Устройство для кондуктометрических измерений

 

Изобретение относится к устройствам для кондуктометрических измерений и позволяет исключить влияние поляризационного сопротивления электродов на результат измерения удельной электропроводности независимо от того, идентичны рабочие поверхности электродов или нет. Целью изобретения является повышение точности измерений. Цель достигается за счет того, что измерительный канал кондуктометрической ячейки имеет пять ветвей и два узла, одному из которых принадлежат по одному из концов первой, второй и третьей ветвей, а другому по одному из концов четвертой и пятой ветвей, а также другой конец третьей ветви, причем электроды расположены на остальных концах первой, второй, четвертой и пятой ветвей. Кроме того, переключатель устройства имеет четыре положения, в одном из которых к измерителю активной составляющей комплексного сопротивления подключены электроды первой и пятой ветвей в другом электроды пятой и четвертой, в третьем электроды четвертой и второй, а в четвертом электроды второй и первой ветвей. 1 ил.

Изобретение относится к кондуктометрии и может найти применение в устройствах, предназначенных для измерения удельной электропроводности жидкостей. Целью изобретения является повышение точности измерений удельной электропроводности жидкостей. На чертеже изображен один из вариантов предложенного устройства. Устройство содержит кондуктометрическую ячейку, измерительный канал которой, заполняемый исследуемой жидкостью, имеет пять ветвей 1-5, узел 6, к которому примыкают по одному из концов ветвей 1, 2 и 3, и узел 7, к которому примыкают по одному из концов ветвей 4, 5 и другой конец ветви 3. На других концах ветвей 1, 2, 4, 5 расположены электроды 8-11. Измерительный канал ячейки ограничен поверхностью диэлектрика 12. Устройство содержит также переключатель 13, имеющий четыре положения, и измеритель 14 активной составляющей комплексного сопротивления, входными полюсами которого являются клеммы 15 и 16. В состав измерителя входят регулируемый источник напряжения 17 переменного тока, магазин эталонных резисторов 18, магазин конденсаторов 19, индикатор нуля 20, дополнительный конденсатор 21, операционные усилители 22 и 23, между инвертирующим входом и выходом которых включено по одному из резисторов 24, 25. В положении А переключателя 13 к входным клеммам 15 и 16 измерителя 14 подключены электроды 8 и 11, принадлежащие ветвям 1 и 5, в положении В электроды 10 и 11, в положении С электроды 9 и 10 и в положении D электроды 8 и 9. Длины ветвей измерительного канала значительно превышают их поперечные размеры. Измеритель активной составляющей может быть и другим, но данная его схема обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с более традиционными. Работает устройство следующим образом. В положении А переключателя 13 к входным клеммам 15 и 16 измерителя 14 подключены электроды 8 и 11. Остальные электроды оказываются "свободными", они ни к чему не подключены. Ток от источника напряжения 17 течет между электродами 8 и 11. Он проходит также через конденсатор 21, резистор 24 и выход усилителя 22. Кроме того, от источника 17 течет ток также и по другой цепи, которая образована магазином эталонных резисторов 18, магазином конденсаторов 19, резистором 25 и выходом усилителя 23. Ввиду очень большого коэффициента передачи операционных усилителей и наличия цепей отрицательной обратной связи, образованных резисторами 24 и 25, напряжение между инвертирующими входами усилителей и общей шиной пренебрежимо мало. Поэтому практически все напряжение источника 17 оказывается приложенным к последовательному соединению конденсатора 21 и сопротивления ячейки между электродами 8 и 11. Такое же напряжение приложено и к последовательному соединению магазинов 18 и 19. Ток I_я^I, текущий через ячейку, поэтому равен I^I_я= , где I_я^I ток, текущий через ячейку в положении В переключателя 13, выраженный в комплексной форме; U_о напряжение источника 17; R_я^I- активная составляющая комплексного сопротивления ячейки; J_я^I реактивная составляющая комплексного сопротивления ячейки, которая имеет емкостной характер; ω- круговая частота тока; С₂₁ емкость конденсатора 21. Ток же I_м, текущий через магазины 18 и 19, равен: I_м= , где R_м сопротивление магазина 18; С_м емкость магазина 19. Так как практически весь токI_я^I течет и по резистору 24, а ток I_м по резистору 25, то, очевидно, напряжения U₂₂ и U₂₃ на выходах усилителей 22 и 23 (относительно общей шины) могут быть выражены так: U₂₂= R (1) U₂₃= R, (2) где U₂₂ и U₂₃ напряжения на выходах усилителей 22 и 23, выраженные в комплексной форме;
R₂₄ и R₂₅ сопротивления резисторов 24 и 25, которые можно выбрать одинаковыми. Подбором R_м и С_м можно с помощью соответствующего индикатора нуля 20 добиться равенства напряжений U₂₂ и U₂₃ по амплитуде и фазе. Из выражений (1) и (2) следует, что равенство при R₂₄=R₂₅ возможно лишь в том случае, если
R_м=R_я^I
J^I_я , т.е. при нулевом показании индикатора 20
R_м=R_я^I. Таким образом, устройство действительно позволяет определить активную составляющую сопротивления ячейки R_я^I. При этом операционные усилители 22 и 23 работают в режиме с очень малой синфазной составляющей. Роль конденсатора 21 состоит в том, чтобы исключить попадания на вход усилителя 22 постоянной составляющей электродного потенциала ячейки. Но R_я^Iможет быть представлено в виде следующей суммы: R_я^I=R_р^I+R_п ⁽⁸⁾+R_п ⁽¹¹⁾, (3) где R_р^I- сопротивление жидкости в положении переключателя В, т.е. между электродами 8 и 11,
R_п ⁽⁸⁾иR_п ^<N>(11) активные составляющие поляризационных сопротивлений, локализованных вблизи электродов 8 и 11. Действительно, благодаря конструкции ячейки линии тока между электродами 8 и 11 проходят практически только через жидкость. Лишь незначительная часть линий тока оказывается "сцепленной" с электродами 9 и 10. Поэтому в формировании поляризационного сопротивления участвуют лишь электроды 8 и 11. Аналогично во втором положении переключателя 13 может быть измерена величина R_я^II, равная активной составляющей сопротивления ячейки между электродами 11 и 10. При этом в формировании поляризационного сопротивления участвуют лишь электроды 11 и 10. Поэтому
R_я ^II= R_р ^II+R_п ⁽¹¹⁾+R_п ⁽¹⁰⁾ (4) гдеR_р^II- сопротивление, которое оказывает току жидкость в положении А переключателя 13;
R_п ⁽¹¹⁾иR_п ⁽¹⁰⁾- активные составляющие поляризационных сопротивлений, локализованных вблизи электродов 11 и 10. Точно так же в положениях С и D переключателя 13 могут быть измерены R_я ^(III) и R_я ^(IV), для которых будут справедливы следующие равенства:
R_я ^(III)=R_р ^III+R_п ⁽¹⁰⁾+R_п ⁽⁹⁾, (5)
R_я ^(IV)= R_р ^IV+R_п ⁽⁹⁾+R_п ⁽⁸⁾, (6) где R_я^III,R_я^IV активные составляющие сопротивления ячейки в положениях С и D переключателя;
R_р^IIIиR_р^IV сопротивление жидкости в положениях С и D переключателя;
R_п ⁽⁹⁾ активная составляющая поляризационного сопротивления, локализованного вблизи электрода 9. В формулах (3)-(6) отражено также и то обстоятельство, что поляризационное сопротивление любого из электродов не зависит от положений переключателя, в которых электрод оказывается задействованным, так как распределение плотности тока по поверхности электрода в таких положениях практически идентично ввиду специфики предложенной конструкции ячейки, и измерения во всех четырех положениях переключателя могут быть проведены при одних и тех же частотах и амплитудах переменного тока. Отметим, что ток может регулироваться по амплитуде посредством изменения выходного напряжения источника 17, а фиксироваться с помощью, например, вольтметра, подключенного между выходом усилителя 22 и общей шиной. Очевидно, показания вольтметра были бы пропорциональны току, текущему через ячейку. Впрочем, зависимость активной составляющей поляризованного сопротивления от амплитуды тока обычно слабая, так что поддержание амплитуды неизменной может оказаться в некоторых случаях излишним. Для определения с помощью предложенного устройства удельной электропроводимости жидкости необходимо измерить активные составляющие сопротивлений ячейки во всех четырех положениях переключателя 13, т.е. определить величины R_я^I,R_я^II,R_я^III,R_я^IV, а затем вычислить величину r по формуле:
r=R_я^I+R_я^III-(R_я^II+R_я^IV). (7)
Из равенств (3)-(6) следует, что в величине r взаимно уничтожаются поляризационные сопротивления всех электродов, независимо от того, одинаковы они или различны, и результат вычислительных операций, указанных в уравнении (7), оказывается зависящим лишь от величин, характеризующих сопротивление жидкости
r=R_р^I+R_р^III-(R_р^II+R_р^IV). (8)
Очевидно, что величина r всегда отлична от нуля ввиду наличия ветви 3. Величины, входящие в первую часть уравнения (8), можно представить следующим образом:
R_р^I=ρА^I,R_р^II=ρA^II,R_p^III=ρA^III;
R_p^IV=ρA^IV, (9) где ρ удельное сопротивление жидкости;
А^I, А^IIA^III,A^IV- константы ячейки в различных положениях переключателя 13. Подставив уравнение (9) в уравнение (8), получим
r=ρ(A^I+A^III-A^II-A^IV) или rρА (10) где А≡A^I+А^III-А^II-А^IV. Константу А можно определить по эталонному раствору. Соотношение уравнений (10) и (7) показывает, что предложенное устройство позволяет определить удельное сопротивление (или удельную электропроводность) жидкости, измерив активные составляющие сопротивления ячейки в четырех положениях переключателя и проведя несложные вычислительные операции. При этом поляризационные сопротивления, локализованные вблизи электродов, не влияют на результат измерения даже в том случае, если они различны.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащее измерительную ячейку с четырьмя электродами, переключатель и измеритель активной составляющей комплексного сопротивления, состоящей из источника напряжения переменного тока, магазина эталонных резисторов, магазина конденсаторов и индикатора нуля, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений удельной электропроводности жидкостей, измерительный канал ячейки, заполняемый исследуемым раствором, выполнен в виде двух узлов и пяти ветвей, причем один из узлов соединен с одним из концов первой, второй и третьей ветвей, а другой узел с одним концом четвертой и пятой ветвей и вторым концом третьей ветви, а на других концах первой, второй, четвертой и пятой ветвей расположено по одному электроду, при этом переключатель имеет четыре положения, в одном из которых к входу измерителя активной составляющей подключены электроды первой и пятой ветвей, в другом положении электроды пятой и четвертой ветвей, в третьем положении электроды четвертой и второй ветвей, а в четвертом электроды второй и первой ветвей.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---