УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКИХ СРЕД Российский патент 1998 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологических исследованиях, для определения содержания растворенных в воде солей и примесей в системах тепловодоснабжения, контроля сточных вод.

Известно устройство для измерения электрической проводимости [1] состоящее из датчика, вулючающего в себя два тороидальных ферромагнитных магнитопровода, расположенных соосно, на одном из которых намотаны две идентичные обмотки: возбуждения и дополнительная, на другом обмотка измерительная, генератора синусоидального напряжения, усилителя с единичным коэффициентом усиления, милливольтметра. Обмотки возбуждения и дополнительная включены встречно, и их общий вывод соединен с выходом усилителя, вывод обмотки возбуждения соединен с выходом генератора и с инвертирующим входом усилителя. Вывод дополнительной обмотки соединен с неинвертирующим входом усилителя, один вывод измерительной обмотки соединен с входом милливольтметра, другой заземлен. Введение дополнительной обмотки и усилителя с единичным коэффициентом усиления, а также связей между ними и другими элементами устройства позволяет исключить влияние на результаты измерения активного сопротивления обмотки и тем самым снизить температурную погрешность измерения.

Недостатки устройства заключаются в следующем. Усилитель в данном устройстве из-за неидеальности (наличие и нестабильность выходного сопротивления) сам является источником погрешности, и в ряде случаев, таких как стабильная температура или малое сопротивление жидкости, погрешность, вносимая усилителем, может превышать температурную погрешность. Трансформаторы размещены в параллельных плоскостях и могут взаимодействовать между собой по магнитному потоку, из-за чего в измерительной обмотке может индуцироваться дополнительный ток, не зависящий от проводимости жидкости.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство [2] содержащее тороидальный магнитопровод трансформатора напряжения, два идентичных тороидальных магнитопровода трансформаторов тока, заключенные в герметичный корпус, который выполнен с двумя идентичными каналами. Магнитопровод трансформатора напряжения охватывает одновременно оба канала, магнитопроводы трансформаторов тока охватывают по одному каналу. Магнитопровод трансформатора напряжения имеет первичную обмотку и две одинаковые вторичные обмотки, образованные жидкостными витками, которые одновременно являются первичными обмотками трансформаторов тока. Вторичными обмотками трансформаторов тока являются идентичные обмотки, включенные встречно и присоединенные к согласующему усилителю. Далее последовательно включены резонансный усилитель, фазовый детектор, широкополосный усилитель и регистратор.

В данном устройстве имеет место взаимодействие трансформаторов напряжения и тока по магнитному потоку, так как магнитопроводы этих трансформаторов размещены относительно друг друга в параллельных плоскостях, из-за чего в измерительных обмотках трансформаторов тока могут наводиться дополнительные токи, не зависящие от проводимости жидкости, и температурная погрешность, возникающая из-за температурной нестабильности активного сопротивления обмоток.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и помехоустойчивости устройства за счет исключения влияния внешних электромагнитных полей, уменьшения влияния нестабильности активного сопротивления обмоток трансформаторов напряжения, исключения взаимодействия трансформаторов по магнитному потоку.

Задача решается за счет того, что в известное устройство, содержащее тороидальный магнитопровод трансформатора напряжения с обмоткой возбуждения, два идентичных магнитопровода трансформаторов тока с измерительными обмотками, генератор синусоидального напряжения и регистратор, дополнительно введены трансформатор напряжения и два трансформатора тока, полностью идентичные имеющимся соответственно и размещенные симметрично имеющимся, две дополнительные обмотки, размещенные на магнитопроводах трансформаторов напряжения, идентичные обмотки возбуждения, также введены два усилителя с единичными коэффициентами усиления, три суммирующих усилителя, компаратор, блок уставок, блок коммутаторов, причем магнитопроводы трансформаторов тока и напряжения расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, первый вывод дополнительной обмотки первого трансформатора напряжения присоединен к первому выводу блока коммутаторов, второй вывод дополнительной обмотки первого трансформатора напряжения присоединен к второму выводу блока коммутаторов и к неинвертирующему входу первого усилителя с единичным коэффициентом усиления, первый вывод дополнительной обмотки второго трансформатора напряжения присоединен к третьему выводу блока коммутаторов, второй вывод дополнительной обмотки второго трансформатора напряжения присоединен к четвертому выводу блока коммутаторов и к неинвертирующему входу второго усилителя с единичным коэффициентом усиления, первый вывод обмотки возбуждения первого трансформатора напряжения присоединен к первому выходу генератора синусоидального напряжения и к инвертирующему входу первого усилителя с единичным коэффициентом усиления, второй вывод обмотки возбуждения первого трансформатора напряжения присоединен к пятому выводу блока коммутаторов, первый вывод обмотки возбуждения второго трансформатора напряжения присоединен к второму выходу второго усилителя с единичным коэффициентом усиления, второй вывод обмотки возбуждения второго трансформатора напряжения присоединен к шестому выводу блока коммутаторов, выход первого усилителя с единичным коэффициентом усиления присоединен к седьмому выводу блока коммутаторов, выход второго усилителя с единичным коэффициентом усиления присоединен к восьмому выводу блока коммутаторов, девятый вывод блока коммутаторов заземлен, первые выводы измерительных обмоток первого и второго трансформаторов тока присоединены к входам первого суммирующего усилителя, первые выводы измерительных обмоток третьего и четвертого трансформаторов тока присоединены к входам второго суммирующего усилителя, свободные выводы измерительных обмоток заземлены, выходы первого и второго суммирующих усилителей подключены к входам третьего суммирующего усилителя, к выходу которого подключен первый вход регистратора и один вход компаратора, к другому входу компаратора подключен выход блока уставок, выход компаратора присоединен к управляющему входу блока коммутаторов и к второму входу регистратора.

На фиг. 1, фиг. 2 приведена схема устройства.

Устройство состоит из преобразователя, включающего в себя два тороидальных магнитопровода 1 трансформаторов напряжения, расположенных соосно и содержащих помимо обмоток возбуждения 2 дополнительные обмотки 3, полностью идентичные обмоткам возбуждения, четыре магнитопровода 4 трансформаторов тока, которые размещены в плоскостях, перпендикулярных плоскостям магнитопроводов трансформаторов напряжения, и содержат измерительные обмотки 5, заключенного в герметичный корпус 6 с симметричными каналами 7 генератора синусоидального напряжения 8, усилителей с единичным коэффициентом усиления 9, суммирующих усилителей 10, 11, блока коммутаторов 12, блока уставок 13, компаратора 14, регистратора 15, причем магнитопроводы трансформаторов тока 2 и напряжения 1 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, оба вывода каждой дополнительной обмотки 3 присоединены к блоку коммутаторов 12, один вывод к неинвертирующему входу соответствующего усилителя с единичным коэффициентом усиления 9, один вывод каждой обмотки возбуждения 2 подключен к блоку коммутаторов 12, другой соединен с генератором синусоидального напряжения 8 и инвертирующим входом соответствующего усилителя с единичным коэффициентами усиления 9, к одному входу компаратора 14 присоединен выход суммирующего усилителя 11, к другому входу компаратора 14 присоединен выход блока уставок 13, выход компаратора 14 соединен с блоком коммутаторов 12 и регистратором 15, один вывод коммутаторов 12 заземлен, к одному выводу каждой измерительной обмотки 5 подключены суммирующие усилители 10, другие выводы измерительных обмоток 5 заземлены, к выходу суммирующих усилителей 10 присоединен суммирующий усилитель 11, к выходу которого подключен регистратор 15.

Устройство работает следующим образом.

С генератора 8 синусоидальное напряжение поступает на обмотки возбуждения 2 и дополнительные 3, соединенные последовательно через блок коммутаторов 12 и образующие результирующую обмотку возбуждения. В каналах 7 возникают равные по величине токи, которые наводят равные по величине ЭДС в измерительных обмотках 5. Токи измерительных обмоток 5 усиливаются и суммируются усилителями 10. При этом ЭДС, наведенные в измерительных обмотках 5 внешними электромагнитными полями, взаимно вычитаются, что обеспечивает высокую помехоустойчивость. Выходные токи усилителей 10 усиливаются и суммируются усилителем 11, выходной ток усилителя 11, величина которого пропорциональна электрической проводимости жидкости, подается на регистратор 15 и на компаратор 14.

Последовательное включение обмоток возбуждения и дополнительной позволяет за счет увеличения числа витков уменьшить отношение активной составляющей полного сопротивления результирующих обмоток к индуктивной составляющей и, следовательно, уменьшить влияние активного сопротивления обмоток на результат измерения.

В компараторе происходит сравнение выходного тока суммирующего усилителя 11 с током блока уставок 13 и, если величина выходного тока суммирующего усилителя 11 меньше величины тока блока уставок 13, компаратор формирует сигнал, который подается на блок коммутаторов 12 и на регистратор 15. В блоке коммутаторов изменяется состояние переключателей и с генератора 8 синусоидальное напряжение поступает только на обмотки возбуждения 2. При этом в дополнительных обмотках 3 наводятся ЭДС, равные падениям напряжений на индуктивной составляющей полного сопротивления обмоток возбуждения 2. Напряжения с обмоток возбуждения 2 и с дополнительных 3 подаются на входы соответствующих усилителей с единичным коэффициентом усиления 9, на выходах которых появляются напряжения, равные падениям напряжений на активных сопротивлениях обмоток возбуждения 2. Эти напряжения через блок коммутаторов прикладываются к общим выводам соответствующих обмоток возбуждения 2 и дополнительных 3, компенсируя влияние активных сопротивлений обмоток возбуждения 2. При этом увеличивается в 2 раза коэффициент преобразования, т.к. за счет уменьшения числа витков обмоток возбуждения 2 трансформаторов напряжения наводимые в жидкостных витках токи увеличиваются в два раза. Сигнал, поданный с выхода компаратора 14 на регистратор 15, корректирует показания регистратора 15 с учетом изменения коэффициента преобразования устройства. Токи, индуцированные в жидкостных витках и, следовательно, в измерительных обмотках трансформаторов тока, не зависят от активного сопротивления обмоток трансформаторов напряжения.

Таким образом, при высокой электрической поверхности исследуемой жидкости уменьшение влияния активного сопротивления обмоток трансформаторов напряжения осуществляется путем увеличения числа витков обмоток возбуждения трансформаторов напряжения. При этом исключается влияние на результат измерения параметров усилителя. При малой электрической проводимости жидкости (когда необходимо увеличить коэффициент преобразования) уменьшение влияния активного сопротивления обмоток трансформаторов напряжения осуществляется электронным способом путем включения усилителей с единичными коэффициентами усиления и увеличивается коэффициент преобразования за счет уменьшения числа витков обмоток возбуждения трансформаторов напряжения.

Данное устройство обладает следующими преимуществами.

1) По сравнению с аналогами устройство обладает повышенной помехоустойчивостью, т. к. ЭДС, наводимые в обмотках внешними элетромагнитными полями, взаимно вычитаются в суммирующих усилителях и не влияют на результат измерения.

2) По сравнению с прототипом устройство обладает повышенной точностью за счет исключения взаимодействия трансформаторов напряжения и тока по магнитному потоку и, таким образом, исключения индукции в измерительных обмотках трансформаторов тока токов, не зависящих от проводимости жидкости, путем размещения трансформаторов тока и напряжения во взаимно перпендикулярных плоскостях, а также за счет уменьшения влияния на результат измерения температурной нестабильности активного сопротивления обмоток трансформаторов напряжения, причем, в отличие от известных устройств, в данном устройстве выбор способа уменьшения влияния на результат измерения температурной нестабильности активного сопротивления обмоток трансформаторов напряжения осуществляется автоматически в зависимости от значения измеряемой величины.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1138762, кл. C 01 R 27/02, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 748214, кл. C 01 N 27/02, 1980 (прототип).

Устройство для измерения электрической проводимости жидких сред содержит два тороидальных магнитопровода 1 трансформаторов напряжения, четыре магнитопровода 4 трансформаторов тока, регистратор 15, генератор синусоидального напряжения 8, два усилителя 9, три суммирующих усилителя 10, 11, компаратор 14, блок уставок 13, блок коммутаторов 12. Магнитопроводы 1 содержат обмотку возбуждения 2 и дополнительную обмотку 3. Магнитопроводы 4 содержат измерительные обмотки 5, трансформаторы напряжения идентичны и размещены симметрично. Трансформаторы тока идентичны и попарно симметричны. Магнитопроводы трансформаторов тока и напряжения расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. 2 ил.

Устройство для измерения электрической проводимости жидких сред, содержащее тороидальный магнитопровод трансформатора напряжения с обмоткой возбуждения, два идентичных магнитопровода трансформаторов тока с измерительными обмотками, регистратор и генератор синусоидального напряжения, выход которого соединен с одним выводом обмотки возбуждения трансформатора напряжения, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены трансформатор напряжения и два трансформатора тока, полностью идентичные имеющимся соответственно и размещенные симметрично имеющимся, две дополнительные обмотки, размещенные на магнитопроводах трансформаторов напряжения, идентичные обмоткам возбуждения, также введены два усилителя с единичными коэффициентами усиления, три суммирующих усилителя, компаратор, блок уставок, блок коммутаторов, причем магнитопроводы трансформаторов тока и напряжения расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, первый вывод дополнительной обмотки первого трансформатора напряжения присоединен к первому выводу блока коммутаторов, второй вывод дополнительной обмотки первого трансформатора напряжения присоединен к второму выводу блока коммутаторов и неинвертирующему входу первого усилителя с единичным коэффициентом усиления, первый вывод дополнительной обмотки второго трансформатора напряжения присоединен к третьему выводу блока коммутаторов, второй вывод дополнительной обмотки второго трансформатора напряжения присоединен к четвертому выводу блока коммутаторов и неинвертирующему входу второго усилителя с единичным коэффициентом усиления, первый вывод обмотки возбуждения первого трансформатора напряжения присоединен к первому выходу генератора синусоидального напряжения и инвертирующему входу первого усилителя с единичным коэффициентом усиления, второй вывод обмотки возбуждения первого трансформатора напряжения присоединен к пятому выводу блока коммутаторов, первый вывод обмотки возбуждения второго трансформатора напряжения присоединен к второму выходу генератора синусоидального напряжения и инвертирующему входу второго усилителя с единичным коэффициентом усиления, второй вывод обмотки возбуждения второго трансформатора напряжения присоединен к шестому выводу блока коммутаторов, выход первого усилителя с единичным коэффициентом усиления присоединен к седьмому выводу блока коммутаторов, выход второго усилителя с единичным коэффициентом усиления присоединен к восьмому выводу блока коммутаторов, девятый вывод блока коммутаторов заземлен, первые выводы измерительных обмоток первого и второго трансформаторов тока присоединены к входам первого суммирующего усилителя, первые выводы измерительных обмоток третьего и четвертого трансформаторов тока присоединены к входам второго суммирующего усилителя, свободные выводы измерительных обмоток заземлены, выходы первого и второго суммирующих усилителей подключены к входам третьего суммирующего усилителя, к выходу которого подключен первый вход регистратора и один вход компаратора, к другому входу компаратора подключен выход блока уставок, выход компаратора присоединен к управляющему входу блока коммутаторов и второму входу регистратора.