Устройство для измерения электро-проводности жидкости

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п1, 828052

Союз Советских

Социалистических

Республик (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.06.79 (21) 2787891/18-25 с присоединением заявки № (51) М. Кл.з б 01N 27/02 (43) Опубликовано 07.05.81. Бюллетень № 17 (45) Дата опубликования описания 07.05.81 (53) УДК 543.257 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

А. В. Плошинский и В. Н. Хажуев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ЭЛЕКТРО ПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТИ

ГосУдаРственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к гидрофпзическим измерениям и может быть использовано для исследования мелкомасштабной структуры вод океана, а также в экспериментальной гидродинамике для измерения параметров турбулентности и в метрологии в качестве образцового средства измерений средних и пульсационных значений удельной электрической проводимости (УЭП) .

Одной из важных задач современного приборостроения является создание средств измерений УЭП, обеспечивающих высокую достоверность результатов при различных гидрофизических исследованиях. Поэтому большое внимание уделяется разработке кондуктометрических приборов с высокими метрологическими характеристиками. Для кондуктометрических измерений необходимы приборы одновременного измерения в малом локальном объеме потока и средних и пульсационных значений УЭП с чувствительностью порядка 10 — 4 — 10 —" см/м, погрешностью до 1% в частотном диапазоне до сотен герц и более.

Известны устройства для измерения электропроводности, содержащие четырехэлектродную измерительную ячейку с двумя токовыми и двумя потенциальными электродами, источник тока, измерительный усилитель и регистратор среднего значения УЭП (1). Стабилизация задающего тока, протекающего через токовые электроды ячейки, снижает уровень нестабильности контактных электрохимических явлений и обеспечивает удовлетворительную точность и чувствительность измерения среднего значения УЭП.

Однако в этих устройствах невозможно измерить пульсационные значения УЭП, 10 которые характеризуются изменениями напряжения на потенциальных электродах на четыре-пять порядков меньшими, чем измеряемые средние значения УЭП. Кроме того, различные методы повышения точности еще

15 более уменьшают амплитуду сигнала, соответствующего пульсационным значениям

УЭП.

Известно также устройство для измерения электропроводности жидкости, содер20 жащее четырехэлектродную ячейку с токовыми и потенциальными электродами, источник переменного тока, измерительный усилитель, компенсационный трансформатор и регистратор среднего значения (2).

25 При протекании жидкости через ячейку и подаче стабильного по амплитуде тока на токовые электроды между потенциальными электродами создается падение напряжения, пропорциональное удельному электри30 ческому сопротивлению жидкости. Напря828052

15 жение, снимаемое с потенциальных электродов, усиливается и преобразуется в ток измерительным усилителем, выход которого нагружен на первичную обмотку компенсационного трансформатора. При этом через вторичную обмотку трансформатора протекает ток, подводимый от источника к токовым электродам. Указанные обмотки включены дифференциально, поэтому нри равенстве токов в них сигнал в индикаторной обмотке компенсационного трансформатора равен нулю.

При измерении электропроводности среды, обратно пропорциональной электрическому сопротивлению, ток во вторичной обмотке остается неизменным, а в первичной обмотке уменьшается или увеличивается в соответствии с изменениями УЭП. Регулировкой коэффициента передачи измерительного усилителя, т. е. изменением сопротивлений в цепи его обратной связи, добиваются нулевого сигнала в индикаторной обмотке. При ручной компенсации отсчет показаний проводится по положению регулятора переменного сопротивления в цепи обратной связи. При автоматической компенсации сигнал разбаланса на индикаторной обмотке компенсационного трансформатора управляет сервоприводом, кинематически связанным с потенциометром в цепи обратной связи измерительного усилителя и регистратором среднего значения УЭП, например механическим счетчиком. Введепне компенсационного трансформатора позволяет с достаточной точностью уравновесить сигналы в первичной и вторичной обмотках и обеспечить измерение электропроводности жидкости по величине задающего тока и коэффициенту преобразования — напряжения в ток — усилителя.

Однако такое устройство может измерять только среднее значение УЭП. Это объясняется, с одной стороны, низкой скоростью ручного уравновешивания и большой постоянной времени автоматического регулирования, а, с другой стороны, низкой чувствительностью и точностью измерения флуктуаций УЭП, практически исключающих возможность измерения устройством пульсаций УЭП в турбулентных потоках с амплитудой даже в 10 0 относительно ее среднего значения.

По первичной обмотке компенсационного трансформатора протекает ток, мгновенное значение последнего пропорционально мгновенному значению электрического сопротивления объема жидкости между потенциальными электродами. Этот ток несет информацию как о среднем значении УЭП, так и о ее переменной составляющей, которая на несколько порядков меньше среднего значения. Большая постоянная времени ручной компенсации не позволяет реагировать на флуктуации УЭП, меньшие по времени чем

2 — 3 с, поэтому при ручном уравновешива20

25 зю

60 нии основной причиной является постоянная времени. При автоматпчесьой компенсации обмотках трансформатора мощью сервопривода, изменяющего коэффициент передачи измерительного усилителя, происходит отработка исполнительного электродвигателя до тех пор, пока выходной сигнал индикаторной обмотки компенсационного трансформатора не станет равным нлп меньшим порога срабатывания электродвигателя сервосистемы, Очевидно, "To любые флуктуации УЭП, меньшие, чем точность измерения среднего значения, составляющая около 1, не вызывают изменепия состояния электродвигателя. В этом случае также велика постоянная времени отработки (единицы секунд) .

Низкая точность и чувствительность измерения среднего значения УЭП вызвана высоким уоовнем нестабильности электрохимических контактных явлений на потенциальных электродах ячейки, обусловленных низким входным сопротивлением измерительного усилителя. Входное сопротивление измерительного усилителя определяется величиной входного резистора, который должен быть меньше, чем резистор обратной связи, — àê как их соотношение, равное коэффициенту усиления измерительного усилителя, выбирается как можно больше для повышения точности устройства. В этом случае точность устройства ограничена либо высоким уровнем контактных электрохимических процессов на потенциальных электродах либо малой величиной коэффициента преобразования напряжения в ток измерительного усилителя. При этом падает и чувствительность устройства.

Цель изобретения — повышение точности и чувствительности устройства, а также обеспечен: е возможности одновременного измерения средних и пульсационных значений УЭП.

Эта цель достигается тем, что устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее четырехэлектродную ячейку с токовыми и потенциальными электродами, источник переменного тока, измерительный усилитель, компенсационный трансформатор и регистратор среднего значения, снабжено узкополосным синхронным фильтром, амплитудным детектором, усилителем переменного тока и подключенным к его выходу регистратором пульсаций, причем вторичная обмотка компенсационного трансформатора включена последовательно во входную цепь измерительного усилителя, к выходу которого подключены последовательно соединенные амплитудный детектор, усилитель переменного тока и один из входов узкополосного синхронного фильтра, другой вход которого соединен с источником переменного тока, при этом к одному из выходов фильтра подключена первичная обмотка

828052 компенсационного трансформатора, а к другому — регистратор среднего значения.

Это позволяет осуществить частотную селекцию в цепи обратной связи измерительного усилителя и изменить на его входе соотношение амплитуд сигналов, соответствующих средним и пульсацнонным значениям

УЭП, повысить входное сопротивление усилителя, снизить уровень пестабильности контактных электрохимических процессов на потенциальных электродах ячейки, а также увеличить глубину отрицательной обратной связи за счет более высокого коэффициента усиления измерительного усилителя и уменьшить величину разностного сигнала на его входе.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг, 2 — узкополосный синхронный фильтр.

Устройство для измерения электропроводности жидкости содержит четырехэлектродную ячейку 1 с токовыми 2 и потенциальными 3 электродами, источник 4 переменного тока., измерительный усилитель 5, выход которого полключен к одному входу узкополосного синхронного фильтра 6, другой вход которого соединен с источником переменного тока. При этом первый выход фильтра нагружен на первичную обмотку компенсационного трансформатора 7, а второй — связан с регистратором среднего значения 8.

Вторичная обмотка компенсационного трансформатора включена послеловательно во входную цепь измеоительного усилителя

5, к выходу последнего полключен амплитулнь|й детектор 9, последовательно соединенный со входом усилителя 10 переменного тока, нагруженного на регистратор пульсаций 11.

Узкополосный синхронный фильтр 6 (фиг. 2) содержит резистор 12, связанный чеоез управляемь1е электронные ключи 13 с двумя конденсаторами 14, буферный каскад 15 и дифференциальный усилитель 16 постоянного тока.

Устройство работает следующим обоазом.

При протекании жидкости через ячейку

1 через токовые электроды 2 протекает постоянный Ilo амплитуде переменнь1й ток источника 4, создающий на потенциальных электролах 3 падение напряжения, пропорциональное сопротивлению объема жидкости, заключенного между этими электродами. Напряжение с электродов 3 поступает на ахоп измерительного усилителя 5, с выхода последнего через фильтр 6 и трансформатор 7 во входную цепь измерительHo1.о усилителя подается напряжение отри1гательной обпатной связи, уравновешивающее падение напряжения на электродах 3.

Это обеспечивает охватывание измерительного усилителя 5 глубокой отрицательной обратной связью. в цепи которой находитс

6 узкопо 70OHhIA синхронный фильтр, управляемый источником переменного тока.

Вь ход измерительного усилителя 5 через резистор 12 посредством электронных ключей 13, коммутируемых с частотой источника пепеменного тока, поочередно подключается к каждому из конденсаторов 14, заряжая их равными, «о поотивоположными по зп",ê напряжениями, определяемыми ве,чичиной выходного переменного напряжения измерительного усилителя. Происходит сштхронное детектирование выходного нап1дя>кения усилите,чя 5 с постоянной времеI и заряда конденсаторов, зависящей от величпнь1 их емкости и сопротивления резистопа 12.

1 вхо7y буферного каскада 15 чепез коммутпруемьте упоавчяемые ключи 13 поочередно прикладывается напряжение каждоI.n нз конденсаторов 14, т. е. формируется и: оеиеННое напряжение с частотой источ1ика 4 н амплитудой, зависящей от выходного сигнала измерительного усилителя.

Это напряжение не имеет амплитудной моду,чяцип, вызванной пульсациями УЭП исС.чеха ЕМОй жПДКОСтИ. таК КаК КОНДЕНСатОРЫ

14 и резистор 12 об,чадают большой постоянной времени. Последняя заряда конденсатооов в1- бирается так, чтобы при синхпон; ом 7е ектировании сгладить модуляп1;ю выход1.ого напояжения ттсилителя 5, определяемую пульсациями УЭП жидкости, и обеспечить Флуктуации напряжения на кон енсатопах 14 с частотой не более, например, 0,5 Гц. Напряжения с конденсаторов. несущие инФоомаш1ю о величине среднего значения УЭП исследуемой жидкости, поступают на входы дифференциального силителя 16 постоянного тока, к выходу которого подключен регистратор 8.

Фильтр 6 осуществляет частотную селекцию, обеспечивая присутствие в цепи обратной связи. охватывающей измерительный усилитель сигнала, пропорционального только среднему значению УЭП жидкости, не изменяя амплитуды сигнала, соответствующего Флуктуациям УЭП, поступающего на вхоЧьт усилителя 5 с эчектоодов 3. Благодаря этому повышается коэффициент усиления т силителя, величивается глубина обратной связи для уменьшения пазностного сигнала íà входах усилителя 5 и увеличения его входного соппотивления.

Пульсация УЭП в объеме жидкости, заключенном между электродами 3 ячейки 1, вызывает амплитудную модуляцию падения напряжения на потенциальных электролах с частотой пульсаций. Так как в цепи обпатной связи, на вторичной обмотке тпансФооматора 7, отсутствует. амплитуднач моч ляция компенсирующего напряжен я. ". входе измерительного усилителя 5 изменяется соотношение амплитуд сигналов, соответствующих среднему и пульсационному значению УЭП жидкости. С выхода

828052 циальными электродами, источник переменного тока, измерительный усилитель компенсационный трансформатор и регистратор среднего значения, о т л и ч а ю5 щ е е с я тем, что. с целью повышения точности и чувствительности устройства, оно си".á>êåíî узкополосным синхронным фильтром, амплитудным детектором, усилителем переменного тока и подключенным к его

10 вь ходу регистратором пульсаций, причем вторичная обмотка компенсационного трансформатора включена последовательно во входную цепь измерительного усилителя, к выходу которого подключены последова15 тельно соединенные амплитудный детектор, усилитель переменного тока и один из входов узкополосного синхронного фильтра, другой вход которого соединен с источни. ом переменного тока, при этом к одному

"0 и-- выходов фильтра подключена первичная обмотка компенсационного трансформатора, а к другому — регистратор среднего значения.

Устройство для измерения электропро- 30 водности жидкости, содержащее четырехэлектродную ячейку с токовыми и потенизмерительного усилителя через амплитудный детектор 9 и усилитель 10 на регистратор 11 поступает. переменное напряжение, несущее информацию о пульсационных значениях УЭП жидкости.

Последовательная частотно-селективная отрицательная обратная связь, охватывающая измерительный усилитель, повышает его входное сопротивление и снижает уровень нестабильности контактных электрохимических процессов на потенциальных электродах 3 ячейки 1, изменяет соотношение амплитуд сигналов на входе усилителя

5, соответствующих средним и пульсационным значениям УЭП жидкости в ячейке, и может быть достаточно глубокой для снижения разностного сигнала на входе измерительного усилителя без ослабления амплитуды сигнала, соответствующего пульсанионным значениям УЭП жидкости.

Устройство для измерения электропроводности жидкости повышает точность и чувствительность и обеспечивает одновременное измерение средних и пульсационных значений удельной электрической проводимости.

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лопатин Б. А. Теоретические основы электрохимических методов анализа.—

Высшая школа: М., 1975, с. 53.

2. Патент Великобритании № 964390, кл, G1N, 1974, 828052

Составитель М. Кривенко

Редактор М. Стрельникова Техред А. Камышникова Корректоры: Т. Трушкина и р. Беркович

Заказ 915/8 Изд. № 311 Тираж 915 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2