Устройство для измерения электрической проводимости жидкости

Изобретение предназначено для измерений электрической проводимости воды и других электролитов и может быть использовано при физико-химических исследованиях жидкостей, а также при автоматическом контроле технологических процессов. Устройство содержит блок сравнения, двухполярный стабилизатор напряжения, источник тока, конденсатор, резистор, три повторителя напряжения, четырехэлектродную кондуктометрическую ячейку. Кроме того введены три образцовых резистора, три коммутатора, преобразователь периода в код и вычислительно-управляющее устройство. Техническим результатом является повышение точности измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к кондуктометрии, предназначено для измерений электрической проводимости воды и других электролитов и может быть использовано при физико-химических исследованиях жидкостей, а также при автоматизированном контроле технологических процессов.

Цель изобретения - повышение точности измерений электрической проводимости жидкости.

Известно устройство для измерения электрической проводимости жидкости, в котором используется трансформаторный датчик (Авторское свидетельство СССР №949464, кл. G01N 27/02, опубликовано 07.08.82., бюллетень №29).

Для повышения точности измерений в этом устройстве кроме основного измерения выполняются два дополнительных: при подключении с помощью дополнительной обмотки и ключа образцового резистора и при коммутации выводов обмоток трансформаторного датчика. Результаты этих трех измерений используются для вычисления значения измеряемой электрической проводимости жидкости. Повышение точности измерений достигается за счет исключения влияния на результат измерений ряда параметров функции преобразования измерительного устройства.

Указанное устройство имеет следующие недостатки:

1. Вследствие применения трансформаторного датчика измерительное устройство имеет низкий уровень выходного параметра и соответственно большие погрешности при измерениях малых проводимостей (практически такие устройства используются для измерения удельных проводимостей более 0,1 См/м).

2. Используется линейная математическая модель функции преобразования измерительного устройства, поэтому погрешность нелинейности не корректируется, что также снижает точность измерений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для дистанционного измерения электрической проводимости жидкости, в котором используется четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка (Авторское свидетельство СССР №1635103, кл. G01N 27/02, опубликовано 15.03.91., бюллетень №10).

Устройство представляет собой автогенераторный преобразователь удельной электрической проводимости жидкости в период повторения прямоугольных импульсов. Применение контактной кондуктометрической ячейки обеспечивает возможность его использования в широком диапазоне электрических проводимостей и, в частности, в диапазоне низких проводимостей жидкости.

Однако данное устройство не обеспечивает высокой точности измерений по следующим причинам:

1. Параметры функции преобразования проводимости воды в период повторения импульсов изменяются во времени, главным образом, вследствие влияния изменений внешних дестабилизирующих факторов (в первую очередь, температуры).

2. Номинальная функция преобразования проводимости в период линейная, в то время как реальная градуировочная характеристика нелинейная, что обусловлено, главным образом, неидеальностью источника тока и нелинейностью функции преобразования напряжения на конденсаторе в ток питания кондуктометрической ячейки.

В устройство, содержащее блок сравнения, двухполярный стабилизатор напряжения, источник тока, конденсатор, резистор, три повторителя напряжения, кондуктометрическую ячейку с двумя токовыми и двумя потенциальными электродами, в котором выход блока сравнения соединен с первым входом двухполярного стабилизатора, выход которого подключен к первому входу блока сравнения и ко входу источника тока, второй вход двухполярного стабилизатора соединен с выходом первого повторителя напряжения, выход источника тока соединен со входом второго повторителя напряжения и одной обкладкой конденсатора, другая обкладка которого соединена с выходом третьего повторителя напряжения, выход второго повторителя напряжения соединен с одним выводом токозадающего резистора, другой вывод которого соединен со входом третьего повторителя напряжения, введены три образцовых резистора, три коммутатора, преобразователь периода в код и вычислительно-управляющее устройство, причем все четыре входа первого коммутатора соединены со входом третьего повторителя напряжения, первый выход первого коммутатора соединен с первым токовым электродом кондуктометрической ячейки, второй, третий и четвертый выходы первого коммутатора соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами второго коммутатора, первый вход которого соединен с первым потенциальным электродом кондуктометрической ячейки, все четыре выхода второго коммутатора соединены со вторым входом блока сравнения, один вывод первого образцового резистора соединен со вторым выходом первого коммутатора, один вывод второго образцового резистора соединен с третьим выходом первого коммутатора, один вывод третьего образцового резистора соединен с четвертым выходом первого коммутатора, другие выводы трех образцовых резисторов и второй токовый электрод кондуктометрической ячейки соединены с общей шиной устройства, первый вход третьего коммутатора соединен со вторым потенциальным электродом кондуктометрической ячейки, второй, третий и четвертый входы третьего коммутатора соединены с общей шиной устройства, а все четыре выхода третьего коммутатора соединены со входом первого повторителя напряжения, вход преобразователя периода в код подключен к выходу двухполярного стабилизатора напряжения, выход преобразователя периода в код подключен ко входу вычислительно-управляющего устройства, один выход которого соединен с управляющим входом преобразователя периода в код, другой выход соединен с управляющими входами трех коммутаторов, а третий выход является выходом измерительного устройства.

Функциональная схема устройства для измерения электрической проводимости жидкости изображена на чертеже.

Устройство содержит кондуктометрическую ячейку 1 с двумя токовыми 2, 3 и двумя потенциальными 4, 5 электродами, блок сравнения 6, двухполярный стабилизатор напряжения 7, источник тока 8, конденсатор 9, токозадающий резистор 10, три повторителя напряжения 11, 12, 13, три образцовых резистора 14, 15, 16, тор коммутатора 17, 18, 19, преобразователь периода в код 20 и вычислительно-управляющее устройство 21.

Выход блока сравнения 6 подключен ко входу двухполярного стабилизатора напряжения 7, ко второму входу которого подключен выход повторителя напряжения 11. Выход двухполярного стабилизатора напряжения 7 соединен со входами блока сравнения 6, источника тока 8 и преобразователя период в код 20. Выход источника тока 8 соединен со входом повторителя напряжения 12 и с одной обкладкой конденсатора 9, другая обкладка которого соединена с выходом повторителя напряжения 13. Выход повторителя напряжения 12 соединен с одним выводом токозадающего резистора 10, другой вывод которого соединен со входом повторителя напряжения 13 и со всеми четырьмя входами коммутатора 17. Первый выход коммутатора 17 соединен с первым токовым электродом 2 кондуктометрической ячейки 1. Второй, третий и четвертый выходы коммутатора 17 соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами коммутатора 18, первый вход которого соединен с первым потенциальным электродом 2 кондуктометрической ячейки 1. Все выходы коммутатора 18 соединены со вторым входом блока сравнения 6. Выводы образцовых резисторов 14, 15, 16 соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым выходами коммутатора 17. Другие выводы образцовых резисторов 14, 15, 16 и второй токовый электрод 3 кондуктометрической ячейки 1 соединены с общей шиной устройства. Первый вход коммутатора 19 соединен со вторым потенциальным электродом 5 кондуктометрической ячейки 1. Второй, третий и четвертый входы коммутатора 19 соединены с общей шиной устройства, а все выходы коммутатора 19 подключены ко входу повторителя напряжения 11. Выход преобразователя периода в код 20 подключен ко входу вычислительно-управляющего устройства 21, один выход которого соединен с управляющим входом преобразователя периода в код 20, другой выход соединен с управляющими входами коммутаторов 17, 18, 19, а третий выход является выходом измерительного устройства.

Устройство работает следующим образом.

По команде вычислительно-управляющего устройства 21 коммутаторы 17, 18, 19 замыкают цепи "а" (остальные цепи коммутаторов разомкнуты). При этом токовый электрод 2 кондуктометрической ячейки 1 подключен к токозадающему резистору 10, потенциальный электрод 4 подключен ко входу блока сравнения 6, а потенциальный электрод 5 - ко входу повторителя напряжения 11. В зависимости от уровней напряжений на входах блока сравнения 6 на его выходе устанавливается напряжение либо положительной либо отрицательной полярности.

Напряжение на выходе двухполярного стабилизатора 7 равно

где - напряжение на выходе двухполярного стабилизатора;

U_ст - напряжение стабилизации двухполярного стабилизатора;

U₅₀ - напряжение на выходе повторителя напряжения 11, равное разности потенциалов между потенциальным электродом 5 и общей шиной устройства.

Источник тока 8 выдает постоянный ток, направление которого определяется знаком выходного напряжения двухполярного стабилизатора 7. Этот ток заряжает конденсатор 9. При постоянстве тока заряда напряжение на конденсаторе 9 изменяется линейно и при нулевом начальном напряжении равно

где U_c(t) - напряжение на конденсаторе 9;

I - ток заряда;

t - время от начала заряда;

С - емкость конденсатора 9.

Повторители напряжения 12 и 13 обеспечивают равенство напряжений на конденсаторе 9 и токозадающем резисторе 10. Вследствие этого через резистор 10 протекает ток, равный

где I_R(t) - ток через резистор 10;

R₀ - сопротивление резистора 10.

Этот же ток протекает через кодуктометрическую ячейку 1.

Потенциалы электродов 4 и 5 относительно общей шины устройства равны:

где U₄₀(t) - потенциал электрода 4 относительно общей шины;

U₅₀(t) - потенциал электрода 5 относительно общей шины;

R₄₅ - сопротивление участка исследуемой жидкости между электродами 4 и 5;

R₅₀ - сопротивление между электродом 5 и общей шиной.

В соответствии с формулами (1) и (5) напряжение на выходе двухполярного стабилизатора 7 равно

В момент времени, когда напряжение U₄₀ на инвертирующем входе блока сравнения 6 станет равным напряжению на его неинвертирующем входе, напряжение на выходе блока сравнения 6 сменит знак и соответственно изменится направление тока I на выходе источника тока 8. Далее процесс повторяется при других полярностях напряжений и направлениях токов.

В момент срабатывания блока сравнения 6 а следовательно,

Рассмотренный интервал времени до момента срабатывания блока сравнения 6 равен четверти периода релаксационных колебаний, так как полный период определяется изменением напряжения U₄₀ от до и обратно. Учитывая формулы (3) и (7), получим

где Т_х - период колебаний.

Для перехода к удельной электрической проводимости жидкости используют геометрическую постоянную ячейки:

где К - геометрическая постоянная кондуктометрической ячейки;

σ - удельная электрическая проводимость жидкости.

Период колебаний Т_х связан с измеряемой удельной электрической проводимостью жидкости формулой

где А=4·R_0·C·U_ст/I.

Таким образом, в описанном устройстве осуществляется преобразование удельной электрической проводимости жидкости в период повторения прямоугольных импульсов на выходе двухполярного стабилизатора напряжения.

По команде вычислительно-управляющего устройства 21 в преобразователе периода в код 20 выполняется преобразование периода Т_х в цифровой код N_x:

где В - коэффициент преобразования периода в код.

Полученный код N_x запоминается в памяти вычислительно-управляющего устройства 21.

Формула (11) отражает характер взаимосвязи величин N_x и σ_х, однако ее использование в качестве функции преобразования измерительного устройства не позволяет обеспечить высокую точность измерений, так как эта формула не учитывает смещение характеристики из-за наличия временных задержек в звеньях устройства и нелинейность характеристики, вызываемую неидеальностью источника тока 8 и нелинейностью преобразования напряжения на конденсаторе 9 в ток питания кондуктометрической ячейки 1 при наличии значительной поляризации токовых электродов. Кроме того, коэффициент А зависит от многих параметров устройства (R₀, С, U_ст, I), нестабильность которых вызывает погрешности измерений.

В связи с этим для повышения точности измерений применяется нелинейная математическая модель функции, обратной градуировочной характеристике устройства:

где σ_x - удельная электрическая проводимость жидкости;

N_x - код на выходе преобразователя периода в код 20;

a₀, a₁, а₂ - коэффициенты, зависящие от параметров элементов и узлов устройства.

После запоминания кода N_x вычислительно-управляющее устройства 21 формирует команду, по которой в коммутаторах 17, 18, 19 замыкаются цепи "b" (остальные цепи разомкнуты). При этом кондуктометрическая ячейка 1 отключается, а вместо нее к преобразователю подключается образцовый резистор 14. В устройстве устанавливается соответствующий период повторения импульсов, который по команде вычислительно-управляющего устройства 21 преобразуется в цифровой код N₁, запоминаемый в этом устройстве.

В соответствии с используемой математической моделью (12) формулу, связывающую код N₁ с проводимостью g₁ образцового резистора 14, можно представить в виде

где К - геометрическая постоянная кондуктометрической ячейки.

Затем аналогичным образом по командам вычислительно-управляющего устройства 21 вместо кондуктометрической ячейки 1 поочередно подключаются образцовые резисторы 15 и 16. Соответствующие коды N₂ и N₃ запоминаются в вычислительно-управляющем устройстве 21.

По аналогии с формулой (13) имеем

где g₂ - проводимость образцового резистора 15;

g₃ - проводимость образцового резистора 16.

Проводимости g₁, g₂, g₃ образцовых резисторов выбираются таким образом, чтобы значения K·g₁, K·g₂, K·g₃ соответствовали диапазону измеряемых удельных электрических проводимостей жидкости, причем g₁≠g₂≠g₃.

Формулы (12)-(15) можно рассматривать как систему уравнений с неизвестными σ, а₀, a₁, a₂. Решая эту систему уравнений относительно σ путем исключения неизвестных а₀, a₁, а₂, получим

где: С₀=К·g₁;

С₁=K·(g₃-g₁);

С₂=K·(g₁-g₂);

Z₁=[(N_x-N₁)·(N_x-N₂)]/[(N₃-N₂)·(N₃-N₁)];

Z₂=[(N_x-N₁)·(N_x-N₃)]/[(N₃-N₂)·(N₂-N₁)].

Вычисление значения измеряемой удельной электрической проводимости жидкости по формуле (16) выполняется в вычислительно-управляющем устройстве 21.

Анализ формулы (16) показывает, что вычисленная по этой формуле оценка измеряемой удельной проводимости жидкости не зависит от коэффициентов а₀, a₁, a₂ математической модели (12), а следовательно, от ряда нестабильных параметров элементов и узлов устройства: напряжения стабилизации U_ст, тока заряда конденсатора 9 и емкости этого конденсатора, сопротивления токозадающего резистора 10, смещений нуля блока сравнения, повторителей напряжения и других блоков устройства. Так как используемая математическая модель (12) - полином второго порядка, то корректируется и погрешность нелинейности измерительного устройства.

Достоинством используемой модели (12) является также то, что оценка измеряемой удельной проводимости жидкости может быть вычислена по формуле (16) как в случае нелинейной функции преобразования (а₂≠0), так и в случае линейной функции преобразования (а₂=0) измерительного устройства.

Таким образом, в данном устройстве при реализации описанного выше алгоритма измерений и вычислении значения измеряемой удельной проводимости жидкости по формуле (16) осуществляется автоматическая коррекция аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности, а также погрешности нелинейности. При этом достижимая точность измерений определяется, главным образом, стабильностью сопротивлений образцовых резисторов 14, 15, 16 и стабильностью геометрической постоянной кондуктометрической ячейки.

В изготовленном устройстве были применены образцовые резисторы фирмы MEGGITT HOLSWORTNY с температурным коэффициентом сопротивления 10·10^-6 1/°С. Для обеспечения стабильности параметров кондуктометрической ячейки она изготовлена из кварцевого стекла и имеет платиновые электроды. Точность и стабильность преобразователя периода в код обеспечивается кварцевым резонатором. Остальные элементы и узлы устройства не являются прецизионными. Цифровая часть устройства выполнена на базе микропроцессора.

Экспериментальные исследования показали, что полная погрешность измерений в диапазоне изменения удельной электрической проводимости (0,05...6,5) См/м и диапазоне температур (0...50)°С не превышает 0,05%.

Предлагаемое устройство предназначено для высокоточных измерений удельной электрической проводимости жидкости и может быть использовано как при исследованиях различных водных объектов, так и при автоматическом контроле технологических процессов.

Устройство для измерения электрической проводимости жидкости, содержащее блок сравнения, двухполярный стабилизатор напряжения, источник тока, конденсатор, резистор, три повторителя напряжения, кондуктометрическую ячейку с двумя токовыми и двумя потенциальными электродами, в котором выход блока сравнения соединен с первым входом двухполярного стабилизатора напряжения, выход которого подключен к первому входу блока сравнения и ко входу источника тока, второй вход двухполярного стабилизатора соединен с выходом первого повторителя напряжения, выход источника тока соединен со входом второго повторителя напряжения и с одной обкладкой конденсатора, другая обкладка которого соединена с выходом третьего повторителя напряжения, а выход второго повторителя напряжения соединен с одним выводом токозадающего резистора, другой вывод которого соединен со входом третьего повторителя напряжения, отличающееся тем, что в него введены три образцовых резистора, три коммутатора, преобразователь периода в код и вычислительно-управляющее устройство, причем все четыре входа первого коммутатора соединены со входом третьего повторителя напряжения, первый выход первого коммутатора соединен с первым токовым электродом кондуктометрической ячейки, второй, третий и четвертый выходы первого коммутатора соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым входами второго коммутатора, первый вход которого соединен с первым потенциальным электродом кондуктометрической ячейки, все четыре выхода второго коммутатора соединены со вторым входом блока сравнения, один вывод первого образцового резистора соединен со вторым выходом первого коммутатора, один вывод второго образцового резистора соединен с третьим выходом первого коммутатора, один вывод третьего образцового резистора соединен с четвертым выходом первого коммутатора, другие выводы трех образцовых резисторов и второй токовый электрод кондуктометрической ячейки соединены с общей шиной устройства, первый вход третьего коммутатора соединен со вторым потенциальным электродом кондуктометрической ячейки, второй, третий и четвертый входы третьего коммутатора соединены с общей шиной устройства, а все четыре выхода третьего коммутатора соединены со входом первого повторителя напряжения, вход преобразователя периода в код подключен к выходу двухполярного стабилизатора напряжения, выход преобразователя периода в код подключен ко входу вычислительно-управляющего устройства, один выход которого соединен с управляющим входом преобразователя периода в код, другой выход соединен с управляющими входами трех коммутаторов, а третий выход является выходом измерительного устройства.