[發(fā)明專利]基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置及檢測方法

有效

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• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105866158B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡昌松;王軍華;朱蜀;龍孟姣;方支劍
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01N24/08
• 分類號: G01N24/08
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 彭艷君

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于利用磁共振耦合無線能量傳輸檢測濃度技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)

濃度是表征介質(zhì)溶液特征的重要參量之一。對溶液濃度的測量與控制在造紙、化工、制糖、食品、制藥等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。而采用普通傳感器來測量溶液的濃度時(shí)由于溶液會在傳感器上產(chǎn)生結(jié)晶甚至腐蝕傳感器，如果在普通傳感器表明添加防腐材料又會大大影響測量精度，從而影響儀器的使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種靈敏地檢測溶液濃度，且在使用后經(jīng)過清洗可以多次使用的溶液濃度檢測裝置，避免了利用傳統(tǒng)的傳感器來測量溶液的濃度時(shí)由于溶液會在傳感器上產(chǎn)生結(jié)晶甚至腐蝕傳感器的弊端，使溶液濃度檢測裝置更為可靠方便。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置，包括溫度監(jiān)測及控制裝置、與計(jì)算機(jī)連接的網(wǎng)絡(luò)分析儀，還包括與所述網(wǎng)絡(luò)分析儀連接的測試設(shè)備，所述測試設(shè)備包括磁共振耦合系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述磁共振耦合系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變器和發(fā)射線圈；所述接收端包括接收線圈、整流器和負(fù)載。

更進(jìn)一步地，所述發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，且所述發(fā)射線圈和接收線圈上均涂有耐酸陶瓷。

利用上述基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置檢測溶液濃度的方法，包括以下步驟：

（1）取樣品溶液，采用溫度監(jiān)測及控制裝置測量樣品溶液的溫度，記錄下溫度值，將測試設(shè)備的發(fā)射線圈和接收線圈插入到樣品溶液中；

（2）保持步驟（1）記錄的溫度值恒定，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量發(fā)射線圈和接收線圈浸泡在不同濃度的樣品溶液中的散射矩陣參數(shù)，以下稱S參數(shù)；

（3）建立步驟（2）所測量的S參數(shù)與樣品溶液濃度的關(guān)系，存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為比對參數(shù)；

（4）測量待測溶液的濃度，取待測溶液，用溫度監(jiān)測及控制裝置將待測溶液的溫度調(diào)控為測量樣品溶液比對參數(shù)時(shí)相同的溫度，使用步驟（1）中相同的發(fā)射線圈和接收線圈插入待測溶液中，再利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S參數(shù)，并傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，根據(jù)比對參數(shù)進(jìn)行比對分析，得出待測溶液的濃度。

磁共振耦合無線能量傳輸技術(shù)，就是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈，在相距一定的距離時(shí)，由于磁場耦合產(chǎn)生諧振，進(jìn)行能量傳遞。一般來說，兩個(gè)有一定距離的LC 諧振線圈，相互之間是弱耦合，但若兩個(gè)具有相同的諧振頻率，則會產(chǎn)生電磁諧振，構(gòu)成一個(gè)電磁諧振系統(tǒng)。所謂“磁耦合諧振式”，是指空間進(jìn)行能量交換的媒介是交變磁場，每個(gè)線圈的電磁諧振是由線圈中的磁場與分布電容的電場實(shí)現(xiàn)的。在系統(tǒng)進(jìn)行無線電能的傳輸時(shí)，主要是通過發(fā)射端的發(fā)射線圈激發(fā)的高頻磁場在接收端的接收線圈中引起電磁感應(yīng)，從而使接收線圈產(chǎn)生電壓，接收能量并轉(zhuǎn)化為電能，并通過整流濾波成恒定的直流電后向負(fù)載供電。

磁共振耦合無線能量傳輸方案可以通過二端口網(wǎng)絡(luò)理論來分析，對于二端口網(wǎng)絡(luò)可以通過不同的等效電路參數(shù)來表征，在高頻時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的存在，散射矩陣成為首選，它可以測量在較寬頻率范圍內(nèi)的S參數(shù)。S參數(shù)可以反映磁共振耦合諧振線圈能量的傳輸特性，由于磁共振耦合利用空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦裕瑩?jù)此可以建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，通過比對來測量溶液的濃度。

本發(fā)明基于磁共振耦合的無損溶液濃度檢測裝置是在保持溫度恒定的條件下，將兩個(gè)磁共振耦合的發(fā)射線圈和接收線圈插入到濃度待測的溶液中，將磁共振耦合的發(fā)射線圈、接收線圈看成二端口網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量浸泡在溶液中兩線圈的S參數(shù)。由于磁共振耦合利用空間交變磁場傳遞能量，空間介質(zhì)的屬性必然會影響到磁共振耦合無線能量傳輸?shù)奶匦裕瑩?jù)此可以建立起溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，將網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的S參數(shù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)處理，根據(jù)比對溶液濃度和諧振線圈S參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系可以得到待測溶液的濃度。