Способ определения электропроводности и устройство для его осуществления

 

Предлагаемые технические решения относятся к физико-химическим исследованиям и могут быть использованы в химической и других родственных с ней отраслях промышленности. Технической задачей предлагаемых решений является уменьшение погрешности измерения. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе измерения электропроводности облучают две кондуктометрические ячейки с образцовым и измеряемым растворами сигналом высокой частоты с постоянными амплитудой и частотой. Модулируют облучаемый сигнал по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита. Измеряют амплитуды импульсного сигнала с ячеек, при этом амплитуду сигнала высокой частоты стабилизируют за счет поддержания тока через ячейки постоянным. В каждом цикле с постоянным периодом осуществляют измерения мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала ячеек, для этого формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой с момента начала цикла до конца периода. Сравнивают амплитуды эталонного и промодулированного импульсных сигналов с ячеек, подсчитывают число этих импульсов от начала цикла до момента их сравнения, а по соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора. Устройство для измерения электропроводности содержит счетчик, два компаратора и микропроцессор, который соединен с входом генератора, подключенного к образцовой и измерительной ячейкам. Ячейки включены последовательно с выходом генератора, к второму выходу которого подключен счетчик. Выходы счетчика являются информационными входами цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Выходы ЦАП соединены с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы компараторов подключены к выходам ячеек, а выходы - к микропроцессору. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемые технические решения относятся к физико-химическим исследованиям и могут быть использованы в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известны способ и устройство [см. кн. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. - М. : Мир, 1989, с. 383] определения концентрации электролитов, основанные на измерении электропроводности измерительной ячейки, подключенной ко входу операционного усилителя, в цепи обратной связи которого установлен магазин сопротивлений, определяющий выбор диапазона измерения. Сигнал с выхода операционного усилителя поступает на выпрямитель и затем на считывающее устройство.

Недостатками данных решений являются дополнительная погрешность, связанная с преобразованием сигнала, необходимость компенсации реактивной составляющей.

Известны способ определения концентрации электролита и устройство [см. патент РФ N 2011983, G 01 N 27/02, 1994. Бюл. N 8], состоящее из генератора высокой частоты, в частотно-задающую цепь которого, с помощью двунаправленного мультиплексора, включена многозвенная емкостная ячейка, и микропроцессора, вход которого подключен к генератору, а выход к мультиплексору. Способ определения концентрации заключается в изменении частоты генератора через равные промежутки времени, изменении геометрии ячейки за счет последовательного включения в частотно-задающую цепь пар электродов заданной геометрии в различных сочетаниях, определении отношения изменения частоты к текущему значению частоты, расчете по частоте из наименьшего отношения изменения частоты к текущему значению частоты, расчете по частоте из наименьшего отношения искомой концентрации электролита.

Недостатками данных способа и устройства является большое время проведения эксперимента из-за измерения частоты сигнала для всех возможных комбинаций электродов многозвенной ячейки.

За прототип принято устройство [см. а.с. N 1092398 (СССР), кл. G 01 N 27/02, 23.07.82] , состоящее из управляемого генератора частоты, двух резонансных контуров с рабочей и эталонной кондуктометрическими ячейками, двух детектирующих блоков, компаратора, интегратора и блока управления генератором. Способ измерения заключается в параллельном облучении образцовой и измерительной ячейки сигналом высокой частоты, модуляции облучаемого сигнала по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита, детектировании сигналов с ячеек путем усреднения мгновенных значений амплитуды, подбору резонансной частоты по измеренному напряжению, расчету электропроводности по резонансной частоте за счет коррекции, связанной с усреднением мгновенных значений амплитуды облучаемого сигнала.

Недостатком данных решений является высокая погрешность из-за наличия детектирующих блоков, производящих нелинейные операции и косвенное нахождение электропроводности через измерение резонансной частоты, большое время проведения эксперимента, связанное с настройкой контура в резонанс.

Технической задачей предлагаемого решения является уменьшение погрешности измерения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что: 1. В способе измерения электропроводности, состоящем в облучении двух кондуктометрических ячеек, содержащих образцовый и измеряемый раствор, сигналом высокой частоты с постоянной амплитудой и частотой, модуляции облучаемого сигнала по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита, измерении амплитуды импульсного сигнала с ячеек, в отличии от известных решений амплитуду сигнала высокой частоты стабилизируют за счет поддержания тока через ячейки постоянным, в каждом цикле с постоянным периодом осуществляют измерения мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала ячеек, для этого формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой с момента начала цикла до конца периода, сравнивают амплитуды эталонного и промодулированных импульсных сигналов с ячеек, подсчитывают число этих импульсов от начала цикла до момента их сравнения, а по соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора.

2. В устройстве для измерения электропроводности, состоящем из счетчика, компаратора и микропроцессора, соединенного со входом генератора, подключенного к образцовой и измерительной ячейкам, в отличии от прототипа ячейки включены последовательно с выходом генератора, ко второму выходу которого подключен счетчик, выходы которого являются информационными входами цифроаналогового преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы компараторов подключены к выходам ячеек, а выходы подключены к микропроцессору.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемых решений. Наличие совокупности существенных признаков обеспечит повышение оперативности определения электропроводности и достоверности измерений.

Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1-3. Исследуемый раствор электролита с удельной электрической проводимостью χ_x, функционально связанную с концентрацией C_x, помещают во внутреннюю полость бесконтактной кондуктометрической измерительной ячейки (фиг. 1). В сравнительную ячейку помещают раствор электролита с известной электрической проводимостью χ_o, , функционально связанную с концентрацией C₀.

Кондуктометрические ячейки, содержащие образцовый и измеряемый растворы, облучают сигналом высокой частоты с постоянной амплитудой и частотой, за счет чего происходит модуляция облучаемого сигнала по амплитуде. На фиг. 3 приведены временные диаграммы измерения двух растворов с разной электропроводностью, поясняющие сущность способа.

Рассмотрим эквивалентную схему замещения ячейки (фиг. 2), состоящую из активного сопротивления раствора R, емкости C₂, определяющейся диэлектрической проницаемостью раствора, емкости стенок сосуда C₁, константы ячейки K, толщины стенок ячейки d, расстояния между электродами l_ср, абсолютной диэлектрической проницаемости E₀, диэлектрической проницаемости материала стенок ячейки E₁, эффективной площади внутренних обкладок S₁, эффективной площади внешних электродов S₂.

Параметры схемы определяются следующими выражениями: R = K/χ. (3) Комплексное сопротивление эквивалентной схемы замещения (фиг. 2) равно где действительная R_e и мнимая J_m части соответственно равны
Полный импеданс ячейки Z, определяющий амплитуду сигнала на выходе, равен

Из формулы (5) следует, что импеданс Z зависит от величин R, C₁, C₂. В предлагаемом способе измерительную и сравнительную ячейки включают последовательно в цепь генератора с частотой ω = const. Величины C₁ и C₂ - постоянные и определяются конструкцией ячейки, а R - проводимостью раствора, таким образом Z = ϕ(χ).
Ток через ячейки поддерживают постоянным за счет последовательного включения ячеек, т. е. проходящий через них ток I одинаков, падение напряжения соответственно равны:
U₀ = I·Z₀;
U_x = I·Z_x.

Таким образом мгновенное значение амплитуды сигналов на ячейках связаны с электропроводностью электролитов.

Поделив (6) и (7) получим приведенную проводимость измеряемого раствора:

Измерение амплитуд U₀ и U_x импульсных сигналов осуществляют непосредственно по числу импульсов облучаемого сигнала (фиг. 3а). Формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой. Сигнал высокой частоты F₀ и амплитуды U в каждом цикле сравнивают с опорным линейно нарастающим сигналом (фиг. 3б). Если измеряемое напряжение больше опорного формируют сигнал с высоким логическим уровнем, если меньше то с низким (фиг. 3в-г). Пока сравниваемое напряжение по амплитуде больше опорного сигнала формируются импульсы с частотой F₀, с момента начала цикла до момента их сравнения. Число этих импульсов прямо пропорционально мгновенному значению амплитуды измеряемого сигнала. Подсчитывают количество импульсов с ячеек. Таким образом осуществляется линейное преобразование амплитуды переменного сигнала в число.

По соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора.

На фиг. 4 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит генератор опорной частоты 1, счетчик 2, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, сравнительную 4 и измерительную 5 кондуктометрические ячейки, компараторы 6 и 7, микропроцессор 8.

Генератор 1 служит для облучения ячеек высокочастотным сигналом со стабилизированной частотой и управления счетчиком.

Счетчик 2 необходим для формирования линейно нарастающего цифрового кода управления ЦАП 3.

ЦАП 3 предназначен для преобразования цифрового кода в аналоговый эталонный сигнал.

Кондуктометрические ячейки 4 и 5, содержащие образцовый и измеряемый раствор, являются первичным измерительным преобразователем.

Компараторы 6 и 7 предназначены для сравнения аналогового эталонного сигнала с амплитудами напряжений ячеек 4 и 5.

Микропроцессор 8 осуществляет подсчет импульсов, поступивших с компараторов 6, 7, управление генератором 1, а также калибровку, нормировку и расчет характеристик электролита.

Устройство работает следующим образом.

С генератора 1 высокочастотный сигнал, с постоянной частотой, амплитуды U_оп и длительностью импульсов t_оп (фиг. 3а) облучает две последовательно соединенные кондуктометрические ячейки 4 и 5, содержащие образцовый и измеряемый раствор, облучающий сигнал модулируют по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью растворов. Генератор 1 управляет работой счетчика 2, с выхода которого линейно нарастающий цифровой код подается на вход ЦАП 3. Началу цикла измерения соответствует код N=0, а концу цикла код N=N_max. На выходе ЦАП 3 формирует эталонный сигнал, изменяющийся по линейному закону (фиг. 3б) U_ЦАП = K₁·t.

Скорость нарастания напряжения K₁ определяется опорным напряжением ЦАП 3 и частотой генератора 1. Если разрядность счетчика 2 равна n, то через 2ⁿ тактов на его выходе формируется код, равный 0, а на выходе ЦАП 3 установится нулевое напряжение и цикл повторяется (фиг. 3б). Эталонное пилообразное напряжение с ЦАП 3 сравнивают компараторами 6 и 7, с амплитудами промодулированных импульсных сигналов ячеек 4 и 5. На выходе компараторов 6 и 7 формируются импульсы (фиг. 3в-г) с частотой генератора 1 с момента начала цикла до момента равенства амплитуды сигнала с ЦАП 3 и мгновенных значений амплитуд измеряемых сигналов t₁ и t₂. Микропроцессор 8 подсчитывает импульсы, поступившие с компараторов 6 и 7 за период измерения. Количество импульсов пропорционально амплитуде напряжений с ячеек 4 и 5. Так как ячейки 4 и 5 включены последовательно, то амплитуда сигналов, поступающих с них на компараторы 7 и 6 соответственно равны
U₁ = U_x;
U₂ = U₀ + U_x,
где U₀ - падение напряжения на образцовой ячейке;
U_x - падение напряжения на измерительной ячейке.

Количество подсчитанных импульсов с компараторов 7 и 6 равно
N₁ = α·U₁ = α·U_x;
N₂ = α·U₂ = α·(U₀+U_x),
где

Микропроцессор вычисляет соотношение

Из (8) получаем

Микропроцессор 8 подбирает диапазон измерений путем изменения частоты генератора 1, меняя коэффициент деления опорной частоты.

Докажем эффективность предлагаемого решения по отношению к прототипу.

Детектирование импульсного периодического сигнала с амплитудой A(t) в прототипе происходит интегрированием за интервал (0-T):

В предлагаемом устройстве непосредственно измеряется амплитуда импульсного сигнала A(t): A₂ = A(t).

Погрешность измерений по отношению к прототипу:

В качестве функции A(t) выберем линейную функцию A(t) = K·t, тогда

т. е. динамическая погрешность прототипа составляет 50%, тогда как в предлагаемых решениях динамическая погрешность за счет непосредственных измерений отсутствует.

Если A(t) = K·t², тогда

таким образом с возрастанием производной функции входного сигнала динамическая погрешность прототипа стремится к 100%, а у предлагаемого решения равна нулю.

Электропроводность в прототипе определяется косвенным образом через измерение частоты резонанса, в предлагаемом способе электропроводность вычисляется явным образом из полного сопротивления ячейки, что снижает погрешность измерений.

Реализация способа осуществлена в микропроцессорном кондуктометре на базе персонального компьютера "Сириус" с трехшинной архитектурой и микропроцессором Z-80. Генератор и счетчик выполнены на основе ИМС серии 1533. Кондуктометрическая емкостная ячейка с кольцевыми электродами из медной фольги:
Диаметр ячейки D, мм - 24
Толщина стенок ячейки d, мм - 2
Высота электродов h, мм - 20
Результаты экспериментов, проведенных на модельных растворах NaCl с бесконтактной кондуктометрической ячейкой, представлены на фиг. 5.

Таким образом, измерение мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала с кондуктометрических ячеек при контроле электропроводности растворов электролитов, в отличии от известных решений, повышает достоверность измерений и устраняет динамическую погрешность.

Формула изобретения

1. Способ измерения электропроводности, состоящий в облучении двух кондуктометрических ячеек, содержащих образцовый и измеряемый растворы, сигналом высокой частоты с постоянными амплитудой и частотой, модуляции облучаемого сигнала по амплитуде, мгновенное значение которой связано с электропроводностью электролита, измерении амплитуды импульсного сигнала с ячеек, отличающийся тем, что амплитуду сигнала высокой частоты стабилизируют за счет поддержания тока через ячейки постоянным, в каждом цикле с постоянным периодом осуществляют измерения мгновенного значения амплитуды импульсного сигнала ячеек, для этого формируют эталонный сигнал с линейно нарастающей амплитудой с момента начала цикла до конца периода, сравнивают амплитуды эталонного и промодулированных импульсных сигналов с ячеек, подсчитывают число этих импульсов от начала цикла до момента их сравнения, а по соотношению числа импульсов с ячеек находят электропроводность исследуемого раствора.

2. Устройство для измерения электропроводности, состоящее из счетчика, компаратора и микропроцессора, соединенного с входом генератора, подключенного к образцовой и измерительной ячейкам, отличающееся тем, что ячейки включены последовательно с выходом генератора, к второму выходу которого подключен счетчик, выходы которого являются информационными входами цифроаналогового преобразователя, выходы которого соединены с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы компараторов подключены к выходам ячеек, а выходы подключены к микропроцессору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5