Кондуктометр

 

КОНДУКТОМЕТР, содержащий .погружной зонд с крышкой,на которой .размещена ячейка в виде изоляционноiro цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой , размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью пов.иения точности измерения, в корпусе ячейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийся с двумя радиальными отверстиями в стенке корпуса, в канале размещена кварце вая трубка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом является крышка зонда, которая заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разделительный конденсатор с первым входом операционного усилителя , второй вход операционного усилителя соединен с источником опорного С S напряжения, а выход операционного усилителя соединен с первичнойобмотсл кой согласующего трансформатора, вторичная обмотка согласующего трансфорс: матора соединена с одной стороны с TOKOBicM электродом, с другой - с первой Ю1ем1.1ой резистора, другая клемма S заземлена. :л 00

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) Q 01 Ц 27/02

I !

OllMCAHME MSOEPETEHMR

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТИРЫТИЙ (2Ц 3439989/18-25 (22) 18. 05. 82 (46) 23. 02. 84. Бюл. )) 7 (72) Р. A. Балакин.

1„71) Ордена Ленина АрКтический и

Антарктический научно-исследователь ский институт

53) 543.257 (088.8)

56) 1.Электросолемер модели 5()10sa38400. Проспект фирмы „ «930, „e

2. Патент США Р 4. 118. 663, кл. Ц 01 М 27/02, опублик. 1978 (прототип }.

1,54 ) (57) КОНДУКТОМЕТР, содержащий ,погружной зонд с крышкой, на которой ,размещена ячейка в виде изоляционно-! го цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, ко1 торые соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью пов:прения точности измерения, в корпусе ячейки соосно с ним выполнен проточный канал, сообщающийся с двумя радиальными отверстиями в стенке корпуса, в канале размещена кварцевая трубка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом является крышка зонда, которая заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разделительный конденсатор с первым входом операционного усилителя, второй вход операционного усили.теля соединен с источником опорного напряжения, а выход операционного щ усилителя соединен с первичной обмот кой согласующего трансформатора, вторичная обмотка согласующего трансфор матора соединена с одной стороны с токовь м электродом, с другой — - пер вой клеммой резистора, другая клемма заземлена.

1075132

Изобретение относится к физикохимическому анализу и может быть использовано для точных измерений электропроводности морской воды- в натурных условиях с помощью приборов зондирующего типа.

Из вест ен ь:ондуктометр, предназ наченный для измерений электропроводности морской воды в лабораторных условиях. Ячейка кондуктометра содержит стеклянную или кварцевую трубку, 1О заполненную пробой воды, и закрепленные в ней на внутренней поверхности вдоль оси на фиксированных расстояниях четыре кольцевых электрода, крайние из которых являются токовыми, а средние потенциальными. Потенциальные электроды имеют несколько больший диаметр и располагаются в углубленнь|х канавках треугольного профиля сечения, что снижает градиент напряжения вблизи их контактной поверхности и тем самым значительно увеличивает устойчивость ячейки к загрязнениям и допуски на геометрические размеры электродов. С помощью .герметизированных выводов через боковую поверхность трубки электроды подключаются к электронной схеме управления. Токовые электроды подключаются к источнику питания переменного тока,,а потенциальные — к измерителю напряжения с очень высоким входньы сопротивлением. Электронная схема автоматически регулирует ток через ячейку таким образом, чтобы разность. потенциалов между потенциальными электродами оставалась по,стоянной и равнялась заданной вели чине независимо от изменчивости элек-!

l тропроводности. Благодаря схеме регулирования компенсируется нестабиль-40 ность переходного сопротивления токовых электродов, а аналогичная нестабильность в потенциальных электродах исключается применением высокоомной измерительной цепи, в которой последовательно включенное сопротивление электродов составляет пренебрежимо малую часть $1(Недостатком данного кондуктометра,, ограничивающим область его применения,является невозможность использования его при полном погружении в воду,т.е. в натурных условиях. Причина ограниченного применения заключается в том,что при полном погружении ячей-55 ки в воду образуется второй путь для замыкания тока между токовыми электродами снаружи трубки, причем соотношения токов, протекающих внутри и снаружи,было бы недостаточно стабильным,qg так как зависело бы от вариации переходного сопротивления токовых электродов,и,следовательно, результаты измерений не обладали бы достаточной точностью. 65

Наиболее близким техническим решением к изобретению является кондуктометр, который содержит зонд с крышкой, на крышке зонда размещена ячейка в виде изоляционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, электроды соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей oneрационный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения |2j

Недостатками известного кондуктометра являются нестабильность "геометрической постоянной" под действием загряз няющих факторов внешней сре ды и вследствие этого недостаточно высокая точность измерений электропроводности. В данной конструкции погрешность от загрязнений и связанных с ними изменений переходного сопротивления всех четырех электродов компенсируется электронной схемой только в том случае, если загрязняющий слой имеет равномерное распределение. В этом случае "геометрическая постоянная" не изменяется, так как остаются неизмененными эффективные площади электродов и положение их геометрических центров. При неравномерном распределении загрязнений,что имеет место на практике, эффективная площадь электродов и положение центров участков, оставшихся чистыми, смещается, что вызывает существенную погрешность измерения. Величина погрешности зависит от изменения потенциала электродов, которое в свою очередь определяется произведением величины смещения эффективного геометрического центра электрода на градиент напряжения в прилегающем слое жидкости. Таким образом, погрешность от загрязнения тем больше, чем больше градиент напряжения на границе потенциальных электродов и чем больше поперечные размеры электродов по отношению к расстоянию между их центрами.

Цель изобретения — повышение точности измерений электропровдности морской воды за счет уменьшения погрешностей, связанных с загрязняющими факторами внешней среды.

Поставленная цель достигается тем, что в кондуктометр, содержащий погружной зонд с крышкой, на которой размещена ячейка в виде изоляционного цилиндрического корпуса с токовыми и потенциальными электродами, которые соединены с измерительной схемой, размещенной внутри зонда и содержащей операционный усилитель, согласующий трансформатор, резистор, разделительный конденсатор и источник опорного напряжения, в корпусе ячейки соосно с ним.выполнен проточ-

1075132 ный канал, сообщающийся с двумя радиальными отверстиями в стенке корпуса, в канале размещена кварцевая труб ка, на стенке которой друг против друга размещены первый токовый и потенциальный электроды, другим токовым электродом является крышка зонда, которая заземлена, при этом потенциальный электрод соединен через разделительный конденсатор с первым входом операционного усилителя, второй вход операционного усилителя соеди-. нен с источником опорного напряжения, а выход операционного усилителя соединен с первичной обмоткой согласующего трансформатора, вторичная об- >5 мотка согласующего трансформатора соединена с одной стороны с токовым электродом, с другой — с первой клеммой резистора, а другая клемма резистора заземлена. 20

Повышение точности измерений достигается за счет следующих факторов, существенно ослабляющих влияние загрязнения электродов.

Во †перв, благодаря выполнению 75 корпуса осевым каналом "геометрическая постоянная" ячейки перестает зависеть от площади токового электрода, а определяется сечением и длиной кварцевой трубки, ограничивающей измеряемый объем воды. Это объясняется тем, что сопротивление измеряемой части водяного столба на участке от потенциального электрода вдоль канала и до крышки зонда почти не зависит от размеров и формы токового электрода, (с точностью около

0,01%), поскольку его переходное сопротивление компенсируется электронной схемой управления, а конфигурация линий тока, формирующих про- 40 водящий канал, определяется не формой и размерами электрода, а стенками канала. Поэтому загрязнения токового электрода почти не влияют на погрешность измерения электропровод- 45 ности.

Во-вторых, потенциальный электрод, помещенный в канале напротив электрода, оказывается в зоне очень малого градиента напряжения в воде.

Малая величина градиента объясняется тем, что в этой точке линии тока разветвляются на два противоположных направления, а следовательно, и градиент напря>кения изменяет знак на противоположный, проходя через нулевое значение. По этой причине возможные смещения центра потенциального электрода под действием загрязнений или технологических причин не вызы- 60 вают ощутимого изменения его потенциала относительно точки заземления, а следовательно, не снижают точности измерений. Тот факт, что в данной схеме измеряется не разность потен- 65 циалов между двумя точками в воде, а потенциал в одной точке относительно заземленной поверхности крышки зонда, значения не имеет, так как у поверхности крышки скачок потенциала отсутствует.

В-третьих, загрязнения второго токового электрода, в качестве которого используется проводящая поверхность крышки зонда, также не влияют на результат измерения, поскольку его площадь относительно велика (в тысячу раз больше площади первого электрода), переходное сопротивление ничтожно мало и его вариациями под действием загрязнений можно пренебречь. По этой же нричине у поверхности заземленной крышки отсутствует скачок потенциала. Именно это обстоятельство позволяет отказаться от использования второго потенциального электрода и производить измерение напряжения на единственном потенциальном электроде относительно крышки зонда.

В-четвертых, выходной сигнал ячейки измеряется вольтметром с заземленным входом, что обусловлено наличием заземленной клеммы у эталонного резистора в электронной схеме управления. По сравнению с известным устройством, где используется вольтметр с изолированным входом, это позволяет, повысить точность измерения и упростить общую схему прибора, концентрацию ячейки и электронную схему управления.

По сравнению с известным кондукто. метром из конструкции исключаются один потенциальный и фактически один токовый электрод и связанные с ними герметизированные токовводы внутрь зонда. В электронной схеме исключаются один операционный усилитель, эталонный резистор и разделительный конденсатор, что в конечном итоге повышает надежность работы ячейки.

Взамен этого введены калибрующая кварцевая трубка и согласующий трансформатор.

В конструкции ячейки сохраняется зависимость точности измерений от загрязнений стенок проводящего канала, однако допустимая толщина слоя загрязнений во много раз больше,чем на поверхности электродов, поскольку в. этом случае "работает" не изолирующий эффект слоя, а лишь сокращение площади сечения канала. Вероятность заметного уменьшения просвета канала под действием загрязнений в приборах зондирующего типа весьма мала.

На фиг. 1 приведена конструкция ячейки кондуктометра; на фиг. 2 электронная схема кондуктометра.

Ячейка содержит цилиндрический корпус 1 из изоляционного материала

10751 32 с герметизирующим кольцевым уплотнением 2, устанавливаемый на заземленной проводящей поверхности крышки зонда 3. По оси корпуса имеется сквоз ной канал 4, проходящий от тор ца корпуса до двух радиальных выходов 5 у основания корпуса. Сквозной канал калиброван по размерам кварцевой трубки б. На внутренней поверхности канала диаметрально противоположно установлены токовый электрод 7 и потенциальный электрод 8. От токового электрода 7 на крьыку зонда 3 замыкаются двумя путями через верхнее и нижнее отверстие канала линии тока, которые показаны на рисунке )5 стрелками. В зоне потенциального электрода 8 линии тока разветвляются на два противоположных направления, образуя область с близким к нулю градиентом напряжения. От электродов внутрь зонда к электронной схеме управления проходят герметизированные токовводы 9 и 10.

Электронная схема состоит из операционного усилителя 11, источника

12 опорного напряжения, согласующего трансформатора 13, разделительного конденсатора 14 и эталонного резистора 15. На первый вход операционного усилителя 11 подключен по- З<> тенциальный электрод 8 через разделительный конденсатор 14. Второй вход усилителя подключен к опорному источнику 12 напряжения. Выход операционного усилителя нагружен первичной обмоткой трансформатора 13, а вторичная обмотка трансформатора одним концом подключена -к токовому электроду 7, а другим — к выходной клемме резистора 15. Вторая клемма резистора 15 подключена к шине за- 40 земления.

Кондуктометр, погруженный в морскую воду, работает следующим образом.

При включении источника 12 опорного напряжения на входе усилителя р5

11 появляется сигнал, который усиливается и подается на первичную обмотку трансформатора 13. На выходной

1, обмотке трансформатора также появля ется напряжение, которое приложено между токовым электродом 7 и крышкой зонда 3. Под действием приложенного напряжения через ячейку начинаеупротекать ток, который нарастает до тех пор, пока на потенциальном электроде

8 не появится напряжение, компенсирующее напряжение источника питания.

Под действием цепи обратной связи от потенциального электрода ца вход операционного усилителя рост тока через ячейку прекращается и стабилизируется на таком уровне, при котором потенциал электрода 8 устанавливается почти равным напряжению опорного источника 12. Различие этих напряжений тем меньше, чем больше коэффициент усиления операционного усилителя. Разделительный конденсатор 14, включенный в цепь потенциального электрода, предотвращает попадание на вход усилителя сигнала постоянного тока, образующегося за счет поляризации электрода.

Ток в цепи потенциального электрода отсутствует за счет высокоомности операционного усилителя, благодаря чему исключается влияние нестабильности переходного сопротивления этого электрода.

В установившемся режиме величина тока в электроде 7 и последовательно включенном в цепь эталонном резисторе 15 оказывается прямо пропорциональной электропроводности воды. (Следствие закона Ома в диффернциаль ой форме : ) = g Е.). Величина тока измеряется по падению напряжения в резисторе 15 с помощью внешнего вольтметра с заземленным входом.

Согласующий трансформатор 13 выполняет в схеме функцию согласования относительно высокоомного выхода операционного усилителя с низкоомным сопротивлением ячейки. Кроме того, наличие этого трансформатора позволяет эталонный резистор 15 подключить к корпусу и тем самым .применить более простую и точную измерительную схему внешнего вольтметра с заземленным входом.

Использование изобретения по сравнению с известным позволит повысить качество гидрологических исследований океанов и морей, в частности,за счет уменьшения погрешностей измерения, обусловленных загрязняющими факторами внешней среды, и значительного снижения себестоимости производства изделия в связи с существенным упрощением конструкции.

1075132

Заказ 489/36

Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного ксмитета СССР по делам изобретений и открытий .

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород„ ул. Проектная,4

Составитель М. Кривенко

Редактор T.Кугрышева Техред М,Тепер Корректор A. Тяско