Frecuencia de CA del sensor de conductividad

Piense en la línea de flujo azul que se muestra en su figura como un cable. Si se colocara un cable a lo largo de ese camino, una corriente fluiría en ese cable porque el cable es otro devanado en el núcleo toroidal de la bobina de la unidad. El flujo magnético a través del bucle de alambre cambia y, por lo tanto, debe haber fuerza electromotriz inducida en el bucle. Cuanto mayor sea la conductividad del líquido, mayor será la corriente para una fem determinada. Por supuesto, la corriente de conducción en el líquido seguirá muchos caminos, o más bien un camino distribuido continuamente; piense en todos estos caminos como bobinados en el núcleo de la unidad.

A continuación, las rutas del líquido encierran ambos núcleos, el núcleo de la bobina de recepción y el de la bobina de transmisión. Por lo tanto, las corrientes de cambio en los "devanados líquidos" inducirán una fem en los devanados de recepción. Obtiene una corriente alterna en la bobina de recepción que es proporcional a la conductividad del líquido.

El sistema es similar a un transformador de tres bobinas. Primario (drive) induce corriente en el secundario (líquido), que, a su vez, induce corriente en el terciario (recepción). El efecto neto, la tensión de CA en la bobina de recepción, es proporcional a la excitación y al producto de las inductancias mutuas: \ $ M = M_ {12} \ cdot M_ {23} \ $. (Por supuesto, también hay \ $ M_ {13} \ $, pero generalmente se minimiza en este tipo de sensor al colocar blindaje de mu-metal entre los toroides).

Recuerde que en un transformador, la inductancia mutua es una constante que solo está relacionada con la geometría del devanado y no depende de la frecuencia. En un transformador ideal, una forma de onda de voltaje aplicada al primario pasa directamente al secundario (y, en este caso, al terciario), solo se multiplica por la relación de vueltas y no se ve afectada por la distorsión dependiente de la frecuencia.

Entonces, en la aproximación cero, no importa a qué frecuencia conduzca. En la primera aproximación se toma en cuenta la auto-resonancia en las tres bobinas; solo podrá excitar la bobina de excitación si la frecuencia está por debajo de su frecuencia de resonancia propia.

En la siguiente aproximación, desea que la señal esté por encima del ruido. El ruido en los líquidos, y en el aparato de medición que está conectado a la bobina de recepción, por lo general tiene un componente \ $ 1 / f \ $, y los líquidos son conocidos por su fuerte \ $ 1 / f \ $. Por lo tanto, desea que la frecuencia de su unidad supere la rodilla de ruido \ $ 1 / f \ $, cualquiera que sea su sistema. Por lo tanto, la respuesta: conduce lo más rápido que puedas mientras te mantienes por debajo de la atenuación traída por la auto-resonancia. En otras palabras, siga aumentando la frecuencia de la unidad hasta que comience a obtener menos salida.

Una última nota que puede ser irrelevante para su situación. En mi mejor entendimiento de las ecuaciones de Maxwell, creo que un sensor de conductividad sin electrodos no solo mide la corriente iónica. Mide la suma de las corrientes iónicas y de desplazamiento. A medida que aumenta la frecuencia, aumenta la contribución de la corriente de desplazamiento, debido a la derivada de tiempo delante de \ $ \ bf D \ $. El agua tiene una relativamente alta permitividad relativa. Por lo tanto, si tiene una conductividad iónica relativamente baja y una frecuencia relativamente alta, puede terminar midiendo la corriente de desplazamiento y no la corriente iónica.

El material del núcleo casi tiene que ser supermalloy para minimizar la inducción de fugas. Ese material funciona mejor en el rango de audio, por lo que diría que 5 kHz sería una buena opción para la frecuencia de la unidad. También haría que el procesamiento de la señal sea simple. Mencionas 84 kHz. Podría ser posible desarrollar un sistema práctico que funcione a esa frecuencia, pero no lo veo como una primera opción. La alta frecuencia aumentaría los problemas con la conducción de la bobina de accionamiento, el blindaje y el consumo de energía. Sin embargo, Supermalloy es muy cara, por lo que quizás alguien diseñó un sistema que utiliza ferrita que funciona bien a 84 kHz. Las propiedades magnéticas del agua no deben ser relevantes. Piense en el cable azul como un bobinado de otro transformador.
No se muestra un escudo entre las bobinas de Accionamiento y Recepción para eliminar las interferencias capacitivas e inductivas. Mi primer pensamiento fue mumetal, pero no estoy seguro de que necesites algo tan exótico. Podría pensar que las interferencias no serían un problema porque son toroides, pero eso supone una simetría perfecta en los devanados y núcleos, lo que no sucederá.

He trabajado en un problema similar para una versión de electrodo y se trató de hacer buenas mediciones entre la entrada y la salida (esto puede o no aplicarse a su sistema). Lo que quiero decir con esto es garantizar que la frecuencia inyectada tenga una ganancia de ganancia plana y una respuesta de fase para la solución que se está midiendo.

Al conducir con un voltaje de CA, el voltaje de entrada es conocido ya que su sistema lo está produciendo. La medición en la salida debe estar en fase para que pueda correlacionar las dos señales y calcular la conductancia. Si opera a una frecuencia con un cambio de fase insignificante, puede cargar el lado secundario con una impedancia conocida y calcular la conductancia.

Para el sistema en el que estaba trabajando, esto era una preocupación por varias razones, pero podría no serlo para su sistema. Lo principal que importa es que la conductancia de su solución no es una función importante de la frecuencia.

Puede usar un analizador de respuesta de frecuencia para probar las soluciones de las que está tratando de medir la conductancia y tener una idea de dónde ocurre esta frecuencia.

Para comprender mejor lo que está sucediendo con su sensor, utilicemos dos placas en lugar de los toroides. En este caso, las placas forman un condensador y el fluido es el "dieléctrico". Como es bien sabido, el campo eléctrico en una placa (controlador) induce un voltaje en la placa opuesta (receptor). Como la capacitancia depende de las propiedades dieléctricas del fluido entre las placas (aire, agua, aceite, etc.), un sensor hecho de dos placas mediría el Propiedades dieléctricas del fluido (usando aire como punto de referencia).
En el caso de los toroides, es el campo magnético en el controlador el que induce un voltaje en el receptor, y de forma similar al caso anterior, las propiedades magnéticas del fluido ( su permeabilidad u , no la conductancia) del fluido, ¡es lo que se mide!