Устройство для измерения электропроводимости

 

Использование: в измерительной технике, а именно в устройствах для измерения и контроля электрических параметров электропроводящих сред. Сущность: в устройство для измерения электропроводимости, содержащее стабилизированный генератор синусоидльного напряжения, две клеммы, конденсатор, резистор, фильтр нижних частот, введены усилитель напряжения переменного тока, формирователь противофазных прямоугольных импульсов напряжения с синусоидального, синхронный детектор с синхронным фильтром. Стабилизированным источником синусоидального напряжения создается ток через последовательно включенные измерительную двухэлектродную ячейку и резистор. Напряжение на резисторе пропорционально величине проводимости, усиливается, оно фильтруется от шумов первого каскада усиления, от помех и наводок, преобразуется в напряжение постоянного тока и измеряется регистратором напряжения постоянного тока. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения средних значений электрической проводимости и может быть использовано для измерения и контроля параметров различных электропроводящих сред.

Известно устройство для измерения средних значений электропроводимости, использующее способ непосредственного преобразования проводимости в выходной сигнал. В этом устройстве напряжение источника переменного напряжения модулируется по амплитуде сопротивления контактной измерительной ячейки и после детектирования на выходе устройства появляется электрическое напряжение постоянного тока, величина которого пропорциональна измеряемой электрической проводимости [1].

Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная изменением режима работы устройства при изменении средних значений проводимости в широком диапазоне.

Известно также устройство для измерения проводимости жидкости, которое содержит генератор синусоидального напряжения, подключенный через цепь температурной компенсации к неинвертирующему входу операционного усилителя, двухэлектродную измерительную ячейку, соединенную одним электродом с общим проводом устройства, а вторым электродом через разделительный конденсатор с инвертирующим входом операционного усилителя, выход усилителя соединен со своим инвертирующим входом через параллельно включенные резистор и конденсатор, выход операционного усилителя соединен с последовательно включенным амплитудным детектором и фильтром низких частот, выход фильтра соединен с регистратором [2] . Аналогичное решение применено в выпускаемом в промышленности Венгрии кондуктомере ОК-104 [3].

Недостатками известного устройства являются малая точность измерения, плохая помехоустойчивость.

Цель изобретения - повышение точности и помехоустойчивости измерений.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения проводимости, содержащее стабилизированный генератор синусоидального напряжения, две клеммы для подключения измерительной ячейки, конденсатор, резистор, фильтр нижних частот, к выходу которого соединен регистратор, введены усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор с синхронным фильтром и формирователь 2-х противофазных прямоугольных импульсов напряжения с синусоидального, при этом выход генератора соединен с входом формирователя импульсов непосредственно и через конденсатор с первой клеммой, вторая клемма соединена с входом усилителя переменного тока непосредственно и через резистор с общим проводом, выход усилителя напряжения переменного тока соединен с входом фильтра нижних частот через синхронный детектор с синхронным фильтром, а входы управления синхронного фильтра с синхронным детектором соединены с выходами формирователя импульсов.

Применение в устройстве малошумящего усилителя напряжения переменного тока повышает точность измерения за счет исключения влияния самонагрева, так как измерения проводятся в микромощностных режимах. Повышение точности измерения обеспечивается еще тем, что на результат измерения не влияют емкостная составляющая измеряемой ячейки, а также паразитная емкость соединительных проводов, благодаря применению фазочувствительного каскада - синхронного фильтра с детектором. Применение синхронного фильтра с синхронным детектором в цепи обработки сигнала приводит также к повышению помехоустойчивости.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для измерения электрической проводимости.

Устройство содержит две клеммы 1 и 2 для подключения измерительной ячейки, резистор 3, усилитель напряжения переменного тока 4, синхронный детектор с синхронным фильтром (СДСФ) 5, фильтр нижних частот 6, регистратор 7, стабилизированный генератор синусоидального напряжения (СГСН) 8, формирователь 2-х противофазных прямоугольных напряжений с синусоидального 9, и конденсатор 10. 2-х электродная измерительная ячейка соединяется к клеммам 1 и 2. Первая клемма через конденсатор 10 соединена с выходом СГСН 8, а клемма 2 соединена с выходом усилителя 4, а также с общим проводом через резистор 3. Усилитель напряжения 4 выходом соединен с входом регистратора 7 через последовательно включенные СФСД 5 и фильтр нижних частот 6. Выход СГСН 8 соединен также с выходом формирователя импульсов 9, противофазные выходы которого соединены с входами управления СФСД 5.

Работа устройства поясняется на примере измерения параметров электропроводящей жидкости. Двухэлектродная измерительная ячейка с измеряемой жидкостью соединяется с клеммами 1 и 2. Синусоидальное напряжение с выхода генератора 8 через конденсатор 10 прилагается к клемме 1. Образованный ток проходит через измерительную ячейку, резистор 3 к общему проводу. Падение напряжения на резисторе 3 будет иметь следующую величину.

U_RЗ= , где U_R3 - падение напряжения на резисторе 3; U_г - величина напряжения на выходе СГСН 8; R_г - выходное сопротивление СГСН 8; R_я - величина сопротивления измеряемой ячейки; R₃ - величина сопротивления резистора 3. Обычно R_я >> R_г (величина сопротивления ячеек обычно составляет десятки или сотни килоом тогда, как выходное сопротивление генераторов составляет несколько ом и меньше).

Кроме того, величина сопротивления 3 подбирается так, чтобы выполнялось условие R₃ << R_я, тогда U_RЗ= = U_Г·R_З·G_Я , где G_Я= - величина проводимости измерительной ячейки.

Отсюда видно, что падение напряжения на резисторе 3 пропорционально величине проводимости ячейки.

После усиления усилителем 4 переменного тока напряжение фильтруется от шумов первого каскада усилителя 4, от напряжения наводок и помех и преобразуется в напряжение постоянного тока в синхронном детекторе с синхронным фильтром 5.

Так как СДСФ 5 является фазоизбирательной системой, а величина фазового сдвига между входом и выходом формирователя импульсов 9 нулевая, то напряжение на выходе СДСФ 5 пропорционально активной составляющей проводимости ячейки, так как эта составляющая вызывает ток через резистор 3 с нулевым фазовым сдвигом.

Емкостная составляющая проводимости измерительной ячейки, а также паразитная емкость соединительных проводов создают ток через резистор 3, сдвинутый по фазе на 90^о. Вызванная этим составляющая напряжение после усилителя 4 ослабляется до нулевой величины на выходе СДСФ 5 и в конечном итоге не влияет на результат измерения.

Выходное напряжение СДСФ 5 фильтруется от коммутационных помех электронных ключей СДСФ 5 фильтром нижних частот 6 и измеряется регистратором напряжения постоянного тока 7.

Таким образом, выходное напряжение постоянного тока измеряется регистратором 7, оно пропорционально величине активной проводимости ячейки и с учетом постоянной ячейки пропорционально проводимости измеряемой жидкости.

В разработанном макете устройства для измерения электрической проводимости в качестве СГСН 8 использована схема низкочастотного генератора синусоидального напряжения согласно [4]. Выходной каскад генератора выполнен на операционном усилителе К157УД1А. Для формирования импульсов управления ключей СДСФ 5 применялся ФП на основе усилителя ограничителя на интегральном операционном усилителе с последующими формирователями однополярных противофазных импульсов на основе биполярных транзисторов. Для реализации СДСФ 5 использована схема, аналогичная по известному принципу работе схемой с двумя электронными ключами. Постоянная времени интегрирования для СДСФ 5 составляет 3 с. Фильтр нижних частот 6 представляет собой однозвенный интегратор с постоянной времени 0,1 с. Усилитель напряжения 4 реализован на операционных усилителях, при этом на входном каскаде применен малошумящий операционный усилитель серии К153УД4, а на выходной - К153УД6. В качестве регистратора применен щитовой цифровой вольтметр постоянного тока Ф216-1/2. При токе через измерительную ячейку до 10 мкА величина измеряемых проводимостей составила от 10^-2 до 10^-8 сим. Для калибровки устройства к клеммам 1 и 2 подключились высокоточные резисторы серии С2-14 или С2-29 и изменением коэффициента передачи усилителя 4 приводились показания регистратора 7 в соответствие с реальной величиной измеряемой проводимости (с учетом постоянной измерительной ячейки).

Таким образом, снижением тока через измеряемую ячейку обеспечивается микромощный режим измерения и тем самым обеспечивается высокая точность измерения. Применение сверхузкополосного фильтра и фазочувствительного детектора обеспечивает выделение измеряемого сигнала из смеси шумов первого каскада, наводок и помех и тем самым обеспечивается повышение помехоустойчивости измерения. Кроме этого применением фазочувствительного детектора устраняется влияние емкостной составляющей проводимости измерительной ячейки, а и паразитной емкости соединительных проводов на результат измерения, что также приводит к повышению точности измерения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ, содержащее стабилизированный генератор синусоидального напряжения, две клеммы для подключения измерительной ячейки, конденсатор, резистор, фильтр нижних частот, к выходу которого подключен регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и помехоустойчивости измерения, в него введены усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор с синхронным фильтром и формирователь двух прямоугольных противофазных импульсов напряжения с синусоидального, при этом выход стабилизированного генератора синусоидального напряжения соединен с входом формирователя двух прямоугольных противофазных импульсов напряжения с синусоидального непосредственно и через конденсатор - с первой клеммой для подключения измерительной ячейки, вторая клемма для подключения измерительной ячейки соединена с входом усилителя напряжения переменного тока непосредственно и через резистор - с общей шиной, выход усилителя напряжения переменного тока соединен с входом фильтра нижних частот через синхронный детектор с синхронным фильтром, входы управления синхронного детектора с синхронным фильтром соединены с выходами формирователя импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1