Устройство для измерения электроповодности жидкости

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Социалистичесиик рес ублии (ii)883729 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 28. 06. 79 (21) 2785852/18-25 (51)М. Кл. с присоединением заявки №

G 01 N 27/02

9)еударетаеннвй квинтет

СССР аа далаи нзабретаннй н аткрытнй (23) Приоритет

Опубликовано 23 . 1 1 . 81, Бюллетень ¹ 43

Дата опубликования описания 25 (53) УД К 543 ° .257(088.8) (72) Авторы изобретения ф

В.А. Гайский и А.Т. Гопко

Ъ

Морской гидрофизический институт АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано для измерения электропроводности морской воды в гидрофизических исследованиях.

Известно устройство для измерения проводимости, содержащее набор двухэлектродных ячеек (11.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, вследствие погрешностей привязки измерений к пространственным координатам и изменения профиля электропроводности во времени. Кроме того, устройство имеет низкое быстродействие и не пот% зволяет получить данные об измерении профиля электропроводности во времени.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения электропроводности, содержащее чувствительный элемент в виде двухэлектродных ячеек и измерительного блока (21.

Недостатком устройства является невысокая точность и чувствительность измерений.

Цель изобретения — повышение точности и быстродействия процесса измерения электропроводности и расширение функциональных возможностей пространственной фильтрации паля электропроводности непосредственно датчиком.

Поставленная цель достигается тем, что чувствительный элемент устройства выполнен в виде маски из несколь" ких двухэлектродных ячеек, распределенных и геометрически промодулированных вдоль измеряемого профиля, причем выходы ячеек поданы раздельно на входы измерительно-вычислительного блока.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 — исполнение форм двухэлектродных ячеек по функциям тригонометрического ряда Фурье; на фиг. 3 — то же, по функциям Уолша883729

15 (s) «Ь(х) = а; 1,(Х) го

Адамара; на фиг. 4 — то же, по функциям Уолша; на фиг. 5 - то же, по функциям Хаара; на фиг. 6 — то we, по функциям Лежандра 1 рода; на фиг. 7 — то же, по импульсным весовым функциям фильтров низких пространственных частот; на фиг. 8 — то же, по импульсным весовым Функциям полосовых фильтров пространственных частот; на фиг. 9 — то же, по импульсным весовым функциям фильтров низких пространственных частот в многоканальном устройстве.

Устройство содержит (и + 1) параллельно распределенных в пространстве вдоль траектории измеряемого профиля попарно и симметрично промодулированных по константе К (по площади или по расстоянию L между электродами)

I ( двухэлектродных ячеек 1 -l,li .1,...,1-1 . При этом все электроды поданы раздельно на входы измерительновычислительного. блока l.

Двухэлектродные ячейки изготовлены так, что константы ячеек промодулированы по длине Х и изменяются по закону

К1 (Х) = Кщ ;(Х) 1 = 0Ä! (1) где Кщ — максимальная константа двухэлектродной ячейки,: Ф1 — i-ая функция, вид которой зависит от целей измерения.

Константа К (Х) двухэлектродной электролитической ячейки определяется из выражения т

q; (х) = xi (х) — - - = к;(х)х; (х)

6, (Х) т.е. К (X) (3) где q;(X) — погонная проводимость в точке X; Х 1 — удельная электропроводность в точке Х; К;(Х) — расстояние между электродами в точке Х;

r1;(X) — высота электрода в точке Х, при фиксированной ширине (вдоль оси Х).

Модуляция величины К;(Х) может осуществляться изменением („.(X)h ;(Õ) или обоих этих величин одновременно.

Для ячеек l -1,, 1 -1 ...,, 1-1 интегральная проводимость определяется следующим выражением:

G; - j," q(X) qi .(Х)0 i = О,п (4)

Устройство может использоваться для измерения профиля электропроводности вдоль траектории расположения чувствительного элемента в среде, а

Зо

55 также для измерения пространственно отфильтрованных значении электро проводности в одной или нескольких точках среды. Рассмотрим варианты реализации устройства и его работу при выполнении измерений с этими целями.

Если целью измерения является получение профиля электропроводности вдоль неподвижного чувствительного элемента, в качестве 1т; (х)1 ислользуется система ортонормированных на отрезке (О,X) функций, образующих базис обобщенного ряда Фурье 5-9. В этом случае где коэффициенты разложения и определяются из выражений где G;, — интервальная измеренная проводимость i-ой ячейки.

При измерении профиля электропроводности устройство работает следующим образом.

Под воздействием электропроводности среды ячейки 1о -1п 1 принимают электропроводность С „ в соответствии с зависимостями (4). Измерительно-вычислительными блоками 1 производится измерение электропроводности

Gi„ (i = О,n+ll и вычисление коэффициентов а; (i=0,nj по формуле (6). Далее блоком 3 вычисляется профиль электропроводности G(X) на отрезке

О,Х по выражению (5).

При использовании устройства для измерения профилей электропроводности с борта научно-исследовательских судов и буйковых станций, положительный эффект, кроме повышения точности, состоит также- в отсутствии необходимости сканирования среды и применении дистанционной апаратуры для телеметрии и в высоком быстродействии, ограниченном только инерционностью ячеек.

Рассмотрим примеры использования различных систем функций при измерении профиля.

Если известно, что функция G(X) является периодической и кусочнонепрерывной на отрезке (О,х ), то эффективное среднеквадратическое приближение может быть получено при использовании системы тригонометричес883729 (7) ао

G(X) = 2 +2;.

Ge а =—

2Х G2 Ga

G -2G х

35 (9) (13) 5. ких функций ряда Фурье. В этом случае используется (2+1) ячеек константы К1 1(Х) и, соответственно, q,(Х) промодулированных по функциям

Х

q () qm 2Г

q l(Х) = q cos — Х + 2с1„

q, (X) = quoin X X + 2q

q (X) = q cos — Х + 2q

qs>(X) = q sin — X + 2q

23

Ъ Х CTt

Блок 3 производит измерение провоФ. В димости ячеек G;, G;, 61, и вычисление

l5 профиля электропроводности по формуле

2Й.. 21(= а, cost — „х+ b; sin< -Х g (8) 3е где коэффициенты Q,, Ь, определяются по формулам

Ь

При использовании функций УолшаАдамара (had(h,х)) погонная проводимость датчиков выражается зависимос" тями с,(Х) = па4(О,Х)"- q,я

ЧИ(Х) = q22lhad(h,Х) .ГДЕ 22

had = " fcos)IX;j h; (12)

1 %2

h; — номер функции Уолша-Адамара;

Х10,1 — i-ый разряд двоичного представления точки Х на интер-. вале (O,Х1.

На фиг. 3 показаны графики модулирующих функций Уолша-Адамара для восьми ячеек.

Блок 1 производит измерение элект.ропроводности ячеек, и вычисление профиля электропроводности G(X) по форму ле (5) при подстановке У;(X)=had(1,Х) и коэффициентов а; по формулам (10) при (1=0, n) .

При использовании функций собственно Уолша wa_#_,w,Х) погонная электропроводность ячеек выражается зависимостями (фиг. 4) ц,(Х) = wat(O,X) = q ц„„(х) = ц;„иаР (и,Х) (l0) 5О

Наиболее просто реализуются распределенные ячейки с модуляцией погонной проводимости по системам функции Уолша.

В этом случае модуляция проводимос-35 ти может осуществляться простым повторением идентичных ячеек. При этом каждая пара электродов изготавливается в соответствии одной из функций

Уолша. Положительному значению функции (+i) соответствует наличие электродов, отрицательному (-1) — отсутствие (или наоборот).

Поскольку для получения коэффициентов разложения а, в ряд Уолша необ. ходима модуляция положительными и отрицательными соСтавляющими функции

Уолша, то значения коэффициентов q; определяют из выражения zìr, - й, Х где G — интегральная проводимость о

О-ой ячейки.

Из различных систем функции Уолша наиболее удобны те, в которых начальные функции сохраняются неизменными при произвольном увеличении порядка. ним относятся функции Уопша-Адамара

had (h, X)) и собственно Уолша (иа И ), где wat(w,X) = ра f ((и-, т ъ Х и — двоичные разряды номера и функции собственно Уолша; w-i,„ðà1(р,К)— функции Уолша-Пэли по выражению п раЙ (р,Х) g (соьйх; " 2 (14)

Iч

P — номер функции Уолша-Пэли.

На фиг. 4 показаны графики модулирующих функций собственно Уолша для восьми ячеек., Блок 1 производит измерение электропроводности датчиков G, G;, G„ и вычисление профиля электропровод" ности по формуле (5) при .подставке

f; (Х) = wal(i Х) и коэффициентов а; по формулам (10) при 1 = О,п

Для любых непрерывных профилей

G(X) сходящееся разложение может быть получено при использовании функций Хаааа f2„ тХт1 В атом случае погонная электропроводность выражается зависимостями (фиг. 5)

q,(Õ) = Х, (Х) - q

q (Õ) - а,Х. (Х)+цЛ, q„,«(x) - qx„") (х)+ qmi1, X„" (Х) =

15

20 (27) ! (x-x ) 7 8837 где )1 — коэффициент пропорциональности.

Х(1 (О) =,+f2, Хя " (1) = - К2

Ф 2 при ХЕ (2к 2.„ 2< 1х) (16) 0 в остальных точках f0,Õ)

n = 0,1,2 К = 1,2...2

На фиг. 5 показаны графики модулирующих функций Хаари для восьми ячеек.

Устройство содержит 2.,2 - 1 ячеек, одна из которых, О-.ая, не модулирована. Блок 3 производит измерение электропроводности и вычисление про1 филя электропроводности G; по формулам (5) при подстановке 9!(X) = X(, и. коэффициентов а, по формулам (17) и при-(= 0 2 2 х (X

25 и подстановке G = G (к) При измерении некоторых профилей электропроводности в верхнем слое океана, типичная форма которых хорошо аппроксимируется малым числом членов некоторых полиномов, например полиномов Лежендра 1-го рода (р„(Х), целесообразно выполнить модуляцию ячеек по этим полиномам. 35

8 этом случае погонная электропроводности ячеек выражается зависимостями

0 1 (Х) = Ро (Х) = с!((, q (X) = q р„ (Х)

1 . d" т (( где Рп(Х) = 2n 4" (Х вЂ” 1) 0 (19) устройство содержит (и+1) ячеек.

На фиг. 6 показаны графики модулирующих функций Лежендра 1 рода для 45 восьми ячеек. Блок 3 производит изме, рение электропроводности и вычисление профиля электропроводности G(X) по формуле (5) при подстановке ря(Х) и коэффициентов а по формулам а(——, при к;= (20) GI- с 2 2! Х 2+1 2+1

Если целью измерения является получение значения электропроводности 55 в некоторой точке поля Х,, причем это значение должно содержать только отфильтрованные заданным пространствен29 8 ным фильтром Я (1() составляющие исходного поля электропроводности среды, то для 1-й ячейки в качестве функции h„(Х-Xo) принимают нормированную импульсную. весовую функцию

h;(X-XP) заданного фильтра, причем

h;(X) = . (21)

1, (х) ( где q;(X) — импульсная весовая функци я; (q; ) — модуль максимального значения.

Для проводимости ячеек в этом случае можем записать

G„= G0+ q 3 h! (Х-Xo)qo (X)dX (22) к

Поскольку член ц "i (Х-Xo) dX не зао висит .от измеряемой электропроводности, а определяется только весовой . функцией Ь(а(Х) заданного фильтра, т.е. конструктивными параметрами, то ((qn, / (Х-Xy)dX = Gn,= const. (23) о

Отфильтрованное значение эле к т роп роводности очевидно будет

С(1 (X) = q (n / "1 (Х-Xo) Q(X) dX (2")

Следовательно, из результатов измерения электропроводностей электропроводность G;„,X) определится по формуле

G(, (X) = G; - Go - 6„;;. (25)

Таким образом, при измерении электропроводности предложенным устройством возможно осуществлять произвольную фильтрацию пространственных частот ячейкой электропроводности, если проводимость ячейки промодулировать в пространстве по нормированной импульсной весовой функции заданного фильтра.

Рассмотрим примеры, иллюстрирующие измерение электропроводности с одновременной фильтрацией в ячейке.

При реализации прямоугольного фильтра низких пространственных частот (ФНПЧ) нормированная весовая функция фильтра равна

5!п2ЛГ (Х-Уо) При реализации полосового пространственного фильтра нормированная весовая функция фильтра равна

883729

Если требуется измерить пространственно отфильтрованные значения электропроводности в точке Xpb„ (X,Î) (получить спектр), используется (и+1) распределенных ячеек, погонная проводимость которых промодулирована по функциям

q (X) = q 1. q h1(Х"Xp)

q (Х) = q +q (X-Х,) (28) цп(Х) = q +q+„(X-Xp) где h;(X) — нормированная весовая функция фильтра.

На фиг. 7 показаны графики модулирующих проводимостей ячеек по выражению (26) для фильтра низких пространственных частот. Вычитая попарно сигналы с выходов таких ячеек можно получить широкий набор сигналов, отфильтрованных в определенных полосах.

На фиг. 8 показаны графики модулирующих функций по выражению (27) для полосовых фильтров пространственных частот. В этом случае устройство является анализатором амплитудного про" странственного спектра электропроводности.

Во всех случаях вычисление отфильтрованных значений электропроводности

С;;(Хо) производится по формуле (25).

Для получения профиля отфильтрованных значений электропроводности

С,> (Х) XG tO,X) вдоль линии Х, чувствительный элемент перемещают вдоль. линии Х.

Если требуется одновременно измерить пространственные отфильтрованные значения электропроводности

Gtji (Х,) в в точках вдоль линии Х, то в многоканальном устройстве используются в групп по и ячеек с модулированными проводимостями по функциям (фиг. 9 для ФНПЧ).

:q„(X) = q +q h,(Х - ЛХ)

1 (X) = Ц„, + 1 Ь, (X - ЬХ)

q;„(X) = q ф цмh е;.(Х - Ь Х) (29)

q (Х) = q +q„,h; (Х - 2ЛХ)

q;j(X) = q+q h; (X - jhX), где i = i, и; j =1, m gw расстояние между точками определения электропроводности по оси.

Блоком 1 производится измерение электропроводности G„j; и вычисление электропроводности по формуле

Gtji= G iji - Goj - Grnji ° . (30)

Для получения непрерывных профилей отфильтрованной электропроводнос>р ти G„ (Х) чувствительный элемент необходимо сканировать вдоль оси Х в пределах ЬХ.

Измерительно-вычислительный блок 1 производит измерение интегральных про)5 .водимостей 6; ячеек, вычисление коэфФициентов разложения " и восстановление профиля удельной электропроводности или отфильтрованных значений ее .по приведенным выражениям.

Таким образом, данное устройство позволяет повысить точность и быстродействие измерения профиля электропроводности жидкостй.

Формула изобретения

Устройство для измерения электропроводности жидкости, содержащее на6ор двухэлектродных ячеек, соединенных с измерительным устройством, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия процесса измерения, двухэлектродные ячейки геометрически про35 модулированы по площади электродов и расстоянию между ниии по одной из систем обобщенных полиномов Фурье или по весовой функции заданного фильтра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Вершинский А.В., Соловьев А.В.

Зонд для исследования поверхностного слоя океана, "Океанология", т. XVII вып. 2, 1977

2. Доценко С.В. Теоретические основы измерения физических полей океа" на, Л., Тидрометеоиздат", 1974, с. 99-110.

883729

11

Заказ 10212/á5

Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Óæãîðîä, ул. Проектная, 4

Составитель М. Кривенко

Редактор П. Ортутай Темред Е.Гаврилешко Корректор С. Шекмар