Устройство для измерения электропроводности жидкости

 

Использование: в измерительной технике и в океанологических исследованиях, в частности для измерения электропроводности морской воды при производстве морских геоэлектроразведочных работ. Сущность изобретения: устройство содержит датчик 1, резистор 2, триггер Шмитта 3, компаратор 4. элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, фильтр 6, регистратор 7. Особенностью изобретения является выбор порога срабатывания к. выходному напряжению триггера Шмитта. исходя из диапазона изменения электропроводности жидкости. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рз

И

4

6д

©

О

i(A о

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4798734/21 (22) 05.03.90 (46) 30.05.92, Б.юл. М 20 (71) Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола (72) С.В.полозов (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1233024, кл. G 01 R 27/02, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ . злектРопРоводности жидкости (57) Использование: в измерительной технике и в океанологических исследованиях, в!

Ы,, 1736936 А1 (я)5 6 01 Я 27/22, G 01 N 27/02 частности для измерения электропроводности морской воды при производстве морских геоэлектроразведочных работ, Сущность изобретения: устройство содержит датчик 1, резистор 2, триггер Шмитта 3, компаратор 4, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 5, фильтр 6, регистратор 7. Особенностью изобретения является выбор порога срабатывания к. выходному напряжению триггера Шмитта, исходя из диапазона изменения электропроводности жидкости. 4 ил.

1736936

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологических исследованиях, в частности для и.змерения электропроводности морской воды при производстве морских геоэлектроразведочных работ.

Известны устройства для измерения электропроводности жидкости на основе многообмоточного с двумя магнитопроводами индуктивного датчика. В одном устройстве устранена зависимость коэффициента преобразования индуктивного датчика от изменения магнитной проницаемости магнитного сердечника датчика. Однако сохраняется сильная зависимость от изменения параметров сигнала генератора подмагничивания. В другом устройстве уменьшено влияние сигнала задающего генератора, но существует зависимость от параметров индуктивного датчика:

Недостатком известн ых устройств я вляется низкая точность измерения и сложность индуктивного датчика, Известные устройства имеют по три обмотки, а следовательно, шесть выводов и лишь частично каждое в отдельности решает задачу увеличения точности измерений, В то же время применение устройства для измерения электропроводности жидкости в глубоководных буксируемых или автономных аппаратах для исследования электромагнитных полей в океанах ставит задачу максимального уменьшения числа изолированных выводов из прочного корпуса, так как это увеличивает надежность эксплуатации аппарата.

Наиболее близким к предлагаемому яв-, ляется устройство для измерения электропроводности жидкости, имеющее всего одну катушку датчика, которое содержит автогенератор с индуктивным датчиком, подключенным одним выводом к общей шине устройства, преобразователь сигнала автогенератора, последовательно соединенные фильтр нижних частот и регистратор, схему управления, коммутатор. Принцип работы устройства основан на поочередном измерении регистратором постоянной составляющей коллекторного тока автогенератора без компенсации потерь в резонансном контуре, вызываемых изменением электропроводности среды, и в момент компенсации, и в преобразовании их разности в выходной сигнал.

Однако это устройство имеет низкую точность измерения, так как при изменении эквивалентного сопротивления контура изменяется угол отсечки коллекторного тока схема устройства; на фиг.2 — временные ди25 аграммы работы устройства; на фиг,3 — эквивалентная схема индуктивно-резистивного звена; на фиг.4 — пример практического выполнения устройства, 30

Устройство для измерения электропроводности жидкости содержит индуктивный датчик 1, резистор 2, триггер 3 Шмитта, компаратор 4, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, ФНЧ 6, регистратор 7.

Обмотка индуктивного датчика 1 включена между выходом и входом триггер 3 Ш митта, выход которого подключен к первому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 5, а вход через резистор 2 — к общей

4Q шине устройства и непосредственно к-первому входу компаратора 4, Второй вход компаратора 4 подключен к общей шине устройства, а выход — к втооому входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5, выход которого подключен к входу ФНЧ 6.

Выход ФНЧ 6 подключен к регистратору 7, Устройство работает следующим образом.

Триггер Шмитта с индуктивно-резистивным звеном в цепи отрицательной обратной связи образует релаксационный генератор.

Рассмотрим LR-звено с индуктивностью, зашунтированной резистором R1. Сопротивление резистора R1 равно р и где р -- сопротивление жидкостного витка, n— число витков индуктивного датчика. При подаче на вход звена перепада напряжения

55 транзистора, который сильно зависит от изменения параметров транзистора.

Целью изобретения является увеличение точности измерения.

5 Указанная цель достигается тем, что в. устройство для измерения электропроводности, содержащее индуктивный датчик, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот(ФНЧ) и регистратор, 10 введены резистор. триггер Шмитта, компаратор и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, причем обмотка индуктивного датчика включена между выходом и входом триггера Шмитта, выход которого подклю15 чен к первому входу логического элемента

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а вход через резистор к общей шине устройства и непосредственно к первому выходу компаратора, второй вход компаратора подключен к об20 щей шине устройства, а выход — к второму входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подключен к вхо- ду ФНЧ.

На фиг.1 приведена функциональная

1736936

К1+1и m

Кг + In m. (7) амплотудой Овх зависимость выходного напряжения Оных от времени:

Овв (1) = Ов (1-m ехР(-юо m т)), (1) где wî,. . = =В/L;

m — = (2)

1 + R/ R1 1 + Р,/р, пг

Время нарастания выходного напряже-. ния до уровня U1: т1 = — In (m Овх/(Овх U 1)), (3)

Т

Гп где T=L/R — постоянная времени LR-звена.

В данном случае согласно фиг,2

Овх=Оо+ Оп, 01=20n, где Uo — амплитУда . выходного напряжения, а Un — напряжение срабатывания триггера Шмитта.

Отсюда находим: период следования импульсов на выходе релаксационного генератор.а:

Форма выходного напряжения триггера

Шмитта показана на эпюре а, а выходного — на эпюре б (фиг.2).; Выходное напряжение компаратора 4 изменяется согласно эпюре в, при переходе входного напряжения триггера 3 Шмитта через нуль.

Длительность задержки выходного напряжения компаратора 4 относительно фронтов выходного. напряжения триггера 3

Шмитта равна. сз = — 1и (m ) (5)

Т: Up+un гп Uo

Выходное напояжение логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 соответствует "1". при различии и "0". при совпадении уровней на его входах и показано на эпюре г (фиг.2).

Скважность-импульсов на выходе логического элемента. ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5 равна:

Оо + Un)

1 Uo + Un, (6) тз „, („„ А + Оп) ,Uo . Как видно, выражение (б) не зависит от изменения магнитной проницаемости сердечника (одного из наиболее сил ьн ых дестабилизирующих факторов). Для устранения влияния изменения выходного напряжения триггера Шмитта (вследствие изменений напряжения питания или параметров вы ходного каскада триггера) порог срабатывания Un формируется из выходного напряжения триггера (Llo) с помощью резистивного делителя например, (4), При этом скважность равна где K1 = In: Кг = In — конUp+Un. Uo+Un

0оп Оо станты, зависящие лишь от отношения выходного напряжения к порогу срабатывания триггера Шмитта.

Выходное напряжение ФНЧ 6 равно

U4=01/q, где U1 — амплитуда выходного напряжения логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 5. Полоса пропускания ФНЧ 6 выбрана достаточно низкой, чтобы в необ5

10 ходимой мере ослабить гармоники его, выходного напряжения и пропустить на вход регистратора 7 лишь постоянную составляющую сигнала, В случае использования в качестве логического элемента ИСКЛЮ15

ЧАЮЩЕЕ ИЛИ5микросхемы КМОП-серии амплитуда выходного напряжения микросхемы с высокой точностью равна напряжению питания микросхемы. Применяя

20 высокостабильный источник питания микросхемы, получим выходной напряжение

ФНЧ. зависящее лишь отскважности, а знапараметра m. который определяется по формуле (2) и показывает степень шунтирования резистора 2 сопротивлением жидкостного витка. Сопротивление жидко30 стного витка пересчитывается в цепь первичной обмотки датчика по известному выражению: R1 = /Ъ n, Чем меньше и, тем меньше R1, тем сильнее степень шунтирования резистора 2 сопротивления.жидкостного витка. Это следует и из формального анализа формулы (2):

y= =2R Р * ,.р „г+ )г

40 с

Видно, что с ростом и знаменатель растет быстрее, чем числитель и чувствительност ь у уменьшается.

45 Из этих же соображений для увеличения чувствительности устройства необходимо уменьшать сопротивление жидкостного витка (выбором геометрических размеров датчика) и увеличивать сопротивление резистора 2. Ограничением при этом выступает быстродействие триггера Шмитта. Важен также выбор отношения выходного напряжения к порогу .срабатывания триггера

Ш митта.

Условие .получения высокой чувствительности (в пределе равной оо) устройства определяется из выражения (6) путем приравнивания нулю знаменателя;

In(m о п)=0 (8) чит, зависящее лишь от сопротивления жидкостного витка.

25 Чувствительность датчика зависит от

1736936

Отсюда — = — — 1.

0п 1 (9)

Uo гп

Зная диапазон изменения электропроводности жидкости, из условия (9) можно 5 выбрать отношение порога срабатывания к выходному напряжению триггера Шмитта, Устройство для измерения электропроводности жидкости может быть выполнено, например по фиг,4, где А1 — операционный 10 усилитель К 544 УД2 и резисторы R<, Вз в цепи положительной обратной связи образуют триггер Шмитта, компаратор — микросхема А2 типа К 544 САЗ; логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ вЂ” микросхе- 15 ма К 561 ЛП2, резистор R4 и конденсатор С образуют фильтр нижних частот. В качестве регистратора используется аналого-цифровой преобразователь или цифровой вольтметр. 20

Использование предлагаемого изобретения позволяет выполнять высокоточные измерения (с погрешностью не выше

0,01 ), что почти на два порядка превышает возможности известного устройства изме- 25 рения электропроводности морской воды при производстве морских электроразведоч н ых работ.

Формула изобретения

Устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее индуктивный датчик, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерения, в устройство введены триггер Шмита, резистор, компаратор и логический элемент "ИСКЛ ЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", причем обмотка индуктивного датчика соединена своими выводами с выходом и входом триггера Шмитта, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а вход соединен через резистор с общей шиной устройства и соединен с первым входом е компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной устройства, выход компаратора соединен с вторым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ. выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом регистратора,, 1736936

ЫХ

Йиа 3 с

Составитель Е,Кущ

Редактор Т.Лазоренко Техред М.Моргентал Корректор 3.Лончакова

За.каз 1867 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат ".Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101