專利名稱：通過瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)對(duì)流體的存在和性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量流體和含流體材料的存在和各種性質(zhì)的方法。尤其是，本發(fā)明描述了在對(duì)流體進(jìn)行單個(gè)采樣或連續(xù)流動(dòng)監(jiān)測(cè)中檢測(cè)微小組成變化的方法，其具有非常高的靈敏度、以及簡化的溫度補(bǔ)償、探針設(shè)計(jì)、材料和電子控制設(shè)備。
背景技術(shù)：
在許多科研和工業(yè)過程以及終端用戶應(yīng)用中使用了各種各樣的流體。對(duì)這些流體進(jìn)行初始的、過程中的以及使用中的測(cè)試通常有助于防止發(fā)生潛在的問題。許多方法依賴于將流體、漿液、懸浮物或濕的材料進(jìn)行精確混合，并要求對(duì)所得到的混合物有準(zhǔn)確反饋。終端用戶通常依賴于流體、漿液、懸浮物或濕的材料的準(zhǔn)確組成，以安全有效地使用。對(duì)這些材料進(jìn)行定性分析通?？梢苑乐勾鷥r(jià)昂貴的錯(cuò)誤、損傷或損害。
由于通常上述任意流體都具有介電常數(shù)、導(dǎo)電率以及雙層效應(yīng)，其中每一個(gè)均產(chǎn)生復(fù)雜的電響應(yīng)，因此，一直以來對(duì)流體組成的電子分析非常復(fù)雜。盡管對(duì)這些性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量非常普遍，但是由于設(shè)備存在困難，例如探針設(shè)計(jì)、不穩(wěn)定的溫度依賴以及復(fù)雜的電子控制設(shè)備，因此，為了得到準(zhǔn)確、靈敏的結(jié)果，這些測(cè)量非常麻煩。
在使用中或在過程中進(jìn)行控制通常需要能夠處理流動(dòng)、壓力和溫度的各種水平，并同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量組成變化的傳感器。現(xiàn)有的測(cè)量流體介電常數(shù)或?qū)щ娐实姆椒ㄒ笊鲜鋈我挥绊懸蛩鼐哂蟹浅Ｐ〉淖兓秶?，或者要求?duì)它們進(jìn)行極端的以及技術(shù)上非常復(fù)雜的補(bǔ)償。
流體的介電常數(shù)是常用的與流體相關(guān)的定性量度。眾所周知，固體的介電常數(shù)是分子響應(yīng)外場(chǎng)而產(chǎn)生極化或轉(zhuǎn)移其內(nèi)部電荷的能力的量度。對(duì)于流體，分子也能夠根據(jù)場(chǎng)來回移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和/或在流體內(nèi)遷移。在電子術(shù)語中，介電常數(shù)是電容器的模擬。
有許多已有專利涉及對(duì)流體電容的測(cè)量。美國專利No.4132944，5497753和5507178是電容測(cè)量技術(shù)的代表性例子。
導(dǎo)電率(電阻的倒數(shù))是另一個(gè)用于定性指示流體構(gòu)成和流體中帶電物質(zhì)的常用量度。流體中的帶電物質(zhì)或離子使得電子在流體中通過。存在的離子越多，流體的電阻越小，可以通過流體的電流強(qiáng)度越大。在電子術(shù)語中，該現(xiàn)象為電阻的模擬。
有許多申請(qǐng)是關(guān)于流體導(dǎo)電率的測(cè)量，包括美國申請(qǐng)No.4132944，4634982，6169394和6232783，所有這些均是基于導(dǎo)電率的應(yīng)用的代表性例子。
上述兩個(gè)量度受溫度和其它因素的影響很大。在很多情況下，這些廣泛變化背后的精確理論并不是直接已知或可以可靠預(yù)測(cè)的，其變化很大程度上依賴于組成。
過去人們對(duì)導(dǎo)電率和介電性質(zhì)一起進(jìn)行測(cè)量以嘗試簡化和解決上述強(qiáng)調(diào)的許多問題。美國專利No.4516077和6169394代表了這種方法。在后一專利中，對(duì)流體的電阻抗(也就是，并聯(lián)電阻和電容的效應(yīng))進(jìn)行綜合測(cè)量。不幸的是，該方法采用復(fù)雜電子設(shè)備產(chǎn)生范圍廣泛的激發(fā)頻率，但是沒有提及例如溫度依賴等的變化。
在美國專利No.4516077中描述了在包括有限數(shù)目溶劑的溶液中有用的傳感器，所述溶液包括水、乙醇和乙二醇。該發(fā)明包括以下方法，對(duì)流體進(jìn)行電子充電、斷開充電設(shè)備，然后測(cè)量流體電荷消耗所需的時(shí)間(稱為“固有時(shí)間常數(shù))。該發(fā)明實(shí)質(zhì)上測(cè)量了極化和電荷在沒有任何外部電影響下重新達(dá)到平衡的再擴(kuò)散率，該方法受溫度和流體流速的影響很大。
電極-流體界面使得對(duì)任一流體性質(zhì)的測(cè)量變得復(fù)雜。每個(gè)上述界面包括其本身的電阻和電容，眾所周知，它們通常比流體本身的電阻和電容都大。在流體中引入電流導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)引起電極腐蝕和污染。通常需要對(duì)傳感電壓和電流進(jìn)行放大和信號(hào)調(diào)節(jié)從而提供適當(dāng)?shù)淖x數(shù)。在以前的發(fā)明中幾乎沒有提出這些和其它問題。
因此，需要研究出一項(xiàng)利用流體的電性質(zhì)以提供重要量度的發(fā)明，同時(shí)避免上述復(fù)雜問題。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種測(cè)量流體和含流體物質(zhì)的存在和各種性質(zhì)的方法。與現(xiàn)有方法相比，其在范圍、靈敏度以及對(duì)溫度和流體流動(dòng)的相對(duì)不敏感性方面作出了改進(jìn)。此外，該方法簡化了設(shè)計(jì)和測(cè)量。
本發(fā)明包括用于控制和測(cè)量經(jīng)簡化的電化學(xué)電池的各種電化學(xué)效應(yīng)的方法和裝置。然而，所測(cè)量的潛在效應(yīng)本質(zhì)上是復(fù)雜的。本發(fā)明對(duì)這些效應(yīng)的一些單獨(dú)的影響進(jìn)行了控制，而得到比現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)越的測(cè)量，本文中稱為“瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)(Transient Immitivity Response)”，簡寫為TIR。
本發(fā)明的首要特征是采用位于電池外部的電容來積累、控制和限制流經(jīng)電池的電流。瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)是指所述電容與電化學(xué)電池內(nèi)部的電流傳送機(jī)構(gòu)之間的相互作用。這些相互作用產(chǎn)生了所述外部電容充電和放電的復(fù)合速率，所述速率可以通過許多不同的方法進(jìn)行測(cè)量?？梢哉{(diào)整所述電容、電池的結(jié)構(gòu)以及其它外部構(gòu)成以增強(qiáng)或減少不同電荷傳送機(jī)構(gòu)的效應(yīng)，使本發(fā)明實(shí)際上適合于任意流體。所述瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)是指與時(shí)間相關(guān)的、電荷流經(jīng)電池并在外部電容上積聚的復(fù)合速率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括相互分隔放置的兩個(gè)電極，所述兩個(gè)電極均與待測(cè)流體相接觸。該實(shí)施方案包括激勵(lì)電源，從而向第一電極提供隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓。所述激勵(lì)電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換。在第一電極上交替施加第一和第二電壓水平并持續(xù)特定時(shí)間階段。所述激勵(lì)電源具有低的電源電阻，從而可以在最短時(shí)間內(nèi)提供足夠電流以改變第一電極的電勢(shì)，因此可以迅速地對(duì)第一電極的電容進(jìn)行充電。
根據(jù)本發(fā)明，在第二電極和電接地或電路接地之間具有確定的電容。所述接地端具有確定的電壓。該實(shí)施方案還包括電壓檢測(cè)器，用于檢測(cè)引入上述確定電容上的傳感電壓。所述傳感電壓與由于將激勵(lì)電源施加在第一電極上而經(jīng)流體從第一電極傳導(dǎo)至第二電極的電荷成比例。所述電壓檢測(cè)器對(duì)電接地具有非常高的電阻，從而基本上沒有電流從電池流經(jīng)該檢測(cè)器。適當(dāng)?shù)碾妷簷z測(cè)器的例子包括輸入電阻大于1011歐姆的電流產(chǎn)生FET晶體管、運(yùn)算放大器和CMOS邏輯電路。
在該實(shí)施方案中，在流體存在時(shí)，激勵(lì)電源的電壓水平保持恒定至少到電池達(dá)到平衡。如果沒有流體存在，在傳感或檢測(cè)裝置處檢測(cè)不到電壓。如果流體處于平衡狀態(tài)，本實(shí)施方案中電化學(xué)電池的所有部分具有基本上與激勵(lì)電壓相同的電壓，在第二電極測(cè)出的電壓基本上等于第一電極的電壓。然后將第一裝置的激勵(lì)電壓轉(zhuǎn)換至第二電壓水平。所述電池將在此第二電壓水平下工作直至達(dá)到平衡。
所述實(shí)施方案進(jìn)一步包括一種手段，以確定在第一和第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換以及當(dāng)所述電容的傳感電壓達(dá)到一個(gè)或多個(gè)選定電壓水平時(shí)的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間間隔。這些時(shí)間間隔代表了流體的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)。此外，在第一和第二確定電壓水平轉(zhuǎn)換之后，該手段可以測(cè)量在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定時(shí)間間隔的在所述電容上得到的電壓。而且，對(duì)瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的Δ電壓/Δ時(shí)間性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。第二電極處的電壓水平是電極界面和流體的所有電阻和電容、以及第一激勵(lì)電源電壓變化的與時(shí)間相關(guān)的函數(shù)。所述實(shí)施方案能夠進(jìn)一步提供作為數(shù)字或模擬輸出的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)。缺少變化的傳感電壓可能指示電極間缺少流體。單個(gè)時(shí)間或速率測(cè)量體現(xiàn)了本發(fā)明的基礎(chǔ)，但是對(duì)所述電化學(xué)電池系統(tǒng)的與時(shí)間相關(guān)的響應(yīng)的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量可以用于解釋更加微妙的信息。
本發(fā)明還包括采用所述裝置獲得流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的方法。首先，選擇第一和第二電極，兩個(gè)電極相互分隔放置，均與流體接觸。然后在第一電極上施加隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓。在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換所述激勵(lì)電壓，從而在第一電極上交替施加第一和第二確定水平并持續(xù)特定時(shí)間階段。所述激勵(lì)電源進(jìn)一步的特征在于其具有低電阻，從而當(dāng)激勵(lì)電壓在第一和第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換時(shí)具有最小的轉(zhuǎn)換時(shí)間。
所述方法進(jìn)一步包括在第二電極和電或電路接地之間提供確定的電容。所述接地端具有確定電壓。然后檢測(cè)被引入到電容上的傳感電壓。所述傳感電壓與將激勵(lì)電源施加在第一電極上而經(jīng)流體從第一電極傳導(dǎo)至第二電極的電荷成比例。采用的檢測(cè)器優(yōu)選具有高輸入電阻從而使外部電流最小。
檢測(cè)在電容上誘導(dǎo)產(chǎn)生的傳感電壓之后，確定在第一和第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換以及當(dāng)?shù)诙姌O的傳感電壓達(dá)到一個(gè)或多個(gè)特定電壓水平時(shí)的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間間隔。此外，可以測(cè)量從激勵(lì)電源在第一和第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換時(shí)在預(yù)定時(shí)間間隔達(dá)到的一個(gè)或多個(gè)電壓水平。這些時(shí)間間隔和電壓水平代表了流體的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)，隨后可以作為數(shù)字或模擬輸出來提供。
已知上述電阻和電容本身是測(cè)定下的流體、流體流動(dòng)、溫度、電勢(shì)和其它影響的函數(shù)。本發(fā)明所測(cè)量的這些影響的特定結(jié)合可以減少對(duì)流動(dòng)和電勢(shì)的依賴，同時(shí)還減少由于流體組成所導(dǎo)致的溫度依賴性的變化。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種流體傳感器，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的多個(gè)缺陷。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種傳感器，檢測(cè)多種流體和含流體材料的存在。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種傳感器，能夠定性測(cè)量各種溶劑和流體組成之間的區(qū)別。
通過以下附圖及其詳細(xì)說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)勢(shì)。
附圖的簡要說明通過以下對(duì)附圖的詳細(xì)描述，上文所述的本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將變得顯而易見。在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的結(jié)構(gòu)元件，其中附

圖1是兩電極電化學(xué)電池通常所接受的電子類似物的示意圖。
附圖2A是電壓變化特征的圖形。
附圖2B是電容的示意圖。
附圖2C是描述附圖2B中電容和附圖2A中電壓變化之間反應(yīng)的圖形，以及由該變化誘導(dǎo)的間接電流(indirect curren)。
附圖3A是與附圖2A中相同的電壓變化特征的圖形。
附圖3B是顯示并聯(lián)連接的電容和電阻的示意圖。
附圖3C是描述附圖3B中并聯(lián)電阻和電容(導(dǎo)納)對(duì)附圖3A中電壓變化的反應(yīng)的圖形。
附圖4A是與附圖2A和3A中相同的電壓變化特征的圖形。
附圖4B是顯示導(dǎo)納以及連接在導(dǎo)納輸出和接地之間的電容的示意圖。
附圖4C是顯示當(dāng)電容放置在檢測(cè)端和電接地之間時(shí)導(dǎo)納對(duì)附圖4A中電壓變化的反應(yīng)的圖形。
附圖5是顯示某些飛機(jī)液壓油在溫度范圍內(nèi)其電阻研究的結(jié)果圖形。
附圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)某些飛機(jī)液壓油在溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果的圖形。
附圖7是采用本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在濃度范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)水溶液測(cè)量的結(jié)果的圖形。
附圖8A-D是顯示用不同的已知方法和本發(fā)明對(duì)蒸餾水溫度特征的比較研究結(jié)果的圖形。
附圖9A-D是顯示用不同的已知方法和本發(fā)明對(duì)自來水溫度特征的比較研究結(jié)果的圖形。
附圖10A-D是以代表附圖8A-D和附圖9A-D方法中相對(duì)于組成變化的溫度特征的方式，分別顯示附圖8A-D和附圖9A-D的結(jié)果的圖形。
附圖11A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖11B是用附圖11A的裝置進(jìn)行測(cè)量的代表性波形。
附圖12A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可選實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖12B是用附圖12A的裝置進(jìn)行測(cè)量的代表性波形。
附圖13A是根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖13B是用附圖13A的裝置進(jìn)行測(cè)量的代表性波形。
附圖14是用附圖13A所示實(shí)施方案確定電池電容量的結(jié)果圖形。
附圖15是根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖16A是根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖16B是用附圖16A的裝置進(jìn)行測(cè)量的代表性波形。
附圖17A是根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖17B是用附圖17A的裝置進(jìn)行測(cè)量的代表性波形。
附圖18A是根據(jù)本發(fā)明另一可選實(shí)施方案的測(cè)量裝置的示意圖。
附圖18B是用附圖18A的裝置進(jìn)行測(cè)量的代表性波形。
發(fā)明詳述附圖1是一種公知的電化學(xué)電池參數(shù)及其與本發(fā)明相關(guān)的電子模擬物的比較示意圖。兩電極電化學(xué)電池概念上可分為第一或激勵(lì)電極界面A，流體區(qū)域B，以及第二或傳感電極界面C。附圖1顯示了用垂直點(diǎn)劃線分界的所述三個(gè)部分。這三個(gè)部分限定了電流在激勵(lì)電極1和傳感電極2之間的流動(dòng)路徑。流體區(qū)域B具有已知的來自原子和分子極化以及流體中任一離子物質(zhì)分離所產(chǎn)生的電容Cf。所述流體同時(shí)還具有已知的導(dǎo)電率或電阻Rf。這兩個(gè)影響可以構(gòu)成并聯(lián)電阻和電容即公知的導(dǎo)納模型。
參見附圖1，兩電極界面A和C也可以構(gòu)成導(dǎo)納模型。已知由于在電極和流體的擴(kuò)散體積之間形成有層狀分子層，因此電極-流體界面具有一電容。所述分子層稱為Helmholtz層，其電荷分離，從而形成電容，Cee和Cse，類似于電容器的兩個(gè)靠得非常近的分隔放置的板。同樣公知的是，這些層的排列和電容依賴于存在的電勢(shì)，而通常的電容器不存在上述情況。每個(gè)電極界面A和C同樣對(duì)電流具有已知的電阻Ree和Rse。
附圖2A，2B和2C表示了公知的電容器C對(duì)快速電壓變化的反應(yīng)。附圖2A顯示了在附圖2B中電容C其中一側(cè)的電波形。只要在短時(shí)間內(nèi)有足夠的電流對(duì)電容器C進(jìn)行充電，電容C激勵(lì)側(cè)的電壓將迅速跟隨激勵(lì)電壓。在該例以及以下例子中，假設(shè)在激勵(lì)側(cè)具有理論電壓源，其輸出阻抗為0，在檢測(cè)側(cè)具有輸入放大器，具有高電阻(＞1012歐姆)以及接地的零電容。激勵(lì)電壓開始為低電壓，然后迅速變成高的正電壓。
在附圖2A-C中，穩(wěn)態(tài)或直流電壓被電容器C阻斷。但是，激勵(lì)電壓的迅速改變產(chǎn)生了間接電。這是電容器C中的靜電場(chǎng)導(dǎo)致的——當(dāng)電荷位于一側(cè)，另一側(cè)上的電荷重新排列產(chǎn)生等于激勵(lì)電荷的電荷，但是極性相反。由于具有與激勵(lì)電壓相同極性的電荷沖出，并被具有相反極性的電荷代替，因此這就導(dǎo)致了在檢測(cè)側(cè)產(chǎn)生了短暫、瞬時(shí)的電流。附圖2C顯示了可能在電容器C的檢測(cè)側(cè)產(chǎn)生的波形4。所測(cè)量的電壓與以下成比例Vout=C*dVindt]]>其中C＝電容，t＝時(shí)間，Vin＝激勵(lì)電壓的改變。
如上述方程所示，脈沖幅度依賴于激勵(lì)電壓(Vin)改變的迅速程度。電壓非?？焖俚厣邔a(chǎn)生等于激勵(lì)電壓變化的脈沖幅度，但是不會(huì)比它大。電容器含有的電荷量與存在的電容器兩端的電壓及其電容有關(guān)，如下所示q＝CV其中，q＝電荷，C＝電容，V＝電容器兩端的電壓。
在電容器C檢測(cè)側(cè)的結(jié)果脈沖的電流量等于由于激勵(lì)電壓的改變而導(dǎo)致的電容器C電荷的改變。由于本發(fā)明采用的輸入放大器具有大而有限的輸入電阻，經(jīng)過所述電阻時(shí)電荷將被耗盡。如果沒有通路使檢測(cè)側(cè)的電流流過，當(dāng)電容器C達(dá)到靜電平衡時(shí)，電壓將等于激勵(lì)電壓。如果在檢測(cè)側(cè)放置接地的較低電阻，由于具有接地的較低電阻通路，電荷很快被耗盡，因此脈沖的寬度將縮小。對(duì)于快速升高的激勵(lì)電壓(激勵(lì)電壓改變的時(shí)間＜Δt)，所述脈沖形狀等于Vout=Vin*e-tRC]]>其中，R＝檢測(cè)側(cè)接地的電阻，C＝電容，e＝歐拉(Euler’s)數(shù)(自然對(duì)數(shù)的底數(shù))，t＝時(shí)間增量。
該方程與電容放電的方程相同，其具有充分的理由。電容器“儲(chǔ)存”的電荷量與其從激勵(lì)電源吸收的相同，也與以該間接電所釋放的相同。電容器實(shí)質(zhì)上并不存儲(chǔ)任何凈電荷——其維持電荷的分離。所需要的對(duì)電容器進(jìn)行“充電”的電流實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)移至另一側(cè)。在該過程中，形成電荷分離而且將其保持在電容器上，直至電容器放電時(shí)電荷被重新結(jié)合。
附圖3A，3B和3C表示了導(dǎo)納及其對(duì)快速變化的電壓的反應(yīng)。附圖3A顯示了激勵(lì)波形3，其由快速轉(zhuǎn)換成正電壓的負(fù)電壓所組成。附圖3B的電路與附圖2B中的電路的主要區(qū)別在于其包括了并聯(lián)電阻Rp。
經(jīng)過并聯(lián)電容器Cp的間接電流再次使電壓迅速升高至全激勵(lì)電壓。經(jīng)過并聯(lián)電阻Rp的電流將保持該電壓，同時(shí)對(duì)電容器Cp進(jìn)行放電，所檢測(cè)的波形5參見附圖3C。如果在檢測(cè)側(cè)加上接地的較低電阻，經(jīng)過電容器Cp的間接電流仍然引起電壓瞬間升高至全激勵(lì)電壓。然后電壓以一定速率下降至某一電壓水平，所述速率由接地電阻確定，所述電壓水平由并聯(lián)電阻Rp和接地電阻的分壓決定。
通過比較，附圖4B采用了附圖3B的導(dǎo)納，并在檢測(cè)側(cè)增加了接地電容Cout。如前所述，如果在導(dǎo)納的輸出端增加電阻，由于間接電流流經(jīng)電容Cp，電壓仍然會(huì)瞬間升高。相反，在輸出端采用電容Cout將由于間接電流流經(jīng)導(dǎo)納電容Cp而導(dǎo)致的電壓升高降至最小。所述電荷立即被兩個(gè)電容Cp和Cout“分配”，減小了檢測(cè)的瞬時(shí)電壓升高?？煽闯龅乃矔r(shí)電壓升高是兩個(gè)電容Cp和Cout分配電流的結(jié)果，與電容比率成比例，如Vout=Vin*(CoutCp+Cout)]]>當(dāng)輸出電壓小于輸入電壓，兩個(gè)電容器Cp和Cout將繼續(xù)從導(dǎo)納電阻Rp吸取電流，從而為接地電容Cout充電，并將導(dǎo)納電容Cp放電至輸入電壓水平。上述為互補(bǔ)的過程，表示為Vout=Vin*(1-e-tRpCout)]]>Vout=Vin*e-tRpCp]]>接地電容充電導(dǎo)納電容放電實(shí)際上，在考慮了初始、即時(shí)的間接電流流經(jīng)導(dǎo)納電容Cp之后，可以將兩個(gè)電容Cp和Cout看作是兩個(gè)并聯(lián)充電電容?？梢詫?duì)并聯(lián)電容進(jìn)行求和，得到它們的聯(lián)合影響，因此Vout=Vin*(1-e-tRp(Cp+Cout))]]>將上述方程與經(jīng)過導(dǎo)納電容器Cp的間接電流的分配電流方程結(jié)合起來，作為接地電容器Cout，得到Vout=Vin*[1-(CoutCp+Cout)*e(-tRp(Cp+Cout))]]]>在特殊情況下，Vin迅速而且不連續(xù)地從0伏改變至Vin，該方程給出了附圖4A-4C中電路輸出電壓的準(zhǔn)確描述。附圖4C所示的輸出波形顯示了瞬時(shí)電壓升高6和由上述方程表述的充電/放電波形7，但是經(jīng)雙極激勵(lì)電源電壓調(diào)整。
所述電路的一個(gè)顯著特征是，就間接電流而言，Cp電容的影響比充電電流大。換言之，通過流過的間接電流，Cp縮短了輸出電壓升高時(shí)間，其對(duì)輸出電壓升高時(shí)間的影響大于通過并聯(lián)電阻Rp的放電而延長升高時(shí)間。其原因是，非直接電流瞬時(shí)流過，而充電/放電電流與時(shí)間相關(guān)。其與導(dǎo)納電容Cp的預(yù)期效果相反——實(shí)際上較大的值縮短了電路的總體升高時(shí)間，由以下決定Vin-Vin*CoutCp+Cout]]>附圖3B和4B中所示的導(dǎo)納電路也可以用于簡化附圖1中所示的常見電化學(xué)示意圖。在此情況下，附圖1的電路被認(rèn)為是電阻Ree，Rf和Rse的串聯(lián)組合與電容Cee，Cf和Cse的串聯(lián)組合相并聯(lián)。換言之，附圖3B和4B的導(dǎo)納值可以用以下代替Rp＝Ree+Rf+Rse以及
Cp=11Cee+1Cf+1Cse]]>在上述方程中，其對(duì)電路行為進(jìn)行了良好的初步近似和簡化描述。從上述方程可以發(fā)現(xiàn)另一個(gè)有趣點(diǎn)——即三個(gè)導(dǎo)納電容器的電容越小，其對(duì)電路具有最大的影響。這是非常重要的，這是因?yàn)槭橇黧w電容Cf幾乎總是比電極界面Cee和Cse的電容小的多。其原因非常簡單，源自所使用的探針的幾何形狀，其中可以從簡單平板電容的通用方程計(jì)算出電容C=ϵAD]]>其中，ε＝總的電容率，A＝每塊板的面積，D＝板間距離。
由上述可知，板間距離越大，電容越小。在附圖1的電極界面A和C中，電容Cee和Cse板間的距離為分子水平，電極表面至“擴(kuò)散”層和/或Helmholtz層表面之間的距離以?；蚣{米計(jì)。電極本身通常用毫米至分米的范圍分隔開，即流體電容Cf的距離。在該方法中，流體電容Cf起主要作用，有助于消除某些影響電極界面A和B的電容Cee和Cse的電化學(xué)效應(yīng)，例如公知的由于施加電壓而發(fā)生的改變。
如果檢測(cè)側(cè)很少或沒有通路接地，也就是說，當(dāng)傳感放大器阻抗非常高，通過導(dǎo)納的唯一電流是需要對(duì)導(dǎo)納電容Cp進(jìn)行放電以及對(duì)輸出電容Cout進(jìn)行充電的電流。其限制了經(jīng)過流體的電流量，從而也減少了電極表面和流體中可能發(fā)生的化學(xué)變化。通過采用雙極激勵(lì)電壓和/或當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)僅僅與激勵(lì)電壓連接，可以進(jìn)一步減少上述效應(yīng)。
同樣，當(dāng)采用高輸入電阻輸入放大器，當(dāng)電池達(dá)到平衡，傳感電壓將接近或等于輸入電壓，因此傳感電壓將與輸入電壓一樣大。這就意味著很少需要或不需要信號(hào)調(diào)節(jié)或放大。在輸入放大器上加上較小的接地電阻將減少傳感電壓，導(dǎo)致額外電流恒定通過電池。
本發(fā)明測(cè)量了傳感電壓達(dá)到特定電壓所需的時(shí)間，或在特定時(shí)間內(nèi)達(dá)到的電壓。前者可以使用任一電壓水平，但是對(duì)于雙極激勵(lì)電壓采用電壓水平為0伏，或者是流向和來自接地端的激勵(lì)電壓的一半可以使設(shè)計(jì)更加簡單，并有助于減少電噪聲的影響。所述時(shí)間間隔或電壓給出了對(duì)本文所述復(fù)雜效應(yīng)的單個(gè)測(cè)量。上述測(cè)量是公知的，非常適合于數(shù)字電路或轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。
大多數(shù)流體對(duì)于溫度升高具有可預(yù)測(cè)的反應(yīng)，包括流體電阻和電容以不同的通常為非線性的速率下降。其它方法需要復(fù)雜的補(bǔ)償以說明這些變化，特別是當(dāng)流體組成發(fā)生變化。在本發(fā)明中，可以調(diào)整不同的設(shè)計(jì)元件、探針結(jié)構(gòu)和輸入電容，從而使系統(tǒng)對(duì)多個(gè)溫度變化進(jìn)行“自補(bǔ)償”。如果流體電容隨著溫度的升高而下降，瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)將升高，然而流體電阻的下降將降低瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)。
附圖5和6表示對(duì)飛機(jī)液壓油進(jìn)行研究的數(shù)據(jù)。出于成本的原因，在飛機(jī)系統(tǒng)中從不完全替換這些油。相反，給空運(yùn)維修人員的指導(dǎo)方針是加滿所缺少的油。所述油的特殊分解模式產(chǎn)生了酸性成分，其可以導(dǎo)致液壓系統(tǒng)部分的破壞性腐蝕。附圖5和6中的兩個(gè)圖表示了流體電阻的讀數(shù)和本發(fā)明分別對(duì)新油、用過的油以及兩者的混合樣品進(jìn)行的測(cè)量，所述混合物中兩者的混合比例為50∶50。
特別地，附圖5是一組在不同溫度下對(duì)上述樣品的電阻讀數(shù)，并顯示了在溫度范圍內(nèi)使用電阻(或?qū)щ娐?測(cè)量可能遇到的問題。在兩個(gè)例子中，采用相同的兩個(gè)簡單銅絲探針。對(duì)于電阻，采用具有HP5306A多用途儀表的Hewlett Packard(HP)5300測(cè)量系統(tǒng)。在使用中，不能對(duì)該方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其原因是新油的讀數(shù)與其它樣品的讀數(shù)相交叉。即使知道讀數(shù)是在某一特定溫度下讀取的，也無法知道如何進(jìn)行補(bǔ)償，這是因?yàn)椴豢赡軐⒔M成效應(yīng)與溫度效應(yīng)區(qū)分開來。
附圖6顯示了采用本發(fā)明的結(jié)果。對(duì)于用本發(fā)明進(jìn)行的測(cè)量，采用GW GFG8016G信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)電源，采用Tektronix TDS 210示波器進(jìn)行測(cè)量，具有10Mohm×10的探針。所述探針的電容和示波器的輸入電路系統(tǒng)本身用作輸入電容器，Cout。附圖6顯示了用該方法可以清楚區(qū)分組成效應(yīng)和溫度效應(yīng)。在此情況中，需要進(jìn)行簡單的溫度補(bǔ)償從而在寬的溫度范圍內(nèi)對(duì)油進(jìn)行準(zhǔn)確的定性測(cè)量。
附圖7顯示了采用本發(fā)明對(duì)四個(gè)不同水溶液進(jìn)行濃度測(cè)量的結(jié)果。所述結(jié)果顯示該方法的離子靈敏度類似于常規(guī)導(dǎo)電率的測(cè)量。在此情況下，所述組成對(duì)水的介電常數(shù)改變極小，但是改變了影響Cout和Cp充電/放電的流體電阻。顯然，可以在PPB或更小范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，濃度越小，靈敏度最大。
更重要地是，附圖6和7顯示可以用本發(fā)明進(jìn)行檢測(cè)的范圍廣泛的流體。通過調(diào)整探針設(shè)計(jì)和傳感放大器輸入電容，實(shí)際上可以用該方法定性檢測(cè)任意流體或含有流體的材料。
附圖8A-D，9A-D和10A-D顯示了對(duì)如圖6所示的本發(fā)明和三個(gè)常用方法的比較導(dǎo)電率、電容和固有時(shí)間常數(shù)。附圖8A-D顯示了附圖8A的本發(fā)明和其它三個(gè)方法的結(jié)果，附圖8B顯示了電阻或?qū)щ娐实牡箶?shù)，附圖8C顯示了電容，附圖8D顯示了固有時(shí)間常數(shù)，所有均是在80-200°F范圍內(nèi)對(duì)蒸餾水進(jìn)行測(cè)量。附圖9A-D顯示了分別用所述四個(gè)方法在同樣溫度范圍內(nèi)對(duì)自來水進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。附圖10A-D分別比較了每個(gè)方法的結(jié)果，采用蒸餾水的結(jié)果對(duì)自來水的結(jié)果作圖。
選擇自來水作為常用的復(fù)合電解液。比較附圖8A-D和附圖9A-D的結(jié)果，其清楚地顯示，除了本發(fā)明的方法，其它每個(gè)方法均對(duì)溫度變化具有響應(yīng)，并依賴于流體組成的變化程度，從而每個(gè)方法都具有不同的特征曲線。在附圖8A-D和9A-D中，本發(fā)明具有非常類似的特征溫度響應(yīng)。
在附圖10A-D中，對(duì)每個(gè)方法用蒸餾水的響應(yīng)和自來水的響應(yīng)作圖，進(jìn)一步顯示這些區(qū)別。附圖10A代表本發(fā)明，顯示對(duì)蒸餾水和自來水的溫度響應(yīng)之間具有非常好的線性關(guān)系。這意味著，雖然所述測(cè)量對(duì)所述流體的組成均有明顯的敏感性，但是本發(fā)明對(duì)于由于組成改變所導(dǎo)致的與溫度相關(guān)的效應(yīng)不敏感。附圖10B，10C和10D顯示了所述三種已知方法具有溫度響應(yīng)，所述溫度響應(yīng)根據(jù)流體組成變化非常大。
對(duì)于準(zhǔn)確使用任一定性流體檢測(cè)系統(tǒng)，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這些圖形顯示，三種已知方法(導(dǎo)電率、電容和固有時(shí)間常數(shù))還要求對(duì)流體組成有一定的了解，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。然而，對(duì)于本發(fā)明來說，在廣泛的溫度和流體組成范圍內(nèi)，單個(gè)補(bǔ)償就可以了，因此只需要了解溫度。
附圖11A顯示了根據(jù)本發(fā)明的基本測(cè)量裝置。激勵(lì)信號(hào)源8與激勵(lì)電極9直接相連。電極9和10浸在流體樣品12中。傳感電極10連接輸入電容為Cout的輸入放大器11。采用本發(fā)明進(jìn)行的任一特定的單個(gè)測(cè)量提供了代表電池中不同電化學(xué)效應(yīng)的值，主要是流體和電極界面的電阻和電容。附圖11B顯示用該電路進(jìn)行測(cè)量得到的代表性波形。
附圖12A顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，采用差動(dòng)放大器11對(duì)激勵(lì)電極9和傳感電極10之間的電壓差進(jìn)行測(cè)量。激勵(lì)電極9的電壓減去傳感電極10的電壓給出了電池平衡狀態(tài)的量度。當(dāng)處于平衡時(shí)，電壓接近于0，這是由于兩個(gè)電極的電壓實(shí)際上是相同的。當(dāng)激勵(lì)電壓轉(zhuǎn)換至新的電壓水平，所述輸出電壓立即升高至電壓狀態(tài)之差，在新的激勵(lì)電壓下電池達(dá)到平衡，輸出電壓又減少至接近0伏，其如圖12B所示。對(duì)于達(dá)到特定電壓水平的時(shí)間間隔和在特定時(shí)間間隔達(dá)到的電壓，也可以測(cè)量所述脈沖輸出，其中的任一個(gè)都是瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的量度。
附圖13A顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，包括加入串聯(lián)電阻Rs。在該實(shí)施方案中，激勵(lì)信號(hào)源8通過串聯(lián)電阻Rs與激勵(lì)電極9相連。電極9和10浸在流體樣品12中。傳感電極10與輸入電容為Cout的輸入放大器11相連。通過進(jìn)行兩次或多次測(cè)量，每次串聯(lián)電阻Rs(可以是零電阻)具有不同的值，兩次測(cè)量之間的區(qū)別主要是串聯(lián)電阻Rs和系統(tǒng)電容之間所形成的時(shí)間常數(shù)的結(jié)果。附圖13B顯示了該實(shí)施方案的兩個(gè)代表性波形，一個(gè)為低Rs，另一個(gè)為高Rs。
附圖14顯示了如何利用上段所描述的以及附圖13B中顯示的測(cè)量區(qū)分由于溶劑改變而導(dǎo)致的性質(zhì)改變。附圖14中，對(duì)蒸餾水、乙醇和兩者各50％的混合物樣品，用它們的升高時(shí)間對(duì)串聯(lián)電阻Rs進(jìn)行作圖。每個(gè)均具有清楚顯著的斜率。所述斜率基本上與電容以及由此的流體介電常數(shù)成比例。
附圖15顯示了類似于附圖13的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，其包括一加入的串聯(lián)電阻。在附圖15中，采用電阻隨溫度改變的電子組件可以作為簡單的溫度補(bǔ)償方法。通過用元件RPTC代替串聯(lián)電阻Rs，所述元件RPTC例如熱敏電阻、包括一個(gè)或多個(gè)熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)、或能夠響應(yīng)溫度變化改變電阻Rs的電路，然后將元件RPTC與流體熱接觸，從而可以構(gòu)建自我補(bǔ)償探針。通過適當(dāng)?shù)嘏c探針和流體相匹配，當(dāng)溫度變化時(shí)，元件RPTC可以改變瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)，從而補(bǔ)償溫度的改變。如前所示，制作上述的在廣泛溫度和流體組成范圍內(nèi)適用的自我補(bǔ)償探針，本發(fā)明可以對(duì)組成溫度依賴性不敏感。
附圖16A顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施方案，在激勵(lì)電源上增加串聯(lián)電阻。與流經(jīng)電池進(jìn)入輸入電容的電流相反，所述實(shí)施方案可以對(duì)進(jìn)入電池的電流進(jìn)行測(cè)量。在該實(shí)施方案中，電壓傳感裝置跨接在串聯(lián)電阻Rs上。所測(cè)得的電壓等于由電池帶動(dòng)的電流乘以Rs的電阻，附圖16B為輸出波形。在此情況下，由于電池電流的最大量主要由串聯(lián)電阻Rs和激勵(lì)電極界面電容Cee決定，電壓波形的最高值可以隨著瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)而改變。所述峰值電壓改變?cè)谀承┣闆r下可用于增加測(cè)量的靈敏度，以及主要用于測(cè)量激勵(lì)電極電容Cee。
附圖17A顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施方案，其有些類似于附圖16所示的方案。在該實(shí)施方案中，電壓傳感裝置與激勵(lì)電極和電路接地相連。所測(cè)得的電壓等于激勵(lì)電壓減去電流通過Rs所產(chǎn)生的Rs的兩端電壓，如下Vout=Vin-(IRs*Rs]]>附圖17B顯示了附圖17A電路的波形。在該例中，所達(dá)到的最高電壓基本上為Vin，而不是由附圖16A所示電路中流經(jīng)Rs的電流所決定的電壓。
附圖18A顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，其中電壓傳感裝置與激勵(lì)電極9和傳感電極10相連，如附圖12A所示。在該實(shí)施方案中，盡管類似于附圖13至17所示，在激勵(lì)電源8和激勵(lì)電極9之間加入串聯(lián)電阻Rs。附圖18B顯示了該實(shí)施方案的代表性波形。如附圖12A-B所示，所述實(shí)施方案產(chǎn)生代表電池平衡狀態(tài)的電壓脈沖，但是所述脈沖的最高電壓峰值限于激勵(lì)電壓輸入減去串聯(lián)電阻Rs兩端的電壓降，所述電壓降的原因是電流流過串聯(lián)電阻Rs。
盡管參照優(yōu)選實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)這樣理解，在不偏離本發(fā)明精神的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行某些替換、更改或省略。因此，上述描述僅僅作為示例，而不是對(duì)下述權(quán)利要求所要求的本發(fā)明范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種獲得流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的裝置，包括第一電極和第二電極，所述第一和第二電極相互分隔放置，并均與流體接觸；為第一電極提供隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓的激勵(lì)電源，所述激勵(lì)電源能夠在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換；位于第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地具有確定的接地電壓；用于檢測(cè)位于所述裝置預(yù)定位置的傳感電壓的電壓檢測(cè)器；用于確定在第一和第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間間隔的計(jì)時(shí)裝置，其中所述一個(gè)或多個(gè)時(shí)間間隔可與每個(gè)間隔的傳感電壓相關(guān)，并且每時(shí)間間隔的傳感電壓測(cè)量代表瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的速率。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中在第一電極上交替施加第一和第二電壓水平并持續(xù)特定時(shí)間階段。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述傳感電壓與由于在第一電極上施加激勵(lì)電壓而從第一電極經(jīng)流體流向第二電極傳感電壓的電荷成比例。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中電壓檢測(cè)器具有高輸入電阻，以使外部電流最小。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中計(jì)時(shí)裝置能夠確定傳感電壓何時(shí)達(dá)到一個(gè)或多個(gè)經(jīng)選擇的電壓水平。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中電壓檢測(cè)器能夠確定在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間間隔的傳感電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中每時(shí)間間隔的傳感電壓的變化速率作為數(shù)字或模擬輸出而被提供，所述速率代表流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中激勵(lì)電源具有最小的輸出電阻，從而使第一電極的電容在接收激勵(lì)電壓時(shí)立即充電。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中連接電壓檢測(cè)器以檢測(cè)電容兩端的電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中連接電壓檢測(cè)器以檢測(cè)第一電極和第二電極之間的電壓。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中將串聯(lián)電阻電連接于激勵(lì)電源和第一電極之間。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測(cè)器以檢測(cè)電容兩端的電壓。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測(cè)器以檢測(cè)串聯(lián)電阻兩端的電壓。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測(cè)器以檢測(cè)接地端和第一電極之間的電壓。
15.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中連接電壓檢測(cè)器以檢測(cè)第一電極和第二電極之間的電壓。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中在激勵(lì)電源和第一電極之間連接響應(yīng)流體溫度變化的可變電阻。
17.一種獲得流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的裝置，包括第一電極和第二電極，所述第一和第二電極相互分隔放置，均與流體接觸；為第一電極提供隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓的激勵(lì)電源，所述激勵(lì)電源能夠在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間相互轉(zhuǎn)換，在所述第一電極上交替施加第一和第二電壓水平并持續(xù)特定時(shí)間階段；位于第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地具有確定的接地電壓；能夠檢測(cè)由于在第一電極上施加激勵(lì)電壓從而流經(jīng)流體的電荷的檢測(cè)裝置，其中所述檢測(cè)裝置具有高輸入電阻，以使外部電流最?。灰约澳軌虼_定每時(shí)間間隔一個(gè)或多個(gè)電荷變化速率的測(cè)定裝置，上述一個(gè)或多個(gè)速率代表流體的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)，所述測(cè)定裝置能夠提供作為數(shù)字或模擬輸出的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)。
18.一種獲得流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的方法，包括以下步驟；a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極分隔放置；b)在第一電極上施加激勵(lì)電壓，所述激勵(lì)電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換；c)在第二電極和電接地或電路接地之間提供電容，所述接地端具有確定的接地電壓；d)檢測(cè)通過串聯(lián)電阻在第一電極上所施加的激勵(lì)電壓而導(dǎo)致的傳感電壓；以及e)確定每時(shí)間間隔所述傳感電壓的一個(gè)或多個(gè)改變速率，上述速率代表了流體的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)；以及f)提供作為數(shù)字或模擬輸出的代表瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的測(cè)量速率。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓水平并持續(xù)特定時(shí)間階段。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述串聯(lián)電阻為0。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述傳感電壓與由于在第一電極上施加激勵(lì)電壓而從第一電極經(jīng)流體流向第二電極傳感電壓的電荷成比例。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中通過高輸入電阻進(jìn)行所述檢測(cè)步驟，從而將外部電流降至最小。
23.一種獲得流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的方法，包括以下步驟；a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極相互分隔放置；b)在第一電極上施加隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓，所述激勵(lì)電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換，在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓并持續(xù)特定時(shí)間階段；c)提供接觸于在第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地端具有確定的接地電壓；d)檢測(cè)由于在第一電極上施加激勵(lì)電壓而得到的傳感電壓，其中通過高輸入電阻進(jìn)行所述檢測(cè)步驟，從而將外部電流降至最??；以及e)確定每時(shí)間間隔所述傳感電壓的一個(gè)或多個(gè)改變速率，上述速率代表了流體的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)；以及f)提供作為數(shù)字或模擬輸出的代表瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的測(cè)量速率。
24.一種區(qū)分具有不同介電常數(shù)的流體的方法，包括以下步驟a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極相互分隔放置；b)在第一電極上施加隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓，所述激勵(lì)電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換，在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓并持續(xù)特定時(shí)間階段；c)提供接觸于第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地端具有確定的接地電壓；d)由于在第一電極上施加激勵(lì)電壓，電荷從第一電極經(jīng)流體流至第二電極，檢測(cè)與所述電荷成比例的傳感電壓，其中以高輸入電阻進(jìn)行所述檢測(cè)步驟，從而將外部電流降至最??；以及e)重復(fù)步驟a-d)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)測(cè)量，其中用施加在激勵(lì)電壓上的串聯(lián)電阻的不同值確定每個(gè)測(cè)量結(jié)果；以及f)提供作為數(shù)字或模擬輸出的代表瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的測(cè)量速率。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中的一個(gè)測(cè)量是以電阻值為零的串聯(lián)電阻進(jìn)行的。
26.一種測(cè)量流體瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的方法，包括以下步驟；a)將流體與第一電極和第二電極接觸，所述第一和第二電極相互分隔放置；b)在第一電極上施加隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓，所述激勵(lì)電壓在第一確定電壓水平和與之不同的第二確定電壓水平之間轉(zhuǎn)換，在第一電極上交替施加第一和第二確定電壓并持續(xù)特定時(shí)間階段；c)在激勵(lì)電壓和第一電極之間提供可變電阻，其電阻響應(yīng)于流體的溫度變化；d)提供接觸于第二電極和電接地或電路接地之間的電容，所述接地端具有確定的接地電壓；e)檢測(cè)與由于在第一電極上施加激勵(lì)電壓而從第一電極經(jīng)流體流至第二電極的電荷成比例的傳感電壓，其中以高輸入電阻進(jìn)行所述檢測(cè)步驟，從而將外部電流降至最?。灰约癴)確定每時(shí)間間隔所述傳感電壓的至少一個(gè)改變速率，上述速率代表了流體的瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)；以及g)提供作為數(shù)字或模擬輸出的代表瞬時(shí)導(dǎo)抗響應(yīng)的測(cè)量速率。
全文摘要
一種獲得電化學(xué)電池(12)不同性質(zhì)量度的裝置和方法。所述裝置包括第一(9)和第二(10)電極，以及為第一電極(9)提供隨時(shí)間變化的激勵(lì)電壓的激勵(lì)電源(8)。所述激勵(lì)電壓(8)在交替施加于第一電極上的第一和第二電壓水平之間轉(zhuǎn)換，所述第一和第二電壓水平在第一電極上持續(xù)預(yù)定時(shí)間。外部電容(C
文檔編號(hào)G01N27/416GK1623087SQ02828439
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2002年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月1日
發(fā)明者艾倫·R·桑普森, 羅伯特·E·戴維斯 申請(qǐng)人:艾倫·R·桑普森, 羅伯特·E·戴維斯