量电路30连接至包括电极6和RTD 40的传感器 4以及校准器28。校准器28包括具有已知值的单个电阻器。在其它示 意性实施例中，校准器28可包括多个具有已知值的电阻器，它们分别 可利用开关32选择。在具有RTD 40的数字化电导率测量系统中，校 准器可以具有至少一个用于校准RTD 40的电阻器。

在具有可选的传感器开关42的数字化电导率测量系统2中，传感 器开关42可以在传感器4与测量电路30之间插接。传感器开关42可 以继承到测量电路30中或者可以内嵌在测量电路30与传感器4之间。 传感器开关42用于将电极6和RTD 40与用于校准的电路隔离。在电 极6与电路隔离之后，测量电路30的校准可以如上所述地进行。类似 地，针对RTD40的温度测量电路校准也可以在其与电路脱离连接之后 进行。

与电导率校准一样，变送器显示器10可以促使使用者选择温度校 准功能。在其它示意性实施例中，变送器8可以在其已经置入电路中 之后输入温度校准模式。为了校准数字化电导率测量系统2的温度特 征，变送器8内的菜单驱动的软件指令使用者选择用于校准RTD 40 的具有已知值的电阻器R_1Tref。使用者经由校准器28上的开关32选择 电阻器R_1Tref。在利用具有单个电阻器的校准器28的示意性实施例中， 使用者可以连接具有用于校准RTD 40的电阻器R_1Tref的校准器28。在 电阻器置入电路之后，温度电阻R_1Tref然后通过使用接口装置12被输 入到变送器8中。测量电路30测量并报告原始温度电阻R_1Tmeans。这 两个温度电阻R_1Tref和R_1Tmeans在变送器8和/或传感器4的存储器内作 为温度校准值被存储。

为了正确校准测量电路30的温度测量电路，必须利用多个校准 值。如果多个校准值是必要的话，则变送器8内的菜单驱动的软件指 示使用者选择具有已知值的第二电阻器。具有不同的已知值的电阻器 被连接，这是通过连接不同的校准器28或通过利用开关32选择新的 电阻器来实现的。这两个温度电阻值R_2Tref和R_2Tmeans在变送器8和/或 传感器4的存储器内作为第二温度校准值被存储。这可以必要地重复， 直至测量电路30的温度测量电路被校准。

数字化电导率测量系统50的其它结构可以具有传感器4与变送器 8之间的无线连接，如图5所示。为了校准无线数字化电导率测量系 统50，连接器52介于传感器4与校准器28之间。在电极6已经从电 路被隔离(通过允许电极干燥或者通过利用开关42)之后，无线电导 率测量系统50的校准可以如上所述地进行。无线数字化电导率测量系 统50还可以包括RTD 40。在RTD 40已经利用传感器开关42与电路 脱离连接之后，测量电路针对RTD 40的校准也可以如上所述地进行。

为了引导使用者进行在此所述的校准过程，变送器8和/或传感器 4可以被预编程。程序可以包括所显示的使用者指令与提示，以便输 入电阻器值。此外，程序可以包括用于确定每个子电路所需的校准值 的数量以及子电路的数量的硬件信息。子电路的数量可以自动地被选 择或者由使用者手动输入。程序还可以包括在允许校准附加的子电路 之前促使特定子电路上的所有校准值的校准，从而确保数字化电导率 测量系统的正确的校准。该程序可以存储在传感器4和/或变送器8内 的非易失性存储器内，并且可以升级以便适应不同的变送器8、校准 器28和传感器8。

尽管本发明已经通过提出特定实施例而说明，但是基于本发明的 思想明显可以产生多种其它改型，例如通过将各个实施例彼此相互结 合和/或通过各个实施例之间的各个功能性单元的更换。