一种丝网探针浓度探测装置的校正系统及方法

摘要

本发明提供了一种丝网探针浓度探测装置的校正系统及方法。包括水浴恒温箱、上封头、下封头、标准电导率仪以及丝网探针浓度探测装置，丝网探针浓度探测装置夹持在上封头与下封头中间，上封头与下封头通过法兰固定并形成一个用于容纳测量溶液的密封容器；标准电导率仪用于检测密封容器内的测量溶液的浓度；密封容器设置在水浴恒温箱内，水浴恒温箱调节密封容器内的温度。本发明将标准测量溶液的电导率和丝网探针测量到的电导率对比，获得丝网探针各个电极的电导率修正关系式。调整水浴温度，测量不同温度条件下的电导率，获得丝网探针浓度探测装置的温度修正关系式。校正后的装置可以直接测量测量溶液的浓度。

权利要求

1.一种丝网探针浓度探测装置的校正方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将已知浓度的测量溶液倒入密封容器内，调整水浴恒温箱温度并记录，用标准电导率仪测量测量溶液的电导率并记录；

步骤S2：改变测量溶液的浓度，并记录标准电导率仪和丝网探针浓度探测装置所有电极的电流信号；

步骤S3：改变水浴恒温箱温度，并记录标准电导率仪和丝网探针浓度探测装置所有电极的电流信号；

所述步骤S2中，记录丝网探针浓度探测装置测量的电流信号I，将电流信号I转换为电导率信号：KWMS＝IL/UA，其中L为电极的间距，U为电压值，A为电极的截面积；

所述步骤S2中，测量不同浓度测量溶液条件下标准电导率仪和丝网探针浓度探测装置测量的读数，采用修正公式将丝网探针浓度探测装置测量的读数修正为标准读数：Kst＝a*KWMS+b，其中a、b表示修正系数；

步骤S1中采用标准电导率仪测量测量溶液浓度为0.001～0.2mg范围内的电导率，并根据电导率的变化特点来拟合电导率和浓度之间的关系：1)如果测量溶液的电导率随浓度增加而线性增加，则拟合关系式形式为：C＝a*Kst+b；2)如果测量溶液的电导率不随浓度增加而线性增加，则拟合关系式形式为： 其中a、a1、a2、b表示常数；

步骤S3中采用标准电导率仪测量测量溶液在0～60℃范围内的电导率，拟合电导率随温度变化的修正关系式：Kst＝KC/[1+a(T‑25)]，其中KC为在温度T℃下测定溶液的电导率值，T为测定时溶液的温度，a为盐离子电导率的温度系数，参考值为0.022。

2.一种基于权利要求1所述的丝网探针浓度探测装置的校正方法的丝网探针浓度探测装置校正系统，其特征在于，包括水浴恒温箱、上封头、下封头、标准电导率仪以及丝网探针浓度探测装置，其中：

丝网探针浓度探测装置夹持在上封头与下封头中间，上封头与下封头通过法兰固定并形成一个用于容纳测量溶液的密封容器；

标准电导率仪用于检测密封容器内的测量溶液的浓度；

密封容器设置在水浴恒温箱内，水浴恒温箱调节密封容器内的温度。

3.根据权利要求2所述的丝网探针浓度探测装置校正系统，其特征在于，所述丝网探针浓度探测装置与上封头、下封头之间设置有绝缘垫片。

4.根据权利要求2所述的丝网探针浓度探测装置校正系统，其特征在于，所述水浴恒温箱包括用于加热的电加热棒和/或用于冷却的冷却管。

5.根据权利要求2所述的丝网探针浓度探测装置校正系统，其特征在于，所述上封头上设置有开口，通过所述开口注入测量溶液。

6.根据权利要求2所述的丝网探针浓度探测装置校正系统，其特征在于，还包括用于检测测量溶液温度的温度检测装置。

说明书

一种丝网探针浓度探测装置的校正系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工程流体力学、环境水力学、信号与信息处理领域，具体地，涉及一种丝网探针浓度探测装置的校正系统及方法。

背景技术

[0002] 单相流体浓度的准确测量对工程流体力学、反应堆热工水力和环境水力学等领域有着重要意义。丝网探针是一种便于安装和操作的先进测量装置，通过布置两层相互垂直
但不接触的不锈钢丝来形成若干电极。不锈钢丝的直径一般在0.02～0.1mm之间，所测量的
流场受到的干扰可忽略不计。丝网探针中各层电极排布紧凑，通过分析各个电极的电信号
来获得当地的电导率、空泡份额等信息，由此可实现流场的全截面测量。目前，常用的丝网
探针主体为PCB板，不锈钢丝通过锡焊的方式焊接在PCB板上。然而，由于PCB板上电极的位
置不同，电极对应的不锈钢丝到电源的距离也不同。因此，即便在相同的流场中，同一个PCB
板上不同位置的电极产生的电信号也存在一定的差异。此外，盐溶液的电导率受温度变化
的影响显著。以KCl溶液为例，温度每升高5℃，溶液的电导率将增加5％～10％。因此，有必
要设计一种专用的校正系统对丝网探针浓度测量仪进行校正，使其可以准确测量不同温度
条件下盐溶液的浓度分布。

发明内容

[0003] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种丝网探针浓度探测装置的校正系统及方法。

[0004] 根据本发明提供的一种丝网探针浓度探测装置的校正系统，包括水浴恒温箱、上封头、下封头、标准电导率仪以及丝网探针浓度探测装置，其中：

[0005] 丝网探针浓度探测装置夹持在上封头与下封头中间，上封头与下封头通过法兰固定并形成一个用于容纳测量溶液的密封容器；

[0006] 标准电导率仪用于检测密封容器内的测量溶液的浓度；

[0007] 密封容器设置在水浴恒温箱内，水浴恒温箱调节密封容器内的温度。

[0008] 优选地，所述丝网探针浓度探测装置与上封头、下封头之间设置有绝缘垫片。

[0009] 优选地，所述水浴恒温箱包括用于加热的电加热棒和/或用于冷却的冷却管。

[0010] 优选地，所述上封头上设置有开口，通过所述开口注入测量溶液。

[0011] 优选地，还包括用于检测测量溶液温度的温度检测装置。

[0012] 根据本发明提供的一种基于上述的丝网探针浓度探测装置的校正系统的丝网探针浓度探测装置的校正方法，包括如下步骤：

[0013] 步骤S1：将已知浓度的测量溶液倒入密封容器内，调整水浴恒温箱温度并记录，用标准电导率仪测量测量溶液的电导率并记录；

[0014] 步骤S2：改变测量溶液的浓度，并记录标准电导率仪和丝网探针浓度探测装置所有电极的电流信号；

[0015] 步骤S3：改变水浴恒温箱温度，并记录标准电导率仪和丝网探针浓度探测装置所有电极的电流信号。

[0016] 优选地，所述步骤S2中，记录丝网探针浓度探测装置测量的电流信号I，将电流信号I转换为电导率信号：KWMS＝IL/UA，其中L为电极的间距，U为电压值，A为电极的截面积。

[0017] 优选地，所述步骤S2中，测量不同浓度测量溶液条件下标准电导率仪和丝网探针浓度探测装置测量的读数，采用修正公式将丝网探针浓度探测装置测量的读数修正为标准
读数：Kst＝a*KWMS+b，其中a、b表示修正系数。

[0018] 优选地，步骤S1中采用标准电导率仪测量测量溶液浓度为0.001～0.2mg范围内的电导率，并根据电导率的变化特点来拟合电导率和浓度之间的关系：1)如果测量溶液的电
导率随浓度增加而线性增加，则拟合关系式形式为：C＝a*Kst+b；2)如果测量溶液的电导率
不随浓度增加而线性增加，则拟合关系式形式为： 其中a、a1、a2、b表示
常数。

[0019] 优选地，步骤S3中采用标准电导率仪测量测量溶液在0～60℃范围内的电导率，拟合电导率随温度变化的修正关系式：Kst＝KC/[1+a(T‑25)]，其中KC为在温度T℃下测定溶液
的电导率值，T为测定时溶液的温度，a为盐离子电导率的温度系数，参考值为0.022。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0021] 1、本发明结构合理，设计巧妙，实现了对丝网探针浓度探测装置的校正；

[0022] 2、本发明采用恒温水箱，能够快速的实现对温度的调节；

[0023] 3、本发明通过对导电率的测量以及修正关系的调整，保证了校正装置校正的准确性，校正后的装置可以直接测量测量溶液的浓度。

附图说明

[0024] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0025] 图1为丝网探针原理示意图。

[0026] 图2为丝网探针校正系统示意图。

[0027] 图3为丝网探针与标准电导率仪的电导率测量值对比示意图。

[0028] 图4为低浓度条件下基于标准电导率仪测量值的电导率‑浓度拟合关系式示意图。

[0029] 图5为高浓度条件下基于标准电导率仪测量值的电导率‑浓度拟合关系式示意图。

[0030] 图6为温度变化对基于标准电导率仪测得的电导率的影响示意图。

[0031] 图中示出：

[0032] 水浴恒温箱1

[0033] 上封头2

[0034] 下封头3

[0035] 上封头法兰4

[0036] 下封头法兰5

[0037] 丝网探针电导率仪6

[0038] VGA插座7

[0039] 绝缘垫片8

[0040] KCI溶液9

[0041] 去离子水10

[0042] 螺旋式冷却管11

[0043] 电加热棒12

[0044] 搅混器13

具体实施方式

[0045] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。

[0046] 结合附图1，丝网探针的主体为PCB板，将PCB板部分区域镂空作为流体流道。在PCB板的正反两面分别焊接两组相互垂直但不接触的不锈钢丝，一组不锈钢丝作为信号发射
极，另一组不锈钢丝作为信号接收极。两层不锈钢丝交叉的位置将形成电极，接通电源后产
生的电流信号经信号放大器处理后被取样保持电路接收。其中，接收极收到的电流信号与
电极间溶液的电导率有关。

[0047] 结合附图2，上封头和下封头通过导热性较好的金属材料制造，这样便于快速调整KCl溶液的温度。将丝网探针夹持在上封头和下封头之间并通过法兰固定，从而形成一个大
空间容器。丝网探针与上下封头之间通过绝缘垫片绝缘，避免干扰电流信号的采集。将一定
浓度的KCl溶液通过上封头顶部的小孔倒入容器中，同时浸没丝网探针的所有电极。

[0048] 结合附图2，将装有KCl溶液的容器放入水浴恒温箱中，水浴恒温箱中的流体为去离子水。水箱中水温通过螺旋式冷却管和电加热棒调整，水箱底部还安装了搅混器，确保水
箱中水温分布均匀。将水浴恒温箱的水温调整到一定范围后，启动丝网探针的采集系统并
记录各个电极的电流信号。同时，将标准电导率仪的探头放入上封头的小孔中，测量KCl溶
液的标准电导率。另外，将一根T型热电偶放入上封头的小孔中，测量KCl溶液的温度。重复
上述操作，获得不同浓度和温度条件下的电流信号和标准电导率值。

[0049] 检测时记录丝网探针浓度探测装置的电流信号I，将电流信号转换为电导率信号：KWMS＝IL/UA，其中L为电极的间距，U为电压值，A为电极的截面积。由于各个电极之间存在差
异，因此每个电极的电信号I(x,y)各不相同。通过电导率与电流信号之间的关系，获得每个
电极对应的电导率：

[0050] KWMS(x,y)＝I(x,y)L/A

[0051] 式中，(x,y)为丝网探针电极的编号。

[0052] 结合附图3，丝网探针中每个电极采集到的电导率存在一定差异，通过同步测量的标准电导率对每个电极进行修正。每个电极有各自的修正系数：

[0053] Kst(x,y)＝a(x,y)*KWMS(x,y)+b(x,y)

[0054] 结合附图4和附图5，在25℃条件下，拟合KCl溶液浓度C和标准电导率Kst的关系式。浓度范围为0.001～0.02mg时，拟合关系式的形式为：

[0055] C＝a*Kst+b

[0056] 浓度范围为0.02～0.2mg时，拟合关系式形式为：

[0057]

[0058] 结合附图6，KCl溶液的电导率受温度影响较大，当测量的KCl溶液的温度不是25℃时，通过温度的修正关系式对电导率进行修正：

[0059] Kst＝KC/[1+a(T‑25)]

[0060] 式中，KC为在温度T℃下测定溶液的电导率值，T为测定时溶液的温度，a为盐离子电导率的温度系数，参考值为0.022。

[0061] 通过上述关系式编写后处理程序，直接将丝网探针采集到的电流信号转化为KCl溶液的浓度。由于已知修正关系式，编写程序不再具体展开。

[0062] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位
置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0063] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。