CN1623087A - 通过瞬时导抗响应对流体的存在和性质进行测量 - Google Patents

Abstract

一种获得电化学电池(12)不同性质量度的装置和方法。所述装置包括第一(9)和第二(10)电极，以及为第一电极(9)提供随时间变化的激励电压的激励电源(8)。所述激励电压(8)在交替施加于第一电极上的第一和第二电压水平之间转换，所述第一和第二电压水平在第一电极上持续预定时间。外部电容(C_out)连接在第二电极和接地端之间。所述装置能够检测电荷从第一电极转移至外部电容的与时间有关的速率。所述速率，称为“瞬时导抗响应(TIR)”，可以作为数字或模拟输出(11)。

Description

通过瞬时导抗响应对流体的存在和性质进行测量

发明领域

本发明涉及测量流体和含流体材料的存在和各种性质的方法。尤其是，本发明描述了在对流体进行单个采样或连续流动监测中检测微小组成变化的方法，其具有非常高的灵敏度、以及简化的温度补偿、探针设计、材料和电子控制设备。

背景技术

在许多科研和工业过程以及终端用户应用中使用了各种各样的流体。对这些流体进行初始的、过程中的以及使用中的测试通常有助于防止发生潜在的问题。许多方法依赖于将流体、浆液、悬浮物或湿的材料进行精确混合，并要求对所得到的混合物有准确反馈。终端用户通常依赖于流体、浆液、悬浮物或湿的材料的准确组成，以安全有效地使用。对这些材料进行定性分析通常可以防止代价昂贵的错误、损伤或损害。

由于通常上述任意流体都具有介电常数、导电率以及双层效应，其中每一个均产生复杂的电响应，因此，一直以来对流体组成的电子分析非常复杂。尽管对这些性质进行测量非常普遍，但是由于设备存在困难，例如探针设计、不稳定的温度依赖以及复杂的电子控制设备，因此，为了得到准确、灵敏的结果，这些测量非常麻烦。

在使用中或在过程中进行控制通常需要能够处理流动、压力和温度的各种水平，并同时准确测量组成变化的传感器。现有的测量流体介电常数或导电率的方法要求上述任一影响因素具有非常小的变化范围，或者要求对它们进行极端的以及技术上非常复杂的补偿。

流体的介电常数是常用的与流体相关的定性量度。众所周知，固体的介电常数是分子响应外场而产生极化或转移其内部电荷的能力的量度。对于流体，分子也能够根据场来回移动、旋转和/或在流体内迁移。在电子术语中，介电常数是电容器的模拟。

有许多已有专利涉及对流体电容的测量。美国专利No.4132944，5497753和5507178是电容测量技术的代表性例子。

导电率(电阻的倒数)是另一个用于定性指示流体构成和流体中带电物质的常用量度。流体中的带电物质或离子使得电子在流体中通过。存在的离子越多，流体的电阻越小，可以通过流体的电流强度越大。在电子术语中，该现象为电阻的模拟。

有许多申请是关于流体导电率的测量，包括美国申请No.4132944，4634982，6169394和6232783，所有这些均是基于导电率的应用的代表性例子。

上述两个量度受温度和其它因素的影响很大。在很多情况下，这些广泛变化背后的精确理论并不是直接已知或可以可靠预测的，其变化很大程度上依赖于组成。

过去人们对导电率和介电性质一起进行测量以尝试简化和解决上述强调的许多问题。美国专利No.4516077和6169394代表了这种方法。在后一专利中，对流体的电阻抗(也就是，并联电阻和电容的效应)进行综合测量。不幸的是，该方法采用复杂电子设备产生范围广泛的激发频率，但是没有提及例如温度依赖等的变化。

在美国专利No.4516077中描述了在包括有限数目溶剂的溶液中有用的传感器，所述溶液包括水、乙醇和乙二醇。该发明包括以下方法，对流体进行电子充电、断开充电设备，然后测量流体电荷消耗所需的时间(称为“固有时间常数)。该发明实质上测量了极化和电荷在没有任何外部电影响下重新达到平衡的再扩散率，该方法受温度和流体流速的影响很大。

电极-流体界面使得对任一流体性质的测量变得复杂。每个上述界面包括其本身的电阻和电容，众所周知，它们通常比流体本身的电阻和电容都大。在流体中引入电流导致的电化学反应会引起电极腐蚀和污染。通常需要对传感电压和电流进行放大和信号调节从而提供适当的读数。在以前的发明中几乎没有提出这些和其它问题。

因此，需要研究出一项利用流体的电性质以提供重要量度的发明，同时避免上述复杂问题。

发明概述

本发明涉及一种测量流体和含流体物质的存在和各种性质的方法。与现有方法相比，其在范围、灵敏度以及对温度和流体流动的相对不敏感性方面作出了改进。此外，该方法简化了设计和测量。

本发明包括用于控制和测量经简化的电化学电池的各种电化学效应的方法和装置。然而，所测量的潜在效应本质上是复杂的。本发明对这些效应的一些单独的影响进行了控制，而得到比现有技术优越的测量，本文中称为“瞬时导抗响应(Transient Immitivity Response)”，简写为TIR。

本发明的首要特征是采用位于电池外部的电容来积累、控制和限制流经电池的电流。瞬时导抗响应是指所述电容与电化学电池内部的电流传送机构之间的相互作用。这些相互作用产生了所述外部电容充电和放电的复合速率，所述速率可以通过许多不同的方法进行测量。可以调整所述电容、电池的结构以及其它外部构成以增强或减少不同电荷传送机构的效应，使本发明实际上适合于任意流体。所述瞬时导抗响应是指与时间相关的、电荷流经电池并在外部电容上积聚的复合速率。

根据本发明的一个实施方案包括相互分隔放置的两个电极，所述两个电极均与待测流体相接触。该实施方案包括激励电源，从而向第一电极提供随时间变化的激励电压。所述激励电压在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换。在第一电极上交替施加第一和第二电压水平并持续特定时间阶段。所述激励电源具有低的电源电阻，从而可以在最短时间内提供足够电流以改变第一电极的电势，因此可以迅速地对第一电极的电容进行充电。

根据本发明，在第二电极和电接地或电路接地之间具有确定的电容。所述接地端具有确定的电压。该实施方案还包括电压检测器，用于检测引入上述确定电容上的传感电压。所述传感电压与由于将激励电源施加在第一电极上而经流体从第一电极传导至第二电极的电荷成比例。所述电压检测器对电接地具有非常高的电阻，从而基本上没有电流从电池流经该检测器。适当的电压检测器的例子包括输入电阻大于1011欧姆的电流产生FET晶体管、运算放大器和CMOS逻辑电路。

在该实施方案中，在流体存在时，激励电源的电压水平保持恒定至少到电池达到平衡。如果没有流体存在，在传感或检测装置处检测不到电压。如果流体处于平衡状态，本实施方案中电化学电池的所有部分具有基本上与激励电压相同的电压，在第二电极测出的电压基本上等于第一电极的电压。然后将第一装置的激励电压转换至第二电压水平。所述电池将在此第二电压水平下工作直至达到平衡。

所述实施方案进一步包括一种手段，以确定在第一和第二确定电压水平之间转换以及当所述电容的传感电压达到一个或多个选定电压水平时的一个或多个时间间隔。这些时间间隔代表了流体的瞬时导抗响应。此外，在第一和第二确定电压水平转换之后，该手段可以测量在一个或多个预定时间间隔的在所述电容上得到的电压。而且，对瞬时导抗响应的Δ电压/Δ时间性质进行测量。第二电极处的电压水平是电极界面和流体的所有电阻和电容、以及第一激励电源电压变化的与时间相关的函数。所述实施方案能够进一步提供作为数字或模拟输出的瞬时导抗响应。缺少变化的传感电压可能指示电极间缺少流体。单个时间或速率测量体现了本发明的基础，但是对所述电化学电池系统的与时间相关的响应的两个或多个测量可以用于解释更加微妙的信息。

本发明还包括采用所述装置获得流体瞬时导抗响应的方法。首先，选择第一和第二电极，两个电极相互分隔放置，均与流体接触。然后在第一电极上施加随时间变化的激励电压。在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换所述激励电压，从而在第一电极上交替施加第一和第二确定水平并持续特定时间阶段。所述激励电源进一步的特征在于其具有低电阻，从而当激励电压在第一和第二确定电压水平之间转换时具有最小的转换时间。

所述方法进一步包括在第二电极和电或电路接地之间提供确定的电容。所述接地端具有确定电压。然后检测被引入到电容上的传感电压。所述传感电压与将激励电源施加在第一电极上而经流体从第一电极传导至第二电极的电荷成比例。采用的检测器优选具有高输入电阻从而使外部电流最小。

检测在电容上诱导产生的传感电压之后，确定在第一和第二确定电压水平之间转换以及当第二电极的传感电压达到一个或多个特定电压水平时的一个或多个时间间隔。此外，可以测量从激励电源在第一和第二确定电压水平之间转换时在预定时间间隔达到的一个或多个电压水平。这些时间间隔和电压水平代表了流体的瞬时导抗响应，随后可以作为数字或模拟输出来提供。

已知上述电阻和电容本身是测定下的流体、流体流动、温度、电势和其它影响的函数。本发明所测量的这些影响的特定结合可以减少对流动和电势的依赖，同时还减少由于流体组成所导致的温度依赖性的变化。

因此，本发明的一个目的是提供一种流体传感器，以克服现有技术中的多个缺陷。

本发明的另一个目的是提供一种传感器，检测多种流体和含流体材料的存在。

本发明进一步的目的是提供一种传感器，能够定性测量各种溶剂和流体组成之间的区别。

通过以下附图及其详细说明，本领域技术人员将理解本发明的其它特征、目的和优势。

附图的简要说明

通过以下对附图的详细描述，上文所述的本发明的特点和优势将变得显而易见。在不同的附图中，相同的附图标记指示相同的结构元件，其中：

附图1是两电极电化学电池通常所接受的电子类似物的示意图。

附图2A是电压变化特征的图形。

附图2B是电容的示意图。

附图2C是描述附图2B中电容和附图2A中电压变化之间反应的图形，以及由该变化诱导的间接电流(indirect curren)。

附图3A是与附图2A中相同的电压变化特征的图形。

附图3B是显示并联连接的电容和电阻的示意图。

附图3C是描述附图3B中并联电阻和电容(导纳)对附图3A中电压变化的反应的图形。

附图4A是与附图2A和3A中相同的电压变化特征的图形。

附图4B是显示导纳以及连接在导纳输出和接地之间的电容的示意图。

附图4C是显示当电容放置在检测端和电接地之间时导纳对附图4A中电压变化的反应的图形。

附图5是显示某些飞机液压油在温度范围内其电阻研究的结果图形。

附图6是显示根据本发明的优选实施方案对某些飞机液压油在温度范围内进行测量的结果的图形。

附图7是采用本发明的优选实施方案在浓度范围内对多个水溶液测量的结果的图形。

附图8A-D是显示用不同的已知方法和本发明对蒸馏水温度特征的比较研究结果的图形。

附图9A-D是显示用不同的已知方法和本发明对自来水温度特征的比较研究结果的图形。

附图10A-D是以代表附图8A-D和附图9A-D方法中相对于组成变化的温度特征的方式，分别显示附图8A-D和附图9A-D的结果的图形。

附图11A是根据本发明一个实施方案的测量装置的示意图。

附图11B是用附图11A的装置进行测量的代表性波形。

附图12A是根据本发明一个可选实施方案的测量装置的示意图。

附图12B是用附图12A的装置进行测量的代表性波形。

附图13A是根据本发明另一可选实施方案的测量装置的示意图。

附图13B是用附图13A的装置进行测量的代表性波形。

附图14是用附图13A所示实施方案确定电池电容量的结果图形。

附图15是根据本发明另一可选实施方案的测量装置的示意图。

附图16A是根据本发明另一可选实施方案的测量装置的示意图。

附图16B是用附图16A的装置进行测量的代表性波形。

附图17A是根据本发明另一可选实施方案的测量装置的示意图。

附图17B是用附图17A的装置进行测量的代表性波形。

附图18A是根据本发明另一可选实施方案的测量装置的示意图。

附图18B是用附图18A的装置进行测量的代表性波形。

发明详述

附图1是一种公知的电化学电池参数及其与本发明相关的电子模拟物的比较示意图。两电极电化学电池概念上可分为第一或激励电极界面A，流体区域B，以及第二或传感电极界面C。附图1显示了用垂直点划线分界的所述三个部分。这三个部分限定了电流在激励电极1和传感电极2之间的流动路径。流体区域B具有已知的来自原子和分子极化以及流体中任一离子物质分离所产生的电容C_f。所述流体同时还具有已知的导电率或电阻R_f。这两个影响可以构成并联电阻和电容即公知的导纳模型。

参见附图1，两电极界面A和C也可以构成导纳模型。已知由于在电极和流体的扩散体积之间形成有层状分子层，因此电极-流体界面具有一电容。所述分子层称为Helmholtz层，其电荷分离，从而形成电容，C_ee和C_se，类似于电容器的两个靠得非常近的分隔放置的板。同样公知的是，这些层的排列和电容依赖于存在的电势，而通常的电容器不存在上述情况。每个电极界面A和C同样对电流具有已知的电阻R_ee和R_se。

附图2A，2B和2C表示了公知的电容器C对快速电压变化的反应。附图2A显示了在附图2B中电容C其中一侧的电波形。只要在短时间内有足够的电流对电容器C进行充电，电容C激励侧的电压将迅速跟随激励电压。在该例以及以下例子中，假设在激励侧具有理论电压源，其输出阻抗为0，在检测侧具有输入放大器，具有高电阻(＞10¹²欧姆)以及接地的零电容。激励电压开始为低电压，然后迅速变成高的正电压。

在附图2A-C中，稳态或直流电压被电容器C阻断。但是，激励电压的迅速改变产生了间接电。这是电容器C中的静电场导致的——当电荷位于一侧，另一侧上的电荷重新排列产生等于激励电荷的电荷，但是极性相反。由于具有与激励电压相同极性的电荷冲出，并被具有相反极性的电荷代替，因此这就导致了在检测侧产生了短暂、瞬时的电流。附图2C显示了可能在电容器C的检测侧产生的波形4。所测量的电压与以下成比例：

$V_{\mathrm{out}}=C*\frac{d{V}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{dt}}$

其中：C＝电容，t＝时间，V_in＝激励电压的改变。

如上述方程所示，脉冲幅度依赖于激励电压(V_in)改变的迅速程度。电压非常快速地升高将产生等于激励电压变化的脉冲幅度，但是不会比它大。电容器含有的电荷量与存在的电容器两端的电压及其电容有关，如下所示：

q＝CV

其中，q＝电荷，C＝电容，V＝电容器两端的电压。

在电容器C检测侧的结果脉冲的电流量等于由于激励电压的改变而导致的电容器C电荷的改变。由于本发明采用的输入放大器具有大而有限的输入电阻，经过所述电阻时电荷将被耗尽。如果没有通路使检测侧的电流流过，当电容器C达到静电平衡时，电压将等于激励电压。如果在检测侧放置接地的较低电阻，由于具有接地的较低电阻通路，电荷很快被耗尽，因此脉冲的宽度将缩小。对于快速升高的激励电压(激励电压改变的时间＜Δt)，所述脉冲形状等于：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*e^{\frac{-t}{\mathrm{RC}}}$

其中，R＝检测侧接地的电阻，C＝电容，e＝欧拉(Euler’s)数(自然对数的底数)，t＝时间增量。

该方程与电容放电的方程相同，其具有充分的理由。电容器“储存”的电荷量与其从激励电源吸收的相同，也与以该间接电所释放的相同。电容器实质上并不存储任何净电荷——其维持电荷的分离。所需要的对电容器进行“充电”的电流实质上转移至另一侧。在该过程中，形成电荷分离而且将其保持在电容器上，直至电容器放电时电荷被重新结合。

附图3A，3B和3C表示了导纳及其对快速变化的电压的反应。附图3A显示了激励波形3，其由快速转换成正电压的负电压所组成。附图3B的电路与附图2B中的电路的主要区别在于其包括了并联电阻R_p。

经过并联电容器C_p的间接电流再次使电压迅速升高至全激励电压。经过并联电阻R_p的电流将保持该电压，同时对电容器C_p进行放电，所检测的波形5参见附图3C。如果在检测侧加上接地的较低电阻，经过电容器C_p的间接电流仍然引起电压瞬间升高至全激励电压。然后电压以一定速率下降至某一电压水平，所述速率由接地电阻确定，所述电压水平由并联电阻R_p和接地电阻的分压决定。

通过比较，附图4B采用了附图3B的导纳，并在检测侧增加了接地电容C_out。如前所述，如果在导纳的输出端增加电阻，由于间接电流流经电容C_p，电压仍然会瞬间升高。相反，在输出端采用电容C_out将由于间接电流流经导纳电容C_p而导致的电压升高降至最小。所述电荷立即被两个电容C_p和C_out“分配”，减小了检测的瞬时电压升高。可看出的瞬时电压升高是两个电容C_p和C_out分配电流的结果，与电容比率成比例，如：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*\left(\frac{C_{\mathrm{out}}}{C_p+C_{\mathrm{out}}}\right)$

当输出电压小于输入电压，两个电容器C_p和C_out将继续从导纳电阻R_p吸取电流，从而为接地电容C_out充电，并将导纳电容C_p放电至输入电压水平。上述为互补的过程，表示为：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*(1-e^{\frac{-t}{R_p{C}_{\mathrm{out}}}})$

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*e^{\frac{-t}{R_p{C}_p}}$

接地电容充电                导纳电容放电

实际上，在考虑了初始、即时的间接电流流经导纳电容C_p之后，可以将两个电容C_p和C_out看作是两个并联充电电容。可以对并联电容进行求和，得到它们的联合影响，因此：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*(1-e^{\frac{-t}{R_p(C_p+C_{\mathrm{out}})}})$

将上述方程与经过导纳电容器C_p的间接电流的分配电流方程结合起来，作为接地电容器C_out，得到：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}*[1-\left(\frac{C_{\mathrm{out}}}{C_p+C_{\mathrm{out}}}\right)*e^{\left(\frac{-t}{R_p(C_p+C_{\mathrm{out}})}\right)}]$

在特殊情况下，V_in迅速而且不连续地从0伏改变至V_in，该方程给出了附图4A-4C中电路输出电压的准确描述。附图4C所示的输出波形显示了瞬时电压升高6和由上述方程表述的充电/放电波形7，但是经双极激励电源电压调整。

所述电路的一个显著特征是，就间接电流而言，C_p电容的影响比充电电流大。换言之，通过流过的间接电流，C_p缩短了输出电压升高时间，其对输出电压升高时间的影响大于通过并联电阻R_p的放电而延长升高时间。其原因是，非直接电流瞬时流过，而充电/放电电流与时间相关。其与导纳电容C_p的预期效果相反——实际上较大的值缩短了电路的总体升高时间，由以下决定：

$V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{in}}*\frac{C_{\mathrm{out}}}{C_p+C_{\mathrm{out}}}$

附图3B和4B中所示的导纳电路也可以用于简化附图1中所示的常见电化学示意图。在此情况下，附图1的电路被认为是电阻R_ee，R_f和R_se的串联组合与电容C_ee，C_f和C_se的串联组合相并联。换言之，附图3B和4B的导纳值可以用以下代替：

R_p＝R_ee+R_f+R_se

以及

$C_p=\frac{1}{\frac{1}{C_{\mathrm{ee}}}+\frac{1}{C_f}+\frac{1}{C_{\mathrm{se}}}}$

在上述方程中，其对电路行为进行了良好的初步近似和简化描述。从上述方程可以发现另一个有趣点——即三个导纳电容器的电容越小，其对电路具有最大的影响。这是非常重要的，这是因为是流体电容C_f几乎总是比电极界面C_ee和C_se的电容小的多。其原因非常简单，源自所使用的探针的几何形状，其中可以从简单平板电容的通用方程计算出电容：

$C=\frac{\mathrm{\ϵA}}{D}$

其中，ε＝总的电容率，A＝每块板的面积，D＝板间距离。

由上述可知，板间距离越大，电容越小。在附图1的电极界面A和C中，电容C_ee和C_se板间的距离为分子水平，电极表面至“扩散”层和/或Helmholtz层表面之间的距离以埃或纳米计。电极本身通常用毫米至分米的范围分隔开，即流体电容C_f的距离。在该方法中，流体电容C_f起主要作用，有助于消除某些影响电极界面A和B的电容C_ee和C_se的电化学效应，例如公知的由于施加电压而发生的改变。

如果检测侧很少或没有通路接地，也就是说，当传感放大器阻抗非常高，通过导纳的唯一电流是需要对导纳电容C_p进行放电以及对输出电容C_out进行充电的电流。其限制了经过流体的电流量，从而也减少了电极表面和流体中可能发生的化学变化。通过采用双极激励电压和/或当进行测量时仅仅与激励电压连接，可以进一步减少上述效应。

同样，当采用高输入电阻输入放大器，当电池达到平衡，传感电压将接近或等于输入电压，因此传感电压将与输入电压一样大。这就意味着很少需要或不需要信号调节或放大。在输入放大器上加上较小的接地电阻将减少传感电压，导致额外电流恒定通过电池。

本发明测量了传感电压达到特定电压所需的时间，或在特定时间内达到的电压。前者可以使用任一电压水平，但是对于双极激励电压采用电压水平为0伏，或者是流向和来自接地端的激励电压的一半可以使设计更加简单，并有助于减少电噪声的影响。所述时间间隔或电压给出了对本文所述复杂效应的单个测量。上述测量是公知的，非常适合于数字电路或转换成模拟信号。

大多数流体对于温度升高具有可预测的反应，包括流体电阻和电容以不同的通常为非线性的速率下降。其它方法需要复杂的补偿以说明这些变化，特别是当流体组成发生变化。在本发明中，可以调整不同的设计元件、探针结构和输入电容，从而使系统对多个温度变化进行“自补偿”。如果流体电容随着温度的升高而下降，瞬时导抗响应将升高，然而流体电阻的下降将降低瞬时导抗响应。

附图5和6表示对飞机液压油进行研究的数据。出于成本的原因，在飞机系统中从不完全替换这些油。相反，给空运维修人员的指导方针是加满所缺少的油。所述油的特殊分解模式产生了酸性成分，其可以导致液压系统部分的破坏性腐蚀。附图5和6中的两个图表示了流体电阻的读数和本发明分别对新油、用过的油以及两者的混合样品进行的测量，所述混合物中两者的混合比例为50∶50。

特别地，附图5是一组在不同温度下对上述样品的电阻读数，并显示了在温度范围内使用电阻(或导电率)测量可能遇到的问题。在两个例子中，采用相同的两个简单铜丝探针。对于电阻，采用具有HP5306A多用途仪表的Hewlett Packard(HP)5300测量系统。在使用中，不能对该方法进行温度补偿，其原因是新油的读数与其它样品的读数相交叉。即使知道读数是在某一特定温度下读取的，也无法知道如何进行补偿，这是因为不可能将组成效应与温度效应区分开来。

附图6显示了采用本发明的结果。对于用本发明进行的测量，采用GW GFG8016G信号发生器作为激励电源，采用Tektronix TDS 210示波器进行测量，具有10Mohm×10的探针。所述探针的电容和示波器的输入电路系统本身用作输入电容器，C_out。附图6显示了用该方法可以清楚区分组成效应和温度效应。在此情况中，需要进行简单的温度补偿从而在宽的温度范围内对油进行准确的定性测量。

附图7显示了采用本发明对四个不同水溶液进行浓度测量的结果。所述结果显示该方法的离子灵敏度类似于常规导电率的测量。在此情况下，所述组成对水的介电常数改变极小，但是改变了影响C_out和C_p充电/放电的流体电阻。显然，可以在PPB或更小范围内进行测量，浓度越小，灵敏度最大。

更重要地是，附图6和7显示可以用本发明进行检测的范围广泛的流体。通过调整探针设计和传感放大器输入电容，实际上可以用该方法定性检测任意流体或含有流体的材料。

附图8A-D，9A-D和10A-D显示了对如图6所示的本发明和三个常用方法的比较：导电率、电容和固有时间常数。附图8A-D显示了附图8A的本发明和其它三个方法的结果，附图8B显示了电阻或导电率的倒数，附图8C显示了电容，附图8D显示了固有时间常数，所有均是在80-200°F范围内对蒸馏水进行测量。附图9A-D显示了分别用所述四个方法在同样温度范围内对自来水进行测量的结果。附图10A-D分别比较了每个方法的结果，采用蒸馏水的结果对自来水的结果作图。

选择自来水作为常用的复合电解液。比较附图8A-D和附图9A-D的结果，其清楚地显示，除了本发明的方法，其它每个方法均对温度变化具有响应，并依赖于流体组成的变化程度，从而每个方法都具有不同的特征曲线。在附图8A-D和9A-D中，本发明具有非常类似的特征温度响应。

在附图10A-D中，对每个方法用蒸馏水的响应和自来水的响应作图，进一步显示这些区别。附图10A代表本发明，显示对蒸馏水和自来水的温度响应之间具有非常好的线性关系。这意味着，虽然所述测量对所述流体的组成均有明显的敏感性，但是本发明对于由于组成改变所导致的与温度相关的效应不敏感。附图10B，10C和10D显示了所述三种已知方法具有温度响应，所述温度响应根据流体组成变化非常大。

对于准确使用任一定性流体检测系统，需要进行温度补偿。这些图形显示，三种已知方法(导电率、电容和固有时间常数)还要求对流体组成有一定的了解，从而进行准确的温度补偿。然而，对于本发明来说，在广泛的温度和流体组成范围内，单个补偿就可以了，因此只需要了解温度。

附图11A显示了根据本发明的基本测量装置。激励信号源8与激励电极9直接相连。电极9和10浸在流体样品12中。传感电极10连接输入电容为C_out的输入放大器11。采用本发明进行的任一特定的单个测量提供了代表电池中不同电化学效应的值，主要是流体和电极界面的电阻和电容。附图11B显示用该电路进行测量得到的代表性波形。

附图12A显示了本发明的另一实施方案。在该实施方案中，采用差动放大器11对激励电极9和传感电极10之间的电压差进行测量。激励电极9的电压减去传感电极10的电压给出了电池平衡状态的量度。当处于平衡时，电压接近于0，这是由于两个电极的电压实际上是相同的。当激励电压转换至新的电压水平，所述输出电压立即升高至电压状态之差，在新的激励电压下电池达到平衡，输出电压又减少至接近0伏，其如图12B所示。对于达到特定电压水平的时间间隔和在特定时间间隔达到的电压，也可以测量所述脉冲输出，其中的任一个都是瞬时导抗响应的量度。

附图13A显示了本发明的另一个实施方案，包括加入串联电阻R_s。在该实施方案中，激励信号源8通过串联电阻R_s与激励电极9相连。电极9和10浸在流体样品12中。传感电极10与输入电容为C_out的输入放大器11相连。通过进行两次或多次测量，每次串联电阻R_s(可以是零电阻)具有不同的值，两次测量之间的区别主要是串联电阻R_s和系统电容之间所形成的时间常数的结果。附图13B显示了该实施方案的两个代表性波形，一个为低R_s，另一个为高R_s。

附图14显示了如何利用上段所描述的以及附图13B中显示的测量区分由于溶剂改变而导致的性质改变。附图14中，对蒸馏水、乙醇和两者各50％的混合物样品，用它们的升高时间对串联电阻R_s进行作图。每个均具有清楚显著的斜率。所述斜率基本上与电容以及由此的流体介电常数成比例。

附图15显示了类似于附图13的本发明的另一个实施方案，其包括一加入的串联电阻。在附图15中，采用电阻随温度改变的电子组件可以作为简单的温度补偿方法。通过用元件R_PTC代替串联电阻R_s，所述元件R_PTC例如热敏电阻、包括一个或多个热敏电阻的电阻网络、或能够响应温度变化改变电阻R_s的电路，然后将元件R_PTC与流体热接触，从而可以构建自我补偿探针。通过适当地与探针和流体相匹配，当温度变化时，元件R_PTC可以改变瞬时导抗响应，从而补偿温度的改变。如前所示，制作上述的在广泛温度和流体组成范围内适用的自我补偿探针，本发明可以对组成温度依赖性不敏感。

附图16A显示了本发明的另一实施方案，在激励电源上增加串联电阻。与流经电池进入输入电容的电流相反，所述实施方案可以对进入电池的电流进行测量。在该实施方案中，电压传感装置跨接在串联电阻R_s上。所测得的电压等于由电池带动的电流乘以R_s的电阻，附图16B为输出波形。在此情况下，由于电池电流的最大量主要由串联电阻R_s和激励电极界面电容C_ee决定，电压波形的最高值可以随着瞬时导抗响应而改变。所述峰值电压改变在某些情况下可用于增加测量的灵敏度，以及主要用于测量激励电极电容C_ee。

附图17A显示了本发明的另一实施方案，其有些类似于附图16所示的方案。在该实施方案中，电压传感装置与激励电极和电路接地相连。所测得的电压等于激励电压减去电流通过R_s所产生的R_s的两端电压，如下：

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{in}}-(I_{R_s}*R_s$

附图17B显示了附图17A电路的波形。在该例中，所达到的最高电压基本上为V_in，而不是由附图16A所示电路中流经R_s的电流所决定的电压。

附图18A显示了本发明的另一个实施方案，其中电压传感装置与激励电极9和传感电极10相连，如附图12A所示。在该实施方案中，尽管类似于附图13至17所示，在激励电源8和激励电极9之间加入串联电阻R_s。附图18B显示了该实施方案的代表性波形。如附图12A-B所示，所述实施方案产生代表电池平衡状态的电压脉冲，但是所述脉冲的最高电压峰值限于激励电压输入减去串联电阻R_s两端的电压降，所述电压降的原因是电流流过串联电阻R_s。

尽管参照优选实施方案对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应这样理解，在不偏离本发明精神的情况下，可以对其进行某些替换、更改或省略。因此，上述描述仅仅作为示例，而不是对下述权利要求所要求的本发明范围的限制。

Claims (26)

1.一种获得流体瞬时导抗响应的装置，包括：

第一电极和第二电极，所述第一和第二电极相互分隔放置，并均与流体接触；

为第一电极提供随时间变化的激励电压的激励电源，所述激励电源能够在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换；

位于第二电极和电接地或电路接地之间的电容，所述接地具有确定的接地电压；

用于检测位于所述装置预定位置的传感电压的电压检测器；

用于确定在第一和第二确定电压水平之间转换的一个或多个时间间隔的计时装置，其中所述一个或多个时间间隔可与每个间隔的传感电压相关，并且每时间间隔的传感电压测量代表瞬时导抗响应的速率。

2.如权利要求1所述的装置，其中在第一电极上交替施加第一和第二电压水平并持续特定时间阶段。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述传感电压与由于在第一电极上施加激励电压而从第一电极经流体流向第二电极传感电压的电荷成比例。

4.如权利要求1所述的装置，其中电压检测器具有高输入电阻，以使外部电流最小。

5.如权利要求1所述的装置，其中计时装置能够确定传感电压何时达到一个或多个经选择的电压水平。

6.如权利要求1所述的装置，其中电压检测器能够确定在一个或多个时间间隔的传感电压。

7.如权利要求1所述的装置，其中每时间间隔的传感电压的变化速率作为数字或模拟输出而被提供，所述速率代表流体瞬时导抗响应。

8.如权利要求1所述的装置，其中激励电源具有最小的输出电阻，从而使第一电极的电容在接收激励电压时立即充电。

9.如权利要求1所述的装置，其中连接电压检测器以检测电容两端的电压。

10.如权利要求1所述的装置，其中连接电压检测器以检测第一电极和第二电极之间的电压。

11.如权利要求1所述的装置，其中将串联电阻电连接于激励电源和第一电极之间。

12.如权利要求11所述的装置，其中连接电压检测器以检测电容两端的电压。

13.如权利要求11所述的装置，其中连接电压检测器以检测串联电阻两端的电压。

14.如权利要求11所述的装置，其中连接电压检测器以检测接地端和第一电极之间的电压。

15.如权利要求11所述的装置，其中连接电压检测器以检测第一电极和第二电极之间的电压。

16.如权利要求1所述的装置，其中在激励电源和第一电极之间连接响应流体温度变化的可变电阻。

17.一种获得流体瞬时导抗响应的装置，包括：

第一电极和第二电极，所述第一和第二电极相互分隔放置，均与流体接触；

为第一电极提供随时间变化的激励电压的激励电源，所述激励电源能够在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间相互转换，在所述第一电极上交替施加第一和第二电压水平并持续特定时间阶段；

位于第二电极和电接地或电路接地之间的电容，所述接地具有确定的接地电压；

能够检测由于在第一电极上施加激励电压从而流经流体的电荷的检测装置，其中所述检测装置具有高输入电阻，以使外部电流最小；以及

能够确定每时间间隔一个或多个电荷变化速率的测定装置，上述一个或多个速率代表流体的瞬时导抗响应，所述测定装置能够提供作为数字或模拟输出的瞬时导抗响应。

18.一种获得流体瞬时导抗响应的方法，包括以下步骤；

a)将流体与第一电极和第二电极接触，所述第一和第二电极分隔放置；

b)在第一电极上施加激励电压，所述激励电压在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换；

c)在第二电极和电接地或电路接地之间提供电容，所述接地端具有确定的接地电压；

d)检测通过串联电阻在第一电极上所施加的激励电压而导致的传感电压；以及

e)确定每时间间隔所述传感电压的一个或多个改变速率，上述速率代表了流体的瞬时导抗响应；以及

f)提供作为数字或模拟输出的代表瞬时导抗响应的测量速率。

19.如权利要求18所述的方法，其中在第一电极上交替施加第一和第二确定电压水平并持续特定时间阶段。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述串联电阻为0。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述传感电压与由于在第一电极上施加激励电压而从第一电极经流体流向第二电极传感电压的电荷成比例。

22.如权利要求18所述的方法，其中通过高输入电阻进行所述检测步骤，从而将外部电流降至最小。

23.一种获得流体瞬时导抗响应的方法，包括以下步骤；

a)将流体与第一电极和第二电极接触，所述第一和第二电极相互分隔放置；

b)在第一电极上施加随时间变化的激励电压，所述激励电压在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换，在第一电极上交替施加第一和第二确定电压并持续特定时间阶段；

c)提供接触于在第二电极和电接地或电路接地之间的电容，所述接地端具有确定的接地电压；

d)检测由于在第一电极上施加激励电压而得到的传感电压，其中通过高输入电阻进行所述检测步骤，从而将外部电流降至最小；以及

e)确定每时间间隔所述传感电压的一个或多个改变速率，上述速率代表了流体的瞬时导抗响应；以及

f)提供作为数字或模拟输出的代表瞬时导抗响应的测量速率。

24.一种区分具有不同介电常数的流体的方法，包括以下步骤：

a)将流体与第一电极和第二电极接触，所述第一和第二电极相互分隔放置；

b)在第一电极上施加随时间变化的激励电压，所述激励电压在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换，在第一电极上交替施加第一和第二确定电压并持续特定时间阶段；

c)提供接触于第二电极和电接地或电路接地之间的电容，所述接地端具有确定的接地电压；

d)由于在第一电极上施加激励电压，电荷从第一电极经流体流至第二电极，检测与所述电荷成比例的传感电压，其中以高输入电阻进行所述检测步骤，从而将外部电流降至最小；以及

e)重复步骤a-d)，从而实现两个或多个瞬时导抗响应测量，其中用施加在激励电压上的串联电阻的不同值确定每个测量结果；以及

f)提供作为数字或模拟输出的代表瞬时导抗响应的测量速率。

25.如权利要求24所述的方法，其中的一个测量是以电阻值为零的串联电阻进行的。

26.一种测量流体瞬时导抗响应的方法，包括以下步骤；

a)将流体与第一电极和第二电极接触，所述第一和第二电极相互分隔放置；

b)在第一电极上施加随时间变化的激励电压，所述激励电压在第一确定电压水平和与之不同的第二确定电压水平之间转换，在第一电极上交替施加第一和第二确定电压并持续特定时间阶段；

c)在激励电压和第一电极之间提供可变电阻，其电阻响应于流体的温度变化；

d)提供接触于第二电极和电接地或电路接地之间的电容，所述接地端具有确定的接地电压；

e)检测与由于在第一电极上施加激励电压而从第一电极经流体流至第二电极的电荷成比例的传感电压，其中以高输入电阻进行所述检测步骤，从而将外部电流降至最小；以及

f)确定每时间间隔所述传感电压的至少一个改变速率，上述速率代表了流体的瞬时导抗响应；以及

g)提供作为数字或模拟输出的代表瞬时导抗响应的测量速率。

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